摘要：本文主要介绍空分装置中液氧、液氦流量采用涡街流量计测量的方法,探讨使用现状的优点,对不能测量较大流量以及涡街流量计小信号切除量较大的问题进行相关应用分析,对空分装在产品核算、经济效益分析、可靠运行的方面具有一定帮助。
目前，化工行业很多生产现场所使用的流量计选型不够合理,有的存在安装错误,造成计量误差过大,还有些不能满足生产或产品交接计量的需要,流量计是化工企业非常常用的仪表。但仅靠经验或单纯考虑购置费进行选型，可能会失去选择非常适合仪表的机会。由此可见,正确选择和使用流量计并非易事。要正确、有效地选择合适的流量计,必须考虑5个方面的因素,即性能要求、介质物性、安装要求、环境条件和费用。
笔者所在的煤基烯烃项目建设的空分装置生产气氧、气氮、仪表空气、工厂空气、液氧和液氮。笔者通过对该装置的液氧、液氮产品流量计的使用情况进行摸索研究,从仪表测量原理出发,进行必要的分析和研究,并进行观察评估,对实施效果:提出推广建议,从而进一步提高管理和维护水平,使该装置产品交接计量向更稳定、更可靠的方向发展。
1空分装置液氧、液氨涡街流计使用现状
1.1产品流量的测量方法
一般情况下,煤化工配套的空分装置都较大,液氮、液氧产品在工艺系统负荷较低时可以作为产品销售。为了准确测量这两股产品的流量,保证贸易交接的准确性,考虑到这两股产品低粘度、低温,产品管线口径小(仅为DN25mm),以及一次仪表需安装于冷箱内隔箱而变送器需要安装于冷箱外部的特点,项目非常初选用了分体式涡街流量计配以转换器来测量液氮、液氧流量。
1.2涡街流量计测量液氧、液氮流量
1.2.1测量原理.
涡街流量计是一种典型的速度式流量计,可检测Re在5x103~7x106范围内的液体、气体、蒸汽流体的流量。漩涡分离的稳定性受漩涡发生体上游流场畸变、漩涡流等的影响，所以安装仪表应根据上游阻流件的不同形式,配备不同长度的上、下游直管段,或安装流动调整器,为涡街流量计提供良好的流场条件,消除流场对仪表的不利影响。涡街流量计是应用流体振荡原理来测量流量的,流体在管道中经过涡街流量变送器时,在三角柱的漩涡发生体后上下交替产生正比于流速的两列漩涡,称为卡曼漩涡。单侧漩涡的释放频率与流过漩涡发生体的流体平均速度及漩涡发生体特征宽度有关,表示为":
f=(Srxv)/d
式中
d一漩涡发生体特征宽度,m;
f一漩涡的释放频率,Hz;
Sr一斯特劳哈尔数,无量纲，它的数值范围为0.14~0.27;v一流过漩涡发生体的流体平均速度，m/s。
Sr是雷诺数的函数,Re与Sr的关系为Sr=f(l/Re),如图1所示。
由上式可知，在斯特劳哈尔数Sr为常数时,流量qv与单侧漩涡产生的频率?成正比。
当雷诺数Re在102~105范围内时,Sr值约为0.2,因此,在测量中要尽量保证流体的雷诺数在102~105,漩涡频率?=0.2×?/d。由此可知，通过测量漩涡频率就计算出流过漩涡发生体的流体平均速度u,再由式qv=?×A0求出流量qv,其中A。为流体流过漩涡发生体的截面积。
1.2.2涡街流量计测量空分装置液氮、液氧的优劣笔者通过观察装置开车后近一年的使用情况，发现在这两股产品处使用涡街流量计各存在一些优缺点。
1.2.2.1优点
涡街流量计结构简单牢固,安装维护方便,测量元件直接安装于管道上,克服了管路的泄漏现象。可根据测量对象选择相应的检测方式,仪表的适应性强。非常适用于干净介质流体和部分混相流体。与其他脉冲输出型流量计相比,涡街流量计的仪表系数K较低,且随仪表测量管径D的增大仪表系数K近似以直径比的3次方速率下降(表1)。
选择流量计的通径应按被测管道使用的流量范围和被选流量计的上、下限流量来选配,而不是简单地按管道通径选用。通常设计管道流体非常大流速是按经济流速来确定的,流速选择过低,则管径粗、投资大;而流速过高则输送功率大,增加运行费用21。大部分流量计上限流量的流速接近或略高于管道经济流速,因此流量计通径与管径相同的可能性较大,安装比较方便,如不相同也不应.相差太多,一般相邻一档规格,采用变径管连接'。
若采用标准孔板流量计来测量液氮、液氧的流量存在--些不足之处，如:压力损失较大;导压管、三(五)阀组及连接接头容易泄漏;导压管、取压口易堵塞;量程范围小,一般为3:1,对流量波动较大易造成测量值偏低;液氮、液氧温度较低，需要采取复热措施由液态恢复为气态才可测量，否则易冻结。
量程比相对较宽，可达10:1或20:1。笔者使用的情况是实际非常小流量可测到200Nm'/h,非常大可测到1865Nm'/h及以，上。实际情况是非常大流量在阀门仅65%开度时就达到了100%,非常小流量仅可测到325Nm3/h,尤其上、下极限测量时基本很难用好。大多数涡街流量计具有较好的线性度,涡街流量计理论非常大量程比可达300:1以上。但由于检测元件的灵敏度、仪表的压力损失及其他方面的限制,要达到这么高的量程比是非常困难的。因此实际大多数的涡街流量计的量程比仅为10:1以上,有的可达到20:1甚至30:1。而其他的流量计如差压流量计,却没有这么宽的量程范围。一般的涡街选型,都会把所测流量范围放在其全量程的5%~60%这个范围内,如果要求的量程太宽,就必须把常用流量放在这个范围的合适位置以选型。这样选型出来的涡街才会好用、稳定,精度才能得以保障.
涡街流量计属测量精确度中等偏上的流量计,通常测量液体的精确度为土(0.5%~1.0%),测量气体的精确度为土(1.0%~1.5%),这种精确度比涡轮流量计科氏力质量流量计低,但与传统的差压流量计、浮子流量计相比,测量精确度较高2]。考虑到这两股产品既要计量总流量,又要应用在流量控制系统中，流量计精确度的确定要在整个系统控制精确度要求下进行，因为整个系统不仅有流量检测的误差,还包含有信号传输、控制调节等环节的误差和各种影响因素,对测量仪表确定过高的精确度是不合理和不经济的,因此综合精度、经济性一-同考虑是选型的要素之一。
正常情况下压损约为孔板流量计的1/4~1/2，但内缩径涡街流量计不适用于此处。近似的长期.压损(PPL)计算公式为笔者以液氮产品为例，经过计算，DN25mm的涡街流量计适用于此处,图2为液氮DN25mm涡街流量计性能对照图。从图2可以看出，在保证精度的情况下,压损是相当小的。
输出与流量成正比的脉冲信号,适用于总量计量,无零点漂移[4。在一定雷诺数范围内,输出频率信号不受流体物性(密度、粘度)和组分的影.响,即仪表系数仅与漩涡发生体和管道的形状尺寸有关,只需在一种典型介质中校验而适用于各种介质。在各种流量计中涡街流量计是一种较有可能成为仅需干式校验的流量计。
对流量变化在一定的雷诺数范围内，漩涡分离的频率仅与流体工作状态下的体积流量成正比;而对被测流体压力、温度、粘度和组分变化不敏感。因此，在几何相似和动力相似条件下，涡街流量计可用一种典型介质(如水或空气)标定，就可确定它的仪表系数，并可在其他介质中使用。涡街流量计的这一特点，对生产厂和用户提供了很大的便利。对用于高压气体的涡街流量计，使用常压条件下标定的仪表系数，用户完全可以放心，生产厂不必为没有高压标定设备而忧虑;用于气体的涡街流量计，也可在水流量标准装置中校验，提高标定精确度。涡街流量计这一特点，为它实现干标定、发生体标准化提供了有利条件。
通常涡街流量计的仪表系数K是通过液体或气体流量校准装置在常温、常压条件下标定后确定的。如果仪表用于高温流体(例如蒸汽)或低雷诺数区域的流量测量时,还照用实验室标定的仪表系数的话,则会产生一定的测量偏差。因此,当仪表的工作条件偏离标定条件较远时,需对该系数进行修正。
仪表标定时,根据校准装置给出的标准流量、流体密度、粘度和被测涡街流量计输出的频率,计算出仪表系数K和对应的雷诺数。先进行雷诺数Re>2x104的各流量测试点的标定,再进行Re≤2x104各点流量的标定。然后算出Re>2x104各流量测试点的平均仪表系数K,以K作为标准仪表系数,再分别计算Re<2x104各流量测试点的仪表系数Ki与K的比值E作为雷诺数修正系数,这样就得到与表2相似的各雷诺数所对应的修正系数，然后把这些数据写人仪表中。
2x104的各流量测试点的标定,再进行Re≤2x104各点流量的标定。然后算出Re>2x104各流量测试点的平均仪表系数K,以K作为标准仪表系数,再分别计算Re<2x104各流量测试点的仪表系数Ki与K的比值E作为雷诺数修正系数,这样就得到与表2相似的各雷诺数所对应的修正系数，然后把这些数据写人仪表中。
2x104各流量测试点的平均仪表系数K,以K作为标准仪表系数,再分别计算Re<2x104各流量测试点的仪表系数Ki与K的比值E作为雷诺数修正系数,这样就得到与表2相似的各雷诺数所对应的修正系数，然后把这些数据写人仪表中。
1.2.2.2缺点
涡街流量计小信号切除量较大,使下限流量不能太低，因此不能满足较小流量测量的要求。涡街流量计的下限流量受雷诺数和检测元件灵敏度的制约。
雷诺数的影响。涡街流量计不适用于低雷诺数测量(Re≥2x104),故在高粘度、低流速、小口径情况下应用受到限制。大多数涡街流量计的下限雷诺数为(1~2)x104,只有当仪表工作在下限雷诺数以.上区域时,斯特劳哈尔数Sr或仪表系数K才进人平直区,仪表也才能进人线性工作区域，否则当雷诺数Re低于涡街流量计线性工作区的临界雷诺数时,仪表系数K将出现严重的非线性,产生非线性误差。在粘度高、口径小的工作条件下工作的涡街流量计，下限流量不能太低。以液氮产品为例,经过计算,DN25mm的涡街流量计所测流量为全量程流量的15%及以下时,流速下降迅速,已经不能保证精度了，即使满足了可测量程上限的要求也满足不了可测较小流量的需要(表3)。
另外,从图3还可以清楚地看到,流量达到量程上限以后精度和压损明显呈比例上升。这也就不难解释为什么涡街流量计往往未用到全量程就很难用好了检测元件灵敏度的限制。漩涡强度越强对信号检测越有利。而漩涡强度与流速平方是成正比的，所以在量程下限的低速区，漩涡信号很微弱，能否有效地检测出漩涡信号,取决于检测元件的灵敏度[2]
受以上两方面因素的制约，涡街流量计的下限流速不能太低，这点可以参考表3。一般情况下,测量液体流量时,下限流速为0.3~0.5m/s;测量气体时下限流速为3.0~5.0m/s。不能采用内縮径涡街流量计测量较小流量，否则无法保证流体的稳定状态，毕竟涡街靠的是稳流才能准确测量,内缩径多少会造成压损增加,影响涡街的测量,尤其测到70%以上很难保证精度,特点是精度随流量增大而产生偏差。
正常情况下涡街流量计压损仅比差压流量计小(约为孔板流量计1/4~1/2),但是由于这两股产品的正常压力都在0.5MPa以下，因此测量值达不到精度偏离点就压损太高无法使用了。以液氮产品为例,经过计算,DN15mm的内缩径涡街流量计不适用于此处，流量为全量程50%及以上时,压损上升迅速,如图4所示。但是优点是可以满足较小流量测量的需要,这时几乎没有压损(表4)。.
2结束语
笔者对空分装置的液氧、液氮产品流量测量结合实际使用情况进行了研究与分析,对其测量原理技术难点以及优缺点等进行了全面的统计、综述和评价。当然对于量程比适中、只保证流量上限其中--端即可的液氧、液氮产品流量测量,使用这类低温型分体式涡街流量计还是相当可靠的。
