JB/T9249-2015 氣汽液渦街流量計(jì) 渦街流量傳感器

渦街流量計(jì)基于卡曼渦街測量原理，主要用于測量工業(yè)管道內(nèi)氣體、液體、蒸氣等流體的流量，渦街流量計(jì)的特點(diǎn)是壓力損失小，量程范圍大，無可動機(jī)械零件，因此可靠性高,維護(hù)量小，可以在-20℃～+350℃溫度范圍內(nèi)工作，應(yīng)用廣泛。

工作原理：

在流體中設(shè)置非流線型旋渦發(fā)生體（阻流體），則從旋渦發(fā)生體兩側(cè)交替地產(chǎn)生兩列有規(guī)則的旋渦，這種旋渦稱為卡曼渦街，如圖所示。

旋渦列在旋渦發(fā)生體下游非對稱地排列，設(shè)旋渦的發(fā)生頻率為f，被測介質(zhì)來流的平均速度為V，旋渦發(fā)生體迎流面寬度為d，表體通徑為D，根據(jù)卡曼渦街原理，有如下關(guān)系式:
f=StV/d

式中：

f－發(fā)生體一側(cè)產(chǎn)生的卡門旋渦頻率

St－斯特羅哈爾數(shù)（無量綱數(shù)）

V－流體的平均流速

d－旋渦發(fā)生體的寬度

由此可見，通過測量卡門渦街分離頻率便可算出瞬時(shí)流量。

技術(shù)參數(shù)：

測量范圍：

外形尺寸：

安裝要求：

一、安裝環(huán)境要求：

1．盡可能避開強(qiáng)電設(shè)備、高頻設(shè)備、強(qiáng)開關(guān)電源設(shè)備，儀表的供電電源盡可能與這些設(shè)備分離。

2．避開高溫?zé)嵩春洼椛湓吹闹苯佑绊懀舯仨毎惭b，須有隔熱通風(fēng)措施。

3．避開高濕環(huán)境和強(qiáng)腐蝕氣體環(huán)境，若必須安裝，須有通風(fēng)措施。

4．渦街流量儀表應(yīng)盡量避免安裝在振動較強(qiáng)的管道上，若必須安裝，須在其上下游2D處加設(shè)管道緊固裝置，并加防振墊，加強(qiáng)抗振效果。

5．儀表建議安裝在室內(nèi)，安裝在室外應(yīng)注意防水，特別注意在電氣接口處應(yīng)將電纜線彎成U形，避免水順著電纜線進(jìn)入放大器殼內(nèi)。

6．儀表安裝點(diǎn)周圍應(yīng)該留有較充裕的空間，以便安裝接線和定期維護(hù)。

二、管道安裝要求：

1．渦街流量儀表對安裝點(diǎn)的上下游直管段有一定要求，否則會影響介質(zhì)在管道中的流場，影響儀表的測量精度。

2．上、下游配管內(nèi)徑應(yīng)相同，如有差異，則配管內(nèi)徑Dp與渦街儀表表體內(nèi)徑Db，應(yīng)滿足以下關(guān)系：

0.98Db≤Dp≤1.05Db，上、下游配管應(yīng)與流量儀表表體內(nèi)徑同心，它們之間的不同軸度應(yīng)小于0.05Db

3．儀表與法蘭之間的密封墊，在安裝時(shí)不能凸入管內(nèi)，其內(nèi)徑應(yīng)比表體內(nèi)徑大1-2mm

4．測壓孔和測溫孔的安裝設(shè)計(jì)，被測管道需要安裝溫度和壓力變送器時(shí)，測壓孔應(yīng)設(shè)置在下游3-5D處，測溫孔應(yīng)設(shè)置在下游6-8D處。

煤礦注氮防滅火計(jì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì) :

注氮防滅火是煤礦采空區(qū)及開采煤層防火防氧化自燃的有效手段。制氮機(jī)提純空氣中的N₂氣, 然后通過加壓將N₂氣注入相應(yīng)發(fā)火區(qū)域, 沖淡區(qū)域內(nèi)O₂含量, 達(dá)到滅火防自燃的目的。礦用制氮設(shè)備多采用碳分子篩變壓吸附產(chǎn)氮方式, 裝置出廠時(shí)多已裝了壓力表、流量計(jì)、測氧儀等設(shè)備, 但這些設(shè)備都不具備信號輸出、遠(yuǎn)傳及統(tǒng)計(jì)功能, 對實(shí)現(xiàn)制氮總量的統(tǒng)計(jì)以及遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測制氮設(shè)備運(yùn)行狀況多有不便。另外, 從制氮設(shè)備輸出的N₂氣會被多個(gè)分支管路分別輸送至不同的注氮現(xiàn)場, 對每一個(gè)注氮分支管路進(jìn)行計(jì)量可以實(shí)現(xiàn)注氮量及壓力的準(zhǔn)確把控, 同時(shí)也對輸氣管路漏氣情況進(jìn)行實(shí)時(shí)分析監(jiān)測, 以免N₂氣大量泄漏而發(fā)生安全事故。注氮計(jì)量監(jiān)測系統(tǒng)對防火制注氮系統(tǒng)作用巨大。

1 注氮防滅火系統(tǒng)監(jiān)測需求

對制氮量、輸出壓力、N₂氣濃度進(jìn)行監(jiān)測可以實(shí)現(xiàn)制氮設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)分析。當(dāng)出現(xiàn)波動較大、輸出值達(dá)不到規(guī)定值的情況時(shí), 可能意味著制氮設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)了異常, 應(yīng)立即進(jìn)行停機(jī)檢查, 以免發(fā)生事故。

對制注氮過程進(jìn)行實(shí)時(shí)、有效、可靠計(jì)量監(jiān)測, 是檢驗(yàn)注氮是否達(dá)到現(xiàn)場實(shí)際要求的考評手段。注氮量是注氮滅火過程中*重要的參數(shù), 直接決定著滅火和防自燃效果。注氮量太小, 會因達(dá)不到惰化采空區(qū)氣體的目的而起不到防火的作用;注氮量太大則造成經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)。

對注氮各分支管路進(jìn)行計(jì)量監(jiān)測, 將制氮機(jī)輸出總量與分支管路流量相結(jié)合, 可以起到分析輸氣管道是否發(fā)生大量漏氣, 確保安全生產(chǎn)的目的, 同時(shí)也便于管理及統(tǒng)配調(diào)度。

對制氮機(jī)周圍以及注氮口周圍環(huán)境O₂氣濃度進(jìn)行監(jiān)測, 可以防止裝置及接口泄露N₂造成氧含量下降, 威脅人身安全。

2 系統(tǒng)組成及功能設(shè)計(jì)

注氮計(jì)量監(jiān)測系統(tǒng)可切實(shí)保障制注氮系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行, 提升注氮滅火工作的效率以安全性。系統(tǒng)組成應(yīng)包含以下部分:在線式管道氣體流量檢測設(shè)備、在線式管道氣體壓力檢測設(shè)備、在線式管道氣體溫度檢測設(shè)備、環(huán)境O₂氣濃度檢測設(shè)備、信號采集傳輸設(shè)備、上位機(jī)軟件等。系統(tǒng)組成架構(gòu)如圖1所示。

圖1 注氮計(jì)量系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

在線式管道氣體流量檢測設(shè)備主要用于對制氮設(shè)備制氮量以及注氮量, 進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測計(jì)量;在線式管道氣體壓力檢測設(shè)備主要用于對制氮設(shè)備N₂氣出口壓力以及注氮口壓力, 進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測;在線式管道氣體溫度檢測設(shè)備主要用于對制氮設(shè)備輸出氣體的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測;在線式管道濃度檢測設(shè)備主要用于對制氮設(shè)備輸出N₂氣的濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測;環(huán)境O₂傳感器主要用于監(jiān)視制氮機(jī)周圍, 以及注氮口周圍環(huán)境O₂氣體濃度, 以防N₂氣泄露造成O₂氣含量下降, 威脅人身安全。備、在線式管道N₂氣濃度檢測設(shè)

注氮計(jì)量監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能:

1) 在線監(jiān)測制氮機(jī)總輸出流量、N₂濃度以及制氮出口壓力;

2) 在線監(jiān)測每一條注氮管路的N₂輸出量、N₂濃度以及注氮壓力;

3) 在線監(jiān)測制氮機(jī)周圍及注氮口周圍O₂濃度;

4) 能夠?qū)崟r(shí)上傳監(jiān)測到的流量瞬時(shí)流量、N₂濃度、O₂濃度, 在上位機(jī)監(jiān)控軟件上顯示并上傳至集團(tuán)公司;

5) 具有數(shù)據(jù)分析功能, 可分析輸送管路泄露與否并發(fā)出報(bào)警的功能;

6) 上位機(jī)監(jiān)控軟件具有注入N₂日累計(jì)、月累積及年累積功能并具有打印報(bào)表的功能。

3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)測量與采集設(shè)計(jì)

3.1 氮?dú)饬髁康臏y量設(shè)計(jì)

從制氮機(jī)出來的氣體是較為潔凈的氣體介質(zhì), N₂氣產(chǎn)量約為 (標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下) 300～1500 m³/h, 出口N₂壓力范圍為0～1.0 MPa, 故對于該氣體流量的測量設(shè)備只要在流量測量精度以及防爆性能上滿足要求, 則均可應(yīng)用。當(dāng)前煤礦注氮計(jì)量裝置常用流量計(jì)有孔板流量計(jì)、金屬管浮子流量計(jì)。

孔板流量計(jì)起源早, 歷史悠久, 國際通用, 機(jī)構(gòu)簡單, 成本低且無可轉(zhuǎn)動部件, 也是現(xiàn)用流量計(jì)應(yīng)用范圍*廣泛的流量計(jì), 屬于差壓式流量計(jì)中的一種。其安裝與在制氮機(jī)出口, 通過差壓變送器測量孔板兩側(cè)的壓差并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的工況流量顯示出來, 以便工作人員了解輸出的流量大小。

但是, 它存在如下問題: (1) 孔板的節(jié)流特性會給N₂輸出帶來較大的阻力, 產(chǎn)生大的壓力損失, 影響氣量及輸出壓力, 這會給用戶帶來很大的能源浪費(fèi); (2) 孔板邊緣易磨損, 隨著使用時(shí)間的增長, 磨損越發(fā)嚴(yán)重, 孔板流出系數(shù)發(fā)生變化, 測量誤差增大; (3) 一般不具有信號輸出和遠(yuǎn)傳功能, 不能夠?qū)崿F(xiàn)流量的在線監(jiān)測。

金屬管浮子流量計(jì)是一種變面積流量測量儀表, 浮子在測量管中, 隨著流量的變化, 將浮子向上移動, 在某一位置浮子所受的浮力與浮子重力達(dá)到平衡。此時(shí), 浮子與孔板 (或錐管) 間的流通環(huán)隙面積保持一定, 環(huán)隙面積與浮子的上升高度成正比, 即浮子在測量管中上升的位置代表流量的大小, 變化浮子的位置由內(nèi)部磁鐵傳輸?shù)酵獠康闹甘酒? 使指示器正確地指示此時(shí)的流量值。

該流量計(jì)具有體積小, 檢測范圍大, 使用方便, 沒有直管段要求等特點(diǎn), 但只能用于自下向流動且必須保持垂直的管道安裝。這就使得制氮機(jī)在現(xiàn)場安裝時(shí)一定要保證流量計(jì)的安裝角度, 當(dāng)達(dá)不到其安裝要求時(shí), 其測量準(zhǔn)確性也將無法保證。另外, 當(dāng)前在制氮上使用的浮子流量計(jì)也只具有本地顯示功能, 不具備信號輸出和遠(yuǎn)傳功能, 不能夠?qū)崿F(xiàn)流量的在線監(jiān)測。

為了達(dá)到監(jiān)測數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳的目的, 上述2種流量計(jì)均不適合應(yīng)用到注氮計(jì)量監(jiān)測系統(tǒng)中。另外, 由于礦用制氮系統(tǒng)多為移動式, 考慮到后期的拆卸及運(yùn)輸方便性, 對于注氮計(jì)量用的流量計(jì)建議選用測量準(zhǔn)確、拆卸方便的插入式流量計(jì)———威力巴流量計(jì)。

威力巴流量計(jì)基于皮托管原型而設(shè)計(jì)開發(fā)的一種實(shí)時(shí)在線插入式流量測量裝置, 為管道截面線式流量測量 (非點(diǎn)式測量) 裝置。通過同時(shí)檢測管道截面線上的多個(gè)特征點(diǎn)平均動壓而*終換算出管道的平均流速, 進(jìn)而測量出管道實(shí)際流量, 測量準(zhǔn)確性高且方便后期的拆卸與維護(hù), 同時(shí)也可避免長久性壓損影響注氮機(jī)輸氣量問題。此外, 該流量計(jì)具有測量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能, 同時(shí)還集成了溫度壓力測量功能, 可將工況流量計(jì)轉(zhuǎn)換為標(biāo)況流量, 方便計(jì)量統(tǒng)計(jì), 同時(shí)還可用于管道內(nèi)N₂壓力和溫度的測量, 這樣無需再單獨(dú)安裝管道壓力傳感器和溫度傳感器, 簡化了系統(tǒng)架構(gòu)。該威力巴流量計(jì)的測量量程比≮10∶1, *低測量流速可達(dá)1 m/s, 測量精度≯1.5%;壓力測量范圍為0～2 MPa;溫度測量范圍為-10～50℃。

3.2 氣體濃度的測量設(shè)計(jì)

在制注氮系統(tǒng)中需要測量管道內(nèi)的N₂濃度和相應(yīng)區(qū)域環(huán)境的O₂濃度。制氮機(jī)輸出的N₂是由空氣提純而來, 主要組分為O₂和N₂, 其中N₂體積分?jǐn)?shù)φ (N₂) 應(yīng)大于97%。為了確保制氮機(jī)輸出的N₂濃度達(dá)標(biāo), 則實(shí)時(shí)監(jiān)測輸出N₂的濃度是非常有必要的。

3.3 數(shù)據(jù)采集與處理

流量、濃度等測量設(shè)備傳出的數(shù)據(jù)就近接入具有從通訊口 (或相應(yīng)信號類型的采集端口) 的監(jiān)控分站。所有監(jiān)測數(shù)據(jù)接入礦井本部監(jiān)控系統(tǒng), 并在站軟件上通過定義或邏輯定義方式將所監(jiān)測的數(shù)據(jù)顯示出來, 并同時(shí)上傳至集團(tuán)公司或上層管理部門。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與處理應(yīng)達(dá)到以下功能: (1) 自動監(jiān)測N₂輸送管道總管、分支管的O₂濃度、管道壓力、管道溫度、管道工況及標(biāo)況混合流量等管道參數(shù); (2) 自動統(tǒng)計(jì)管道N₂標(biāo)況混合流量的年、月、日累計(jì)量; (3) O₂濃度可以在站軟件上進(jìn)行報(bào)警點(diǎn)等參數(shù)設(shè)置; (4) 各監(jiān)測參數(shù)和累計(jì)量等在接入的監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)上可實(shí)時(shí)顯示并生產(chǎn)、打印報(bào)表。

4 現(xiàn)場安裝工藝設(shè)計(jì)

現(xiàn)場安裝工藝的好壞直接決定了計(jì)量設(shè)備測量性能表現(xiàn)及后期運(yùn)行維護(hù)質(zhì)量。故要求設(shè)備現(xiàn)場安裝工藝至少應(yīng)考慮:直管段長度預(yù)留充足;流量濃度整體安裝;設(shè)備拆卸方便;預(yù)裝人工校驗(yàn)設(shè)備或措施;等方面。

濃度傳感器安裝于來氣方向*前端, 采用旁側(cè)式取氣安裝方式, 一端取氣, 另一端對外排空, 具體的安裝工藝及工作流程如圖2所示。將減壓閥安裝在管道上, 用于將引出的高壓管道氣減壓, 減壓閥出氣口連接軟膠管至玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)氣口上, 調(diào)整減壓閥壓力及輸出流量至濃度傳感器需要的流量 (如300～500 mL/min) , O₂濃度傳感器的氣室進(jìn)氣口通過軟膠管接至玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)的出氣口;微量的氣體進(jìn)入濃度傳感器測量氣室, *后排入大氣。這種安裝工藝也方便了后期設(shè)備的維護(hù)與更換。傳感器進(jìn)氣要求:氣體溫度0～40℃, 流速300～500 mL/min, 無明水。

圖2 濃度測量工藝示意圖

流量計(jì)量設(shè)備緊隨濃度傳感器安裝, 流量計(jì)采用插入式安裝方式, 方便后期設(shè)備的維護(hù)與更換, 同時(shí)應(yīng)注意在該流量計(jì)前后留出足夠長的直管段 (具體參考相應(yīng)的流量計(jì)說明書) 。

*后安裝用于人工后期的流量比對測量的設(shè)備及措施。由于注氮體屬于高壓氣體, 考慮到后期校驗(yàn)的安全性, 建議比對流量計(jì)采用孔板流量計(jì), 同時(shí)考慮到孔板流量計(jì)壓損較大的問題, 在安裝孔板流量計(jì)時(shí)建議將孔板流量計(jì)安裝于旁側(cè)管, 旁側(cè)管長度應(yīng)不小于20D。同時(shí), 還需要在孔板流量計(jì)的前后安裝1個(gè)手動閥門, 用于后期孔板的維護(hù)拆卸, 在旁側(cè)管對應(yīng)主管道的中間安裝手動閥門1個(gè), 用于流量比對校驗(yàn)時(shí)的流體控制, 具體如圖3所示。流量校準(zhǔn)過程如下:

關(guān)閉手動球閥2和手動球閥3, 手動球閥1保持打開, 將校準(zhǔn)旁路管泄壓, 將U形管連接到校準(zhǔn)裝置上, 并確保牢固;打開手動球閥2和手動球閥3, 關(guān)閉手動球閥1;待流量穩(wěn)定后, 記錄校準(zhǔn)裝置的數(shù)據(jù)和在線式計(jì)量裝置的數(shù)據(jù), 進(jìn)行比對調(diào)校;關(guān)閉手動球閥2和手動球閥3, 打開手動球閥1;校準(zhǔn)結(jié)束。

圖3 現(xiàn)場安裝工藝示意圖

5 結(jié)語

設(shè)計(jì)的注氮計(jì)量監(jiān)測系統(tǒng), 目前已經(jīng)在安徽淮北礦業(yè)集團(tuán)下屬煤礦進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用, 實(shí)現(xiàn)了煤礦制注氮系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制, 提高了注氮工作效率, 確保了注氮人員的工作環(huán)境安全, 保障了煤礦的安全生產(chǎn)。