1 概述

    渦街流量計(jì)在蒸汽流量測(cè)量中扮演著重要角色，尤其是在管徑不是特別大，溫度不是特別高的中低壓蒸汽的流量測(cè)量中，更是有“半壁江山”之譽(yù)。

    干蒸汽在長(zhǎng)距離輸送過程中，會(huì)因熱量損失而出現(xiàn)部分凝結(jié)，導(dǎo)致蒸汽干度降低，變成濕蒸汽。

    目前使用的流量計(jì)都是在單相流動(dòng)狀態(tài)下評(píng)定其測(cè)量性能，現(xiàn)在還沒有以單相流標(biāo)定的流量計(jì)用來測(cè)量?jī)上嗔鲿r(shí)系統(tǒng)變化的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。但是，兩相流是客觀存在的，它對(duì)流量測(cè)量的影響也是無法避免的，盡管困難較多，人們還是在想方設(shè)法研究其對(duì)流量測(cè)量影響的機(jī)理，并采取相應(yīng)的對(duì)策，提高流量測(cè)量精度。

    2 蒸汽嚴(yán)重帶水對(duì)渦街流量計(jì)測(cè)量結(jié)果的影響

    人們用干度X來描述濕蒸汽中氣相與濕蒸汽總量的質(zhì)量比，也用濕度Y來定義濕蒸汽中水滴與濕蒸汽總量的質(zhì)量比。

    當(dāng)x=100%時(shí)，y=0，這時(shí)的蒸汽為干蒸汽。當(dāng)x<100%時(shí)，y>0，這時(shí)的蒸汽為濕蒸汽。濕蒸汽中的水滴是液相，而濕蒸汽的干部分是氣相，顯然，濕蒸汽屬兩相流體。

    2.1 X≥95%時(shí)的情況研究人員的研究結(jié)果認(rèn)為，蒸汽干度較高（X≥95%）時(shí)，流體表現(xiàn)為均相流動(dòng)，蒸汽中的小水滴懸浮在氣相中，這時(shí)，渦街流量計(jì)能正常工作。

    2.2 X<95%時(shí)蒸汽的干度在小于95%后若進(jìn)一步降低，除了懸浮在氣相中的約5%（質(zhì)量比）的水滴外，過量的水滴，在蒸汽中的分布將失去均勻性，它們?cè)趫A形截面管道中的流動(dòng)狀況更加復(fù)雜。

    2.1.1 在水平管道中的流動(dòng)：水平管中氣液兩相流動(dòng)結(jié)構(gòu)同氣液兩相體積比及流動(dòng)速度有關(guān)，在蒸汽管道中，由于凝結(jié)水在濕蒸汽中的體積比畢竟很小，所以常表現(xiàn)為分層流動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，這使得從水平管道底部引出的疏水管，能收到很好的疏水效果。

    當(dāng)流速特別高的時(shí)候，也會(huì)表現(xiàn)為環(huán)狀流動(dòng)，即管壁上有液膜，管道中心部分為帶液滴的氣核，由于水平流動(dòng)時(shí)重力的影響作用，下部液膜要比上部管壁的厚，如圖1（b）所示。

    2.2.2 在垂直上升管道中的流動(dòng)：實(shí)驗(yàn)研究證明（2），在垂直上升管道中，氣液兩相流動(dòng)的基本結(jié)構(gòu)有細(xì)泡狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)、彈狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)、塊狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)、帶纖維的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)和環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。但是由于凝結(jié)水在濕蒸汽中的體積比較小，所以過量的水在上升管道中的流動(dòng)常表現(xiàn)為環(huán)狀流結(jié)構(gòu)，如圖2（b）所示，但當(dāng)帶水量特別大的情況下，也會(huì)表現(xiàn)為帶纖維的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)，如圖2（a）所示。其中，纖維狀流體其實(shí)是連成條的凝結(jié)水。

    （a）帶纖維的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)（b）環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)

    2.2.3 在垂直下降管道中的流動(dòng)：在垂直下降管道中，氣液兩相流動(dòng)的結(jié)構(gòu)與作垂直上升流動(dòng)時(shí)的結(jié)構(gòu)很相似，但有不同，不僅流動(dòng)方向相反，而且在平均流速相同的情況下，垂直下降管道中液體的流速比垂直上升管道中液體的流速快得多。

    這種環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)，人們?cè)谀Y(jié)水疏水現(xiàn)場(chǎng)很容易得到證實(shí)。

    凝結(jié)水疏水器一般均并聯(lián)安裝一只旁通閥，疏水器的出口往往配有一段垂直向下的短管，如果將疏水器關(guān)閉，改用走旁通疏水，則會(huì)觀察到氣液混合物從垂直管道口中流出的表現(xiàn)，液體有明顯的附壁現(xiàn)象，但同時(shí)，氣體從管中央噴出時(shí)，也夾帶有一些液滴。

    2.2.4 流動(dòng)結(jié)構(gòu)分析的復(fù)雜性：上面只是粗略地分析帶水的蒸汽在管道中流動(dòng)時(shí)的表象，而且知道不同的流動(dòng)結(jié)構(gòu)同流體的流速和帶水量有關(guān)。而要進(jìn)一步弄清楚這方面的數(shù)量關(guān)系卻是困難的。因?yàn)榈侥壳盀橹梗藗冊(cè)谶@方面做的實(shí)驗(yàn)研究還很少，而它們之間的關(guān)系又是極其復(fù)雜。

    但是，這些粗略的分析對(duì)渦街流量計(jì)的一個(gè)特有的現(xiàn)象――漏脈沖，能提供一定的幫助。

    （a）帶纖維的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)（b）環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)

    3 渦街流量計(jì)的“漏脈沖”現(xiàn)象

    人們很早就發(fā)現(xiàn)蒸汽帶水較多時(shí)，渦街流量計(jì)會(huì)出現(xiàn)“漏脈沖”現(xiàn)象，即在蒸汽流速平穩(wěn)的情況下，渦街流量計(jì)應(yīng)有與流速成正比的穩(wěn)定的脈沖輸出。但是有時(shí)卻發(fā)現(xiàn)儀表的輸出脈沖卻莫明其妙地少了，從記錄到的輸出脈沖在二維坐標(biāo)上的分布情況也能清楚看出，應(yīng)當(dāng)近似均勻分布的脈沖卻在某一處少一個(gè)脈沖，嚴(yán)重的時(shí)候，是少了很多脈沖，最嚴(yán)重的時(shí)候是完全沒有脈沖。這可能同分布不均勻的體積較大的液滴撞擊在旋渦發(fā)生體上，抑制了渦列的形成有關(guān)。

    有關(guān)這方面的實(shí)驗(yàn)研究，尚未見到文獻(xiàn)報(bào)道，但是人們?cè)谑褂矛F(xiàn)場(chǎng)已碰到不少，而且，處理這一問題的方法，人們也早已在應(yīng)用。

    3.1 關(guān)于“漏脈沖”現(xiàn)象的實(shí)例之一

    上海的一家藥業(yè)公司組建全廠蒸汽計(jì)量網(wǎng)的項(xiàng)目中，碰到了一個(gè)令人費(fèi)解的故障，這個(gè)故障發(fā)生在一個(gè)測(cè)量過熱蒸汽流量的系統(tǒng)中，這個(gè)系統(tǒng)的管道連接如圖4所示。

    該工廠的鍋爐房除了向全廠供應(yīng)中壓過熱蒸汽外，還經(jīng)減溫減壓系統(tǒng)向全廠供應(yīng)0.4MPa（g）、160℃低壓過熱蒸汽。FIQ303就是對(duì)這路蒸汽進(jìn)行計(jì)量的儀表。

    該套儀表與其他多臺(tái)分表組成的低壓蒸汽計(jì)量網(wǎng)，在投運(yùn)后的半年內(nèi)，一直運(yùn)行正常，總表示值與各分表之和也基本相符。這一情況在年度停車大檢修之后發(fā)生了變化，原來進(jìn)出平衡的計(jì)量數(shù)據(jù)出現(xiàn)了負(fù)的管損，該廠能源科根據(jù)低壓蒸汽網(wǎng)的數(shù)據(jù)平衡關(guān)系和鍋爐的能量平衡關(guān)系作出了FIQ303指示偏低的判斷。

    在檢查了各臺(tái)儀表之后，發(fā)現(xiàn)各臺(tái)儀表均正常。于是請(qǐng)渦街流量計(jì)制造廠上門服務(wù)，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)這臺(tái)DN350的渦街流量計(jì)有“漏脈沖”現(xiàn)象存在，在正常的流量范圍內(nèi)，記錄到數(shù)次如圖5所示的輸出波形。

    根據(jù)制造廠的經(jīng)驗(yàn)，這種情況的存在可能是蒸汽帶水引起。

    能源科工程師否定渦街流量計(jì)安裝處蒸汽帶水的可能性，理由是減溫減壓系統(tǒng)都有自動(dòng)調(diào)節(jié)來保證其運(yùn)行參數(shù)，于是一時(shí)沒有結(jié)論。又過一個(gè)星期，事態(tài)有了進(jìn)一步的發(fā)展。從FC6000型流量演算器中的海量存儲(chǔ)器查閱到的歷史數(shù)據(jù)表明，該路流量示值逐漸減小，甚至有時(shí)減小到零，而這時(shí)，全廠生產(chǎn)照常進(jìn)行，蒸汽一點(diǎn)不少用。

    進(jìn)一步的檢查焦點(diǎn)主要集中在蒸汽是否帶水方面。能源科主要強(qiáng)調(diào)減溫減壓系統(tǒng)出口處的溫度壓力參數(shù)。經(jīng)查，減溫器出口溫度壓力顯示正確。但是根據(jù)FC6000型儀表顯示的溫度壓力數(shù)據(jù)分析，渦街流量計(jì)安裝處的蒸汽的確已進(jìn)入飽和狀態(tài)，于是要求打開疏水器驗(yàn)證。能源科人員堅(jiān)持認(rèn)為疏水器不可能排出水，但為了說服儀表人員，還是同意打開疏水器的切斷閥（圖4中的V₂）試一試。

    疏水閥打開后，大量凝結(jié)水噴出，二十分鐘也未排光，于是真相大白。

    至于大量凝結(jié)水是從哪里來的，我們隨即進(jìn)行了調(diào)查。經(jīng)查在減溫器出口到流量計(jì)之間只有一根裝有閥V₁的管道與外界相通，能源科人員解釋，這根管道里有水，大檢修之后，V₁閥可能有泄漏，導(dǎo)致冷水入侵。

    這一事情的最后處理方法是在穿越馬路前的管道最低處，增設(shè)一個(gè)疏水器，從而使流量計(jì)恢復(fù)正常測(cè)量。

    3.2 關(guān)于“漏脈沖”現(xiàn)象的實(shí)例之二

    上海某熱力公司新增一個(gè)熱源廠，該廠生產(chǎn)的是飽和蒸汽，鍋爐投運(yùn)后對(duì)一個(gè)遠(yuǎn)在2公里處的用戶供汽。其管網(wǎng)如圖6所示。

    熱力公司懷疑流量計(jì)不準(zhǔn)，因?yàn)殄仩t房出口的流量計(jì)FIQ01穩(wěn)定顯示2.5t/h左右的流量，而用戶端流量計(jì)FIQ02顯示時(shí)有時(shí)無，流量最大時(shí)也只有0.75t/h。

    據(jù)了解，熱力公司為了減少熱量損失，將沿途的31只疏水器全部關(guān)掉，顯然流經(jīng)FIQ02儀表處的蒸汽中含有大量凝結(jié)水。后將靠近用戶表計(jì)處的幾只疏水器打開，排掉管道中的凝結(jié)水，這樣做了之后，流量計(jì)1t/h，至于該示值同F(xiàn)IQ01顯示的2。5t/h之間的差值，應(yīng)該是2公里長(zhǎng)的管道熱損耗引起的，熱力公司接受了這一結(jié)論。

    4 對(duì)策

    4.1 X≤95%情況下的對(duì)策

    上面所述X>95%情況下的補(bǔ)償，如果不做，僅僅是懸浮在蒸汽中的均勻分布的小水滴計(jì)不出，但是，在X<95%的情況下，如果不采取任何措施，測(cè)量結(jié)果就有可能大幅度偏低，甚至沒有輸出。

    在X<95%的情況下，采取措施的目的是使流量計(jì)實(shí)現(xiàn)正常測(cè)量。采取的措施是在流量計(jì)前充分疏水。

    疏水是否充分的標(biāo)志是蒸汽管中是否排得出凝結(jié)水。如圖7所示的配置中，疏水器如果只有極少有水排出，則表明流經(jīng)渦街流量計(jì)的蒸汽中已經(jīng)不存在或基本不存在分層流動(dòng)的水。

    4.2 疏水點(diǎn)的合理布置

    疏水點(diǎn)的合理布置對(duì)充分疏水有關(guān)鍵性的作用。在圖8（a）所示的實(shí)例中，凝結(jié)水的捕捉口太細(xì)，與蒸汽一起高速流動(dòng)的凝結(jié)水，可能會(huì)有一部分不被捕捉口所收集，而流到下游。

    5 結(jié)束語

    （1）濕蒸汽就屬性而言是兩相流體，但在濕度不高的情況下，可將其當(dāng)作單相流體并用一般的流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量。

    （2）蒸汽嚴(yán)重帶水，將使渦街流量計(jì)出現(xiàn)“漏脈沖”現(xiàn)象，更嚴(yán)重時(shí)，渦街流量計(jì)會(huì)完全沒有脈沖輸出。

    （3）對(duì)于蒸汽嚴(yán)重帶水影響渦街流量計(jì)正常測(cè)量的情況，常用的處理方法是在渦街流量計(jì)上游的適當(dāng)位置充分疏水。

    合理布置疏水器，使?jié)裾羝母啥缺M量提高，能保證渦街流量計(jì)正常測(cè)量。

    參考文獻(xiàn)：

    （1）紀(jì)綱。流量測(cè)量?jī)x表應(yīng)用技巧（M）。北京：化學(xué)工業(yè)出版社。2003。
    （2）林宗虎編著。氣液固多相流測(cè)量（M）。北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1988。
    （3）上海同欣自動(dòng)化儀表有限公司。FC6000型通用流量演算器使用說明書。