浅谈涡街流量计在化工现场的应用与故障分析

浅谈涡街流量计在化工现场的应用与故障分析

武伟

（中国石化集团齐鲁分公司运行维护中心，山东淄博 255438）

摘要：简述涡街流量计的工作原理、构造及特点，并以两线制电流输出涡街流量计为例，介绍该流量计在化工现场的安装、使用、维护方面出现的问题及解决方案。

关键词：涡街流量计；原理；应用；故障处理

1 涡街流量计的原理及其构造、特点

1.1 工作原理

在流体中设置旋涡发生体，流体流经发生体时，发生体两侧交替地产生有规则的旋涡——卡门旋涡（见图1），旋涡在发生体下游非对称地排列，其产生频率f与流体流速V₁成正比，与旋涡发生体迎流面宽度d成反比，公式如下^[1]：f=S_tV₁/d(f为旋涡分离频率，Hz；S_t为斯特劳哈尔数，R_e=2.5×10³～10⁵时S_t=0.16；V₁为发生体侧的流速，m/s；d为发生体迎面宽度，m)。

1.2 构造、特点

涡街流量计主要由传感器和转换器组成：传感器包括集成于表体的旋涡发生体、检测元件等；转换器包括前置放大器、微处理器等附件。流量计转换器把传感器检测到的旋涡信号进行放大、滤波、整形等处理，输出与流量成比例的脉冲或模拟信号。

涡街流量计相比较于孔板流量计等其他形式的流量测量仪表，具有精度高、压损小、易于拆卸清理、维修、检定等优点，采用法兰安装或夹装，易于拆卸清理、维修、检定，转换器组件采用模块式安装，便于故障时的维修、更换。 但是，在选型、安装不合理以及复杂工况的影响下，其精度和可靠性会受到影响。

2 涡街流量计在化工现场的选型、安装及应用

2.1 设计选型与安装

基于涡街流量计的原理，为保证其在化工现场的测量精度和可靠性，选用时，以下条件需要满足：为保证流体正常产生旋涡，介质雷诺数R_e应不小于2×10⁴，气体介质的流速介于4～60m/s、液体介质流速介于0.38～7m/s ^[2]；流量值应在流量计量程的1/2至～2/3处^[1]；涡街流量计信号分辨率随着仪表口径增大而降低，一般应用于DN15mm～DN300mm的管道；测量气体标况体积流量时，需要在二次表设置温度和压力补偿或者选用具备温压补偿功能的智能涡街流量计。

涡街流量计的传感器在管道上可以水平、垂直或倾斜安装，但要避免气泡或者液滴的干扰；应尽量避开有横向振动、电磁干扰的场所；流量计上游需留有5D～20D的直管段^[1]；电气安装应注意传感器与转换器之间采用屏蔽电缆连接，其间隔应符合厂家规定，且布线时应远离强功率电源线，使用单独金属套管保护；遵循“一点接地”原则，一体型和分离型流量计都应在传感器侧接地，转换器外壳接地点应与传感器“同地”，接地电阻应小于10Ω^[2]。

2.2 现场应用

涡街流量计的现场应用应从其工作原理、保证工况和介质特性满足仪表正常工作条件等要求出发，只有针对实际工况合理选型、安装投用，才能确保测量误差符合仪表本身精确度，并延长仪表使用周期。

近年来，被广泛选用的是输出电流信号且支持HART或者BRAIN通讯协议的智能涡街流量计，它既可通过AI卡与DCS通讯，进行流量测量显示和累计，又可以方便的组态流量计内部各项参数。有的涡街流量计已具备一体化温压补偿功能，即使在压力和温度波动的工况条件下，仍可以实现工艺过程控制或能量供应的理想测量。

3 常见故障分析处理

结合涡街流量计的原理实际应用暴露出的问题，总结了涡街流量计的常见故障及解决方案（故障分析均以两线制电流输出涡街流量计为例）。

3.1 无流量有信号

(1)振动会对旋涡的形成产生较大影响，导致仪表灵敏度降低，甚至无法正常工作。对于管道振动的情况，应及时采取措施消除，如用抗震缓冲材料垫起管道或者仪表；但有的仪表支撑固定后，仍无法彻底消除振动，这时最好更换安装位置或者选用其他类型仪表。所以，仪表选型、安装时要注意规避影响仪表工作的不利因素。

(2)大功率机电设备工作时产生的谐波对涡街流量计f的测量造成较大干扰，对此类干扰可以通过组态仪表噪声平衡数值、触发电平等参数减小其影响。

(3)流量计的放大器若存在故障，也会输出大于4mA DC的误导电流。将流量计拆下，通电源串入电流表检查，若输出电流大于4mA DC，可更换放大器，查看故障是否消除。

3.2 有流量无信号

(1)首先查看供电电源电压是否满足要求，电源、信号接线是否正确、完好。

(2)放大器和旋涡发生体的损坏也会造成有流量无信号现象产生。可通过串入电流表通电检查转换放大器是否正常；旋涡发生体可通过检测电容值，对照常温下电容参考值检查，如果在线为高温状态，测量值可能偏大，但不应超过常温下电容值的3倍。

(3)实际流量太小会导致流量计无法准确测量。此时，应与工艺核实实际流量，并尝试在靠近流量计的管道旁轻轻有规律的连续敲击，看是否有流量显示。如果流量太小可更换小口径流量计或者增加流量来解决。

(4)流量计变送器内硬件连接不牢也会导致仪表无法正常工作。流量计运输、安装过程中的振动等因素可能导致变送器模块之间的插针松动，造成仪表无信号输出，或信号时有时无，可以对松动模块进行紧固。

(5)流量计接线盒进水，形成旁路电流也会影响流量计电流输出。流量计的接线盒或电气接口密封不严、流量计内外温差大可能导致流量计内部产生水雾，无法输出正确的电流信号。应清理流量计内水汽，对流量计各密封部位进行检查，确保电气接口与接线管件的螺纹标准一致并紧固到位。

3.3 流量信号不稳定

(1)现场观察安装的密封垫片与仪表是否同心，不同心的进行重新安装。

(2)查看工艺管道是否符合要求。涡街流量计是一种典型的流体振荡式流量计，前后直管段必须达到要求，特别是在测量气体时，更要严格要求。一般来讲，直管段长度要求如下：介质为气体时，上游20D、下游10D；介质为液体时，上游10D、下游5D ^[1]。

(3)如果仪表选型不合理，则会导致通过流量计的流量在非线性区，甚至在临界死区附近，也有可能出现流量波动。措施：工艺条件允许的话可加大流量或更换小一口径的流量计。

(4)涡街流量计原理决定它只能测量单相流而无法测量两相流。因此，如果管道介质出现两相共存现象，对于液体，如果是液、固两相流，可在流量计的上游端加装过滤器；如果是液、气两相流，可在流量计的上游端加装消气器。

(5)查看DCS系统内该流量控制回路PID参数设定是否合适。将控制回路切换至手动状态，在调节阀的某几个阀位进行测试，如果流量均稳定，则排除仪表故障，需要重新设定PID参数。

4 结语

由涡街流量计的应用实践证明，其具有精度高、安装、维护方便等优势，但在抗震性能、对脏污介质适应性等方面也存在局限性。因此，需要分析其发生的故障情况，采取相应的解决办法，以便及时解决问题；同时，通过对其性能、特点的深入了解，以便在设计、选型、安装和维护等方面规避不利影响因素，从而实现其测量的准确、可靠，并在化工现场中发挥更大的作用。

参考文献

[1] 仪表工试题集现场仪表分册[M].朱炳兴，王森，主编.北京：化学工业出版，2002：73-78.

[2] 《石油化工仪表自动化培训教材》编写组.测量仪表[M].北京：中国石化出版，2009：83-89.