蒸汽嚴重帶水對HKGB渦街流量計的影響
摘 要：蒸汽經過長距離輸送后往往因為損失熱量而出現部分蒸汽凝結成水滴，產生兩相流的問題。蒸汽嚴重帶水會使HKGB渦街流量計出現“漏脈沖”現象，嚴重時甚至全無輸出脈沖。在HKGB渦街流量計的上游進行充分疏水，能使這一問題得到解決。
關鍵字：濕蒸汽 HKGB渦街流量計 漏脈沖 濕度補償 疏水
1 概述
HKGB渦街流量計在蒸汽流量測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量中，更是有“半壁江山”之譽。
干蒸汽在長距離輸送過程中，會因熱量損失而出現部分凝結，導致蒸汽干度降低，變成濕蒸汽。
目前使用的流量計都是在單相流動狀態下評定其測量性能，現在還沒有以單相流標定的流量計用來測量兩相流時系統變化的評定標準。但是，兩相流是客觀存在的，它對流量測量的影響也是無法避免的，盡管困難較多，人們還是在想方設法研究其對流量測量影響的機理，并采取相應的對策，提高流量測量精度。
2 蒸汽渦街流量計嚴重帶水對HKGB渦街流量計測量結果的影響
人們用干度X來描述濕蒸汽中氣相與濕蒸汽總量的質量比，也用濕度Y來定義濕蒸汽中水滴與濕蒸汽總量的質量比。
當x=100%時，y=0，這時的蒸汽為干蒸汽。當x<100%時，y>0，這時的蒸汽為濕蒸汽。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%時的情況研究人員的研究結果認為，蒸汽干度較高（X≥95%）時，流體表現為均相流動，蒸汽中的小水滴懸浮在氣相中，這時，HKGB渦街流量計能正常工作。
2.2 X<95%時蒸汽的干度在小于95%后若進一步降低，除了懸浮在氣相中的約5%（質量比）的水滴外，過量的水滴，在蒸汽中的分布將失去均勻性，它們在圓形截面管道中的流動狀況更加復雜。
2.1.1 在水平管道中的流動：水平管中氣液兩相流動結構同氣液兩相體積比及流動速度有關，在蒸汽管道中，由于凝結水在濕蒸汽中的體積比畢竟很小，所以常表現為分層流動結構如圖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。
當流速特別高的時候，也會表現為環狀流動，即管壁上有液膜，管道中心部分為帶液滴的氣核，由于水平流動時重力的影響作用，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：實驗研究證明（2），在垂直上升管道中，氣液兩相流動的基本結構有細泡狀流動結構、彈狀流動結構、塊狀流動結構、帶纖維的環狀流動結構和環狀流動結構。但是由于凝結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常表現為環狀流結構，如圖2（b）所示，但當帶水量特別大的情況下，也會表現為帶纖維的環狀流動結構，如圖2（a）所示。其中，纖維狀流體其實是連成條的凝結水。
（a）帶纖維的環狀流動結構（b）環狀流動結構
2.2.3 渦街流量計在垂直下降管道中的流動：在垂直下降管道中，氣液兩相流動的結構與作垂直上升流動時的結構很相似，但有不同，不僅流動方向相反，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。
這種環狀流動結構，人們在凝結水疏水現場很容易得到證實。
凝結水疏水器一般均并聯安裝一只旁通閥，疏水器的出口往往配有一段垂直向下的短管，如果將疏水器關閉，改用走旁通疏水，則會觀察到氣液混合物從垂直管道口中流出的表現，液體有明顯的附壁現象，但同時，氣體從管中央噴出時，也夾帶有一些液滴。
2.2.4 流動結構分析的復雜性：上面只是粗略地分析帶水的蒸汽在管道中流動時的表象，而且知道不同的流動結構同流體的流速和帶水量有關。而要進一步弄清楚這方面的數量關系卻是困難的。因為到目前為止，人們在這方面做的實驗研究還很少，而它們之間的關系又是極其復雜。
但是，這些粗略的分析對HKGB渦街流量計的一個特有的現象——漏脈沖，能提供一定的幫助。
（a）帶纖維的環狀流動結構（b）環狀流動結構
3 HKGB渦街流量計的“漏脈沖”現象
人們很早就發現蒸汽帶水較多時，HKGB渦街流量計會出現“漏脈沖”現象，即在蒸汽流速平穩的情況下，HKGB渦街流量計應有與流速成正比的穩定的脈沖輸出。但是有時卻發現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上的分布情況也能清楚看出，應當近似均勻分布的脈沖卻在某一處少一個脈沖，嚴重的時候，是少了很多脈沖，最嚴重的時候是完全沒有脈沖。這可能同分布不均勻的體積較大的液滴撞擊在旋渦發生體上，抑制了渦列的形成有關。
有關這方面的實驗研究，尚未見到文獻報道，但是人們在使用現場已碰到不少，而且，處理這一問題的方法，人們也早已在應用。
3.1 關于“漏脈沖”現象的實例之一
上海的一家藥業公司組建全廠蒸汽計量網的項目中，碰到了一個令人費解的故障，這個故障發生在一個測量過熱蒸汽流量的系統中，這個系統的管道連接如圖4所示。
該工廠的鍋爐房除了向全廠供應中壓過熱蒸汽外，還經減溫減壓系統向全廠供應0.4MPa（g）、160℃低壓過熱蒸汽。FIQ303就是對這路蒸汽進行計量的儀表。
該套儀表與其他多臺分表組成的低壓蒸汽計量網，在投運后的半年內，一直運行正常，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生了變化，原來進出平衡的計量數據出現了負的管損，該廠能源科根據低壓蒸汽網的數據平衡關系和鍋爐的能量平衡關系作出了FIQ303指示偏低的判斷。
在檢查了各臺儀表之后，發現各臺儀表均正常。于是請HKGB渦街流量計制造廠上門服務，經檢查發現這臺DN350的HKGB渦街流量計有“漏脈沖”現象存在，在正常的流量范圍內，記錄到數次如圖5所示的輸出波形。
根據制造廠的經驗，這種情況的存在可能是蒸汽帶水引起。
能源科工程師否定HKGB渦街流量計安裝處蒸汽帶水的可能性，理由是減溫減壓系統都有自動調節來保證其運行參數，于是一時沒有結論。又過一個星期，事態有了進一步的發展。從FC6000型流量演算器中的海量存儲器查閱到的歷史數據表明，該路流量示值逐漸減小，甚至有時減小到零，而這時，全廠生產照常進行，蒸汽一點不少用。
進一步的檢查焦點主要集中在蒸汽是否帶水方面。能源科主要強調減溫減壓系統出口處的溫度壓力參數。經查，減溫器出口溫度壓力顯示正確。但是根據FC6000型儀表顯示的溫度壓力數據分析，HKGB渦街流量計安裝處的蒸汽的確已進入飽和狀態，于是要求打開疏水器驗證。能源科人員堅持認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，大量凝結水噴出，二十分鐘也未排光，于是真相大白。
至于大量凝結水是從哪里來的，我們隨即進行了調查。經查在減溫器出口到流量計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，增設一個疏水器，從而使流量計恢復正常測量。
3.2 關于“漏脈沖”現象的實例之二
上海某熱力公司新增一個熱源廠，該廠生產的是飽和蒸汽，鍋爐投運后對一個遠在2公里處的用戶供汽。其管網如圖6所示。
熱力公司懷疑流量計不準，因為鍋爐房出口的流量計FIQ01穩定顯示2.5t/h左右的流量，而用戶端流量計FIQ02顯示時有時無，流量最大時也只有0.75t/h。
據了解，熱力公司為了減少熱量損失，將沿途的31只疏水器全部關掉，顯然流經FIQ02儀表處的蒸汽中含有大量凝結水。后將靠近用戶表計處的幾只疏水器打開，排掉管道中的凝結水，這樣做了之后，流量計1t/h，至于該示值同FIQ01顯示的2。5t/h之間的差值，應該是2公里長的管道熱損耗引起的，熱力公司接受了這一結論。
4 對策
4.1 X≤95%情況下的對策
上面所述X>95%情況下的補償，如果不做，僅僅是懸浮在蒸汽中的均勻分布的小水滴計不出，但是，在X<95%的情況下，如果不采取任何措施，測量結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實現正常測量。采取的措施是在流量計前充分疏水。
疏水是否充分的標志是蒸汽管中是否排得出凝結水。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HKGB渦街流量計的蒸汽中已經不存在或基本不存在分層流動的水。
4.2 疏水點的合理布置
疏水點的合理布置對充分疏水有關鍵性的作用。在圖8（a）所示的實例中，凝結水的捕捉口太細，與蒸汽一起高速流動的凝結水，可能會有一部分不被捕捉口所收集，而流到下游。
5 結束語
（1）渦街流量計濕蒸汽就屬性而言是兩相流體，但在濕度不高的情況下，可將其當作單相流體并用一般的流量計進行測量。
（2）蒸汽嚴重帶水，將使HKGB渦街流量計出現“漏脈沖”現象，更嚴重時，HKGB渦街流量計會完全沒有脈沖輸出。
（3）對于蒸汽嚴重帶水影響HKGB渦街流量計正常測量的情況，常用的處理方法是在HKGB渦街流量計上游的適當位置充分疏水。
合理布置疏水器，使濕蒸汽的干度盡量提高，能保證HKGB渦街流量計正常測量。
