Вихрови разходомери: принципи на работа, критерии за избор и пускане в експлоатация на място

Ефектът на вихъра на Карман: Физиката зад измерването

Вихровият разходомер работи на принципа на отделяне на вихри по фон Карман. Когато течност преминава покрай тъпо тяло, поставено перпендикулярно на потока, се образуват редуващи се вихри от всяка страна надолу по течението. Тези вихри се отделят с честота, пряко пропорционална на скоростта на течността. Числото на Строухал (St) свързва честотата на отделяне със скоростта: f = St × V / d, където f е честота в Hz, V е скорост в m/s, а d е ширината на тъпото тяло в метри. St остава практически константно около 0.2 в рамките на валидния диапазон на числото на Рейнолдс, което дава на уреда линейна характеристика на изхода. Сигналът с честота не изисква корекция за плътност при обемен разход, но изчисляването на масовия разход изисква компенсация на плътността чрез интегрирани входове за налягане и температура.

Детекторите от серия ABB VortexMaster FSV430 използват пьезоелектрически сензори за откриване на колебаещата се подемна сила от редуващото се отделяне на вихри. Фърмуерът за обработка на сигнала филтрира шума от вибрациите на тръбата, за да изолира истинските вихрови сигнали. За алтернативно измерване на електромагнитен поток на проводими течности, ABB FSM4000 Електромагнитен разходомер осигурява високоточни измервания на мокри среди без ограничения на числото на Рейнолдс.

Ограничения на числото на Рейнолдс и граници на приложение

Вихровите разходомери изискват минимално число на Рейнолдс (Re), за да поддържат стабилно отделяне на вихри. Под приблизително Re = 10 000 числото на Строухал става нестабилно и точността на измерването рязко намалява. Поради това вихровите разходомери са подходящи за течности с ниска вискозитет: вода, леки въглеводородни течности, пара, природен газ и компресиран въздух. Течности с висока вискозитет, като тежко гориво при повишена вискозитет, изискват прекалено висока скорост на потока, за да достигнат минималния праг на Re.

Максималната скорост също е ограничена. При течни приложения се появява кавитационно увреждане, когато налягането на парата надвиши това на тъпото тяло. Повечето вихрови разходомери посочват максимална скорост на течността от 7–10 m/s. Газовите приложения позволяват по-високи скорости до 70 m/s, тъй като газът не кавитира. Парните приложения са най-силният случай за използване на вихрови разходомери — липсата на механични движещи се части елиминира ерозията и износването на лагери, характерни за турбинните разходомери.

Критерии за избор на уред и размери

• Стъпка 1: Определете нормалния работен разход (Q_nom), максималния разход (Q_max) и минималния разход (Q_min). Типично съотношение на регулиране на вихровия разходомер е 15:1 до 30:1. Ако Q_max / Q_min надвишава 30:1, обмислете друга технология.
• Стъпка 2: Изчислете скоростта при Q_max, използвайки площта на тръбния отвор. Целевата скорост е между 1.5 m/s и 7 m/s за течности или между 3 m/s и 60 m/s за газове. Изберете размер на уреда, който поддържа нормалната работна скорост близо до средата на този диапазон.
• Стъпка 3: Посочете факторa на уреда (K-фактор, импулси на кубичен метър). Тази стойност е гравирана на табелката на уреда. Потвърдете K-фактора в конфигурацията на предавателя по време на пускане в експлоатация. Несъответствие между табелката и конфигурирания K-фактор води до постоянна систематична грешка. ABB VortexMaster предлага мокри части от неръждаема стомана 316L и Hastelloy C-276; изберете уплътнителен материал, съобразен с химията на процеса и налягането.

Изисквания за прав участък и най-добри практики при монтаж

Вихровите разходомери са много чувствителни към смущения в потока преди уреда. Асиметрични профили на скорост, въртене и пулсации изкривяват модела на отделяне на вихри и намаляват точността. Стандартни изисквания за ABB VortexMaster преди уреда:

• Стъпка 1: 15D преди уреда след един 90° завой в равнината (където D е номиналният диаметър на тръбата).
• Стъпка 2: 25D преди уреда след два 90° завоя извън равнината. Завоите извън равнината създават въртене, което се запазва на дълги разстояния.
• Стъпка 3: 40D преди уреда след контролни клапани, помпи или компресори. Тези устройства създават силни турбулентни профили.
• Стъпка 4: Минимум 5D след уреда във всички случаи.
• Стъпка 5: Монтирайте кондиционер на потока преди уреда, когато правият участък е физически ограничен. Кондиционер с тръбен пакет обикновено намалява необходимия прав участък от 25D на 10D.

Монтирайте вихровия разходомер с електронния корпус отстрани или отгоре. При вертикални тръбни инсталации осигурете посока на потока нагоре за течни приложения, за да предотвратите образуване на газови джобове при тъпото тяло.

Пускане в експлоатация на място и проверка на изхода

• Стъпка 1: Потвърдете, че K-факторът на табелката на предавателя съвпада със стойността, въведена в конфигурацията на компютъра за потока или DCS таг.
• Стъпка 2: Проверете рейтинга на фланеца за процесна връзка и правилното поставяне на уплътнението.
• Стъпка 3: Проверете полярността на окабеляването и заземяването на екрана. Предавателите ABB VortexMaster излъчват 4–20 mA с HART. Потвърдете, че импедансът на веригата е в рамките на HART диапазона (250–1100 ома).
• Стъпка 4: Включете и проверете диагностичния дисплей за алармени състояния. Фърмуерът на ABB VortexMaster отчита предупреждения за нисък сигнал, когато потокът падне под минималната откриваема скорост.
• Стъпка 5: Отворете блокиращия клапан бавно до около 25% и проверете дали изходът се увеличава пропорционално. Рязкото пълно отваряне при пускане може да създаде хидравличен удар, който да повреди пьезоелектрическия сензор.

За регулатори на турбини Woodward, използващи парен поток като вход за управление, потвърдете, че скалирането на сигнала за поток съвпада с очакваните инженерни единици на контролния модул на регулатора. Woodward 505 Enhanced Digital Governor Controller и Woodward 8200-1300 Digital Governor за парни турбини приемат 4–20 mA аналогови входове, представляващи поток като процент от максимума. Неправилно конфигуриран обхват кара регулатора да реагира неправилно на промени в натоварването, което може да предизвика колебания в скоростта при стартиране на турбината.

Освен това, извършете проверка на нулата при спряно течение. Вихровият разходомер трябва да излъчва точно 4.00 mA. Всякакъв остатъчен изход над 4.2 mA показва смущения от вибрации. Идентифицирайте и изолирайте източниците на механични вибрации в рамките на три диаметъра на тръбата от тялото на уреда.

Заключение и препоръки за действие

Вихровите разходомери осигуряват отлична дългосрочна точност при пара, газ и течности с ниска вискозитет без движещи се части, които да се износват. Предавателите ABB VortexMaster в комбинация с турбинни системи за управление Woodward представляват доказано високоефективно приложение за измерване на пара. Успехът зависи от правилния избор на размер според диапазона на числото на Рейнолдс, адекватния прав участък пред уреда, потвърдената конфигурация на K-фактора и внимателното пускане в експлоатация с известен нулев референтен сигнал. Включете изискванията за прав участък в дизайна на тръбопровода още на етап P&ID, за да избегнете скъпи доработки по-късно.

Автор: Чжан Хаоуен е инженер по индустриална автоматизация с над 10 години опит в PLC, DCS и системи за управление.