摘要：系統(tǒng)闡述了多種傳統(tǒng)流量計(jì)的測(cè)量原理，對(duì)比各個(gè)測(cè)量裝置的優(yōu)缺點(diǎn)，提出的超聲波流量計(jì)在高溫高壓大口徑管道中精確計(jì)量。從經(jīng)濟(jì)效益、精度偏差、安裝使用、節(jié)能減排、后期維護(hù)等多個(gè)方面詮釋超聲波流量計(jì)相比傳統(tǒng)的機(jī)械式流量計(jì)的獨(dú)特特點(diǎn)，以及在我國工業(yè)生產(chǎn)和計(jì)量領(lǐng)域中的重要應(yīng)用。
1原理概述
蒸汽作為廣泛的載熱介質(zhì)，在各行各業(yè)中有著非常重要的作用。在電廠中使用蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電。在食品行業(yè)中，可以使用蒸汽對(duì)管路進(jìn)行消毒，確保食品安全衛(wèi)生無菌。在煉油行業(yè)，使用高壓蒸汽對(duì)油井或者氣田進(jìn)行壓裂開采。在石化化工行業(yè)的生產(chǎn)過程中，很多環(huán)節(jié)需要使用到蒸汽，比如汽提塔中，蒸汽的溫度和壓力的穩(wěn)定對(duì)塔器中的生產(chǎn)有著至關(guān)重要的作用。在化工行業(yè)，某些易結(jié)晶的介質(zhì)在生產(chǎn)和運(yùn)輸過程中需要保持溫度，而蒸汽往往就是給管道進(jìn)行伴熱和保溫的介質(zhì)。在管道的吹掃中，有時(shí)可以使用空氣，而有些場(chǎng)合就需要使用蒸汽吹掃。當(dāng)然更顯而易見的是，蒸汽可以作為建筑或者場(chǎng)所的取暖用介質(zhì)。
蒸汽負(fù)載著能量，所以準(zhǔn)確的計(jì)量蒸汽意義重大。對(duì)于生產(chǎn)廠區(qū)的內(nèi)部計(jì)量，計(jì)量的精度可以起到節(jié)能減排的作用。對(duì)于貿(mào)易交接的場(chǎng)合，無論是蒸汽的生產(chǎn)方還是使用方，計(jì)量的精度直接關(guān)系到雙方的費(fèi)用結(jié)算，一定需要一個(gè)可靠的計(jì)量方式，才能避免費(fèi)用上的糾紛。傳統(tǒng)的蒸汽計(jì)量方式多采用差壓式流量計(jì)，差壓式流量計(jì)需要一個(gè)節(jié)流原件來實(shí)現(xiàn)壓力差，包括孔板流量計(jì)、文丘里、噴嘴等方式。隨著技術(shù)的發(fā)展，渦街流量計(jì)漸漸用于蒸汽測(cè)量。近幾年，采用時(shí)差法原理并且適用溫度較高的超聲波流量計(jì)也開始進(jìn)入蒸汽測(cè)量的領(lǐng)域。下面簡(jiǎn)單介紹一下這幾種測(cè)量方式的原理。
1.1差壓式儀表
流體在有節(jié)流裝置的管道中流動(dòng)時(shí)，在節(jié)流裝置前后的管壁處，流體的靜壓力產(chǎn)生差異的現(xiàn)象稱為節(jié)流現(xiàn)象。節(jié)流裝置包括節(jié)流元件和取壓裝置。節(jié)流元件是使管道中的流體產(chǎn)生局部收縮的元件，多達(dá)30多種，常用的節(jié)流元件有孔板、噴嘴和文丘利管等。流體流過節(jié)流元件時(shí)，會(huì)被加速，流體的加速時(shí)期動(dòng)能增加，按照能量守恒定律，在流體被加速處它的靜壓力會(huì)降低一個(gè)相應(yīng)的值，因此在節(jié)流原件兩側(cè)產(chǎn)生一個(gè)差壓，而這一差壓與流速的平方根成正比。其原理的計(jì)算公式如下：
Qv=CεΑ/sqr(2ΔP/(1-β＾4)/ρ1)(1)
其中：
C為流出系數(shù)；
ε為可膨脹系數(shù)
Α為節(jié)流件開孔截面積，m2
ΔP為節(jié)流裝置輸出的差壓，Pa;
β為直徑比
ρ1為被測(cè)流體在I-I處的密度，kg/m3;
Qv為體積流量，m3/h
下圖為一些常見節(jié)流原件的示意圖
1.2渦街流量計(jì)
自然界的很多現(xiàn)象都源于渦街原理，比如迎風(fēng)飄揚(yáng)的旗幟，旗桿作為漩渦發(fā)生體,當(dāng)風(fēng)從旗桿一側(cè)吹來時(shí)，旗桿阻擋了風(fēng)，分別從旗桿兩側(cè)吹過的氣流在其后形成了漩渦，因此，旗幟能夠隨風(fēng)飄揚(yáng)。在渦街流量計(jì)中，正是采用了“卡門渦街原理”，測(cè)量管中有一個(gè)漩渦發(fā)生體，漩渦的脫落頻率正比于流量，漩渦脫落頻率通過傳感器中的壓電晶體來測(cè)量，公式如下：
f=StV/d(2)
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
通過壓電晶體測(cè)得頻率之后，就可以算得流速值，再乘以流量計(jì)的截面積就可以知道流速。
1.3超聲波流量計(jì)
相比前兩種測(cè)量原理，超聲波時(shí)差法的原理則更加簡(jiǎn)單易懂一些。與人們劃船或者游泳類似，超聲波在流動(dòng)的流體中的傳播速度與流體的流速有關(guān)。順流而下的超聲波的傳播速度大于逆流而上的傳播速度。只要分別測(cè)量出超聲波順流和逆流的傳播時(shí)間，就可以依據(jù)下面的公式得到該路徑上瞬時(shí)流速。這樣，介質(zhì)流量則可以通過流速、管道截面積等求得。
Vm＝L(TB?A-TA?B)/(2*COS?*TB?A*TA?B)(3)
 |
Vm:瞬時(shí)流速
L:兩個(gè)超聲波換能器之間的距離
TB?A:超聲波逆流而上的傳輸時(shí)間
TA?B:超聲波順流而下的傳輸時(shí)間
α:介質(zhì)流向與超聲波傳輸方向之間的夾角 |
超聲波流量計(jì)用于液體測(cè)量已經(jīng)有幾十年的歷史了，隨著技術(shù)的發(fā)展，超聲波流量計(jì)也逐漸開始應(yīng)用在氣體的領(lǐng)域，尤其高溫?fù)Q能器的開發(fā)，使其可以用于蒸汽的領(lǐng)域。以高溫氣體超聲波流量計(jì)為例，選用高溫SS347材質(zhì)的換能器，溫度可以達(dá)到540度，耐壓可達(dá)10Mpa。Inconel合金材質(zhì)的換能器更可達(dá)到20Mpa的壓力等級(jí)，可選610度的高溫。可適用于各種低壓/中壓/高壓蒸汽。
了解了各種原理之后，再來對(duì)比一下各個(gè)測(cè)量原理的優(yōu)缺點(diǎn)，此處對(duì)比參考超聲波流量計(jì)產(chǎn)品樣本（液體OPTISONIC3400,蒸汽OPTISONIC8300）。
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差壓式流量計(jì) |
渦街流量計(jì) |
超聲波流量計(jì) |
口徑范圍 |
孔板：DN25~500
文丘里：DN50~1200 |
DN15~300
更大口徑基本不可能生產(chǎn) |
液體DN25~3000
氣體DN50~1000
更大的口徑也可能生產(chǎn) |
溫度范圍 |
根據(jù)材質(zhì)和壓力等
決定可用溫度范圍 |
最高450度 |
最高610度 |
測(cè)量精度(不確定度) |
孔板：1%
文丘里：1%，實(shí)流后可達(dá)0.5% |
1%～2% |
液體：0.3%
氣體：1% |
是否有阻流件 |
是 |
是 |
是 |
壓損情況 |
較大，孔板的壓損達(dá)到差壓值的60%，文丘里是差壓值的15% |
較小 |
無壓損 |
前后直管段 |
孔板：前20DN，后10DN
文丘里：前10DN，后5DN |
前20DN后5DN |
液體：前5DN后3DN氣體：前20DN后3DN |
量程比 |
孔板：1：3
文丘里：1：3 |
1：10 |
1：10 |
維護(hù)量 |
節(jié)流元件高溫下容易
腐蝕，經(jīng)常需要維護(hù)、
標(biāo)定、更換 |
維護(hù)量小于差壓式儀表 |
無需維護(hù)，沒有磨損與腐蝕 |
從上表的對(duì)比可以明顯看出，超聲波流量計(jì)有幾個(gè)很重要的優(yōu)點(diǎn)：
量程比寬：孔板的量程比只有1：3，在實(shí)際應(yīng)用過程中，如果最大和最小流量的范圍較寬，一臺(tái)孔板就無法適用，往往需要2～3臺(tái)孔板用于不同的量程范圍，而2～3臺(tái)表又會(huì)引入系統(tǒng)誤差，造成測(cè)量可靠性進(jìn)一步下降。超聲波流量計(jì)超寬的量程比，從0.3～30m/s都可以保證精度，有時(shí)可測(cè)比30m/s更高。
長(zhǎng)期穩(wěn)定性好：使用過差壓式的儀表的操作工可能都有感觸，節(jié)流元件是非常容易磨損的部件，在高溫或者高磨損性的條件下，節(jié)流元件的開口尺寸會(huì)越來越大，從而造成計(jì)量值偏小。如果實(shí)在貿(mào)易交接的場(chǎng)合，對(duì)于賣方來說，就會(huì)造成損失。而超聲波流量計(jì)因?yàn)闆]有阻流部件，所以壓損幾乎為零，也不會(huì)磨損，所以長(zhǎng)期穩(wěn)定性非常好。
口徑范圍大，最高溫度高：渦街流量計(jì)因?yàn)榭趶较拗疲荒苓m用于小口徑、中低溫蒸汽，如果有大于DN300的管徑或者高于450度的應(yīng)用，渦街就無能為力了，這時(shí)候選用超聲波流量計(jì)更加合適
2.
節(jié)能減排經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比
以上從理論角度闡述了超聲波的優(yōu)點(diǎn)，下面通過一個(gè)實(shí)例的計(jì)算，來對(duì)比一下使用傳統(tǒng)差壓式流量計(jì)和新型超聲波流量計(jì)在經(jīng)濟(jì)效益上的差異。
主要可以從三方面來對(duì)比：
1.因磨損和腐蝕造成差壓式流量計(jì)的精度偏差，從而影響計(jì)費(fèi)的準(zhǔn)確性；
2.因差壓式流量計(jì)較大的壓損而造成的無形中的電力的浪費(fèi)；
3.因差壓式流量計(jì)需要維護(hù)和更換的后續(xù)維護(hù)成本。
2.1首先，先看一下因磨損和腐蝕造成差壓式流量計(jì)的精度偏差，從而影響計(jì)費(fèi)的準(zhǔn)確
以最常見的孔板流量計(jì)為例，因?yàn)榭装宓墓?jié)流元件在高溫下很容易被腐蝕，造成流通面積變大，差壓變小，最終導(dǎo)致測(cè)量值偏小。那么在蒸汽的貿(mào)易交接中，測(cè)量值偏小，就意味著蒸汽生產(chǎn)方的收入變少，嚴(yán)重的可能導(dǎo)致虧本經(jīng)營。那么下面來計(jì)算一下，因?yàn)榭装宓挠?jì)量偏差可以導(dǎo)致多少收入上的損失。
假設(shè)某電廠給一個(gè)用戶供應(yīng)過熱蒸汽，口徑DN500，壓力2.0Mpa，溫度:310℃，流量范圍：0-200t/h。按一個(gè)月工作28天計(jì)算，那么一個(gè)月需要供應(yīng)的蒸汽總量在200*24*28=134400t/月，按蒸汽價(jià)格160元/t計(jì)算，每月的收入為2150.4萬元。
為了簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)每個(gè)月孔板流量計(jì)因?yàn)槟p而產(chǎn)生的精度變化是線性的，每月精度下降0.01%，那么通過下表可以看出，第一年內(nèi)損失的收益：
第二年的收入損失可能高達(dá)45萬多。
采用超聲波流量計(jì)的話，也許最初的購置付費(fèi)會(huì)高于孔板流量計(jì)，但是因?yàn)椴淮嬖诳装宓哪p造成的計(jì)量偏差，因?yàn)樵黾拥馁徶贸杀净旧显?～2年就可以收回。
以上只是簡(jiǎn)單的計(jì)算了孔板流量計(jì)因?yàn)槟p造成的收益損失。其實(shí)，因?yàn)榭装宓牧砍瘫群苄。挥?：3，所以在管線剛剛啟動(dòng)的時(shí)候，因?yàn)榱髁刻。鶡o法精確計(jì)量。而當(dāng)用戶蒸汽用量大的時(shí)候，又會(huì)造成大流量無法計(jì)量，由此帶來巨大的損失。
2.2因差壓式流量計(jì)較大的壓損而造成的無形中的電力的浪費(fèi)
眾所周知，差壓式流量計(jì)必定會(huì)造成永恒的壓力損失。還是以上面的孔板流量計(jì)為例，口徑DN500，壓力2.0Mpa，溫度:310℃，流量范圍：0-200t/h。此時(shí)蒸汽密度約為8.28kg/m3，所以體積流量約為0-24000m3/h。若使用差壓式流量計(jì)，可以讓廠家計(jì)算永久壓力損失，按照流速和節(jié)流元件的不同，壓力損失可以在5～40Kpa不等。如按較小的10Kpa壓損來計(jì)算，按最大流量的一半流量時(shí)，能量損失在27.78kW。還是按每月28天計(jì)算，一年能耗的損失是22.4萬KWh。如果一度電按0.5元計(jì)算，那么電費(fèi)約需11萬元。也就是說，如果更換成沒有壓損的超聲波流量計(jì)，可以減少泵送的能量，節(jié)省電費(fèi)11萬元。
2.3因差壓式流量計(jì)需要維護(hù)和更換的后續(xù)維護(hù)成本
從前面第一點(diǎn)可以看出，使用2年后，孔板的磨損會(huì)非常厲害，所以這就是為何差壓式流量計(jì)都建議2～3年更換一次。這就意味著用戶需要重新購買新的節(jié)流元件，重新標(biāo)定，重新安裝。這里面所涉及的采購成本，人員安裝成本，停產(chǎn)的成本都是相當(dāng)可觀的。
3安裝維護(hù)
在蒸汽管道的安裝上，因?yàn)檎羝艿蓝夹枰貙樱砸话惴ㄌm連接或者外夾式超聲波的形式不都不是太適合。法蘭連接的部分會(huì)造成保溫層的突起，施工不方便。而外夾式超聲波流量計(jì)安裝的管道不能做保溫，會(huì)造成巨大的能量浪費(fèi)。蒸汽流量計(jì)可以提供焊接式安裝，管材和焊接內(nèi)徑也可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的管道定制，保證匹配性，如下圖所示。安裝完成后基本與管道一體化，方便了保溫層的鋪設(shè)。而且儀表本身是免維護(hù)的，焊接在管道上也無需后期維護(hù)。
4結(jié)論
綜上所述，超聲波流量計(jì)相比傳統(tǒng)的機(jī)械式流量計(jì)具有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，無壓損、精度高、低維護(hù)量等，其適用范圍廣，一些高溫高壓的場(chǎng)合也可適用，尤其對(duì)于大口徑流量的正確測(cè)量有其不可比擬的優(yōu)勢(shì)，而且超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理和優(yōu)點(diǎn)逐漸被最終用戶所認(rèn)可。除了測(cè)量蒸汽之外，超聲波流量計(jì)也適合應(yīng)用于一些非導(dǎo)電的介質(zhì)的測(cè)量，因此它會(huì)成我國工業(yè)生產(chǎn)和計(jì)量領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)。
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