摘(zhai)要：系統闡(chan)述了多種(zhong)傳統流量(liang)計的測量(liang)原理，對比(bi)各個🆚測量(liang)裝置的優(you)缺點，提出(chu)的超聲波(bo)流量計
在(zai)高溫高壓(ya)大口徑管(guan)道中精确(que)計量。從經(jing)濟效益、精(jing)度偏差、安(an)裝使用、節(jie)能減排、後(hou)期維護等(deng)多個方面(mian)诠釋超聲(sheng)波🌈流量計(ji)相🐪比傳統(tong)的機械式(shi)流量計💃的(de)獨特特點(dian)，以及在我(wo)🎯國工業生(sheng)産和♌計量(liang)領域中的(de)重要應用(yong)。
1原理概述(shu)
蒸汽作爲(wei)廣泛的載(zai)熱介質，在(zai)各行各業(ye)中有着非(fei)常重要的(de)作用。在電(dian)廠中使用(yong)蒸汽推動(dong)汽輪機進(jin)行發電。在(zai)食品行業(ye)中，可🔴以使(shi)用蒸汽對(dui)管路進行(hang)消毒，确保(bao)食品⭕安全(quan)衛生無菌(jun)。在煉油行(hang)業，使用高(gao)壓蒸汽對(dui)油井或者(zhe)氣田進行(hang)壓裂開采(cai)🌏。在石化化(hua)‼️工行業的(de)生産過程(cheng)中，很多環(huan)節需要使(shi)用到蒸汽(qi)，比如汽提(ti)塔📞中❓，蒸汽(qi)的溫度和(he)壓力的穩(wen)定對塔器(qi)🔞中的生産(chan)🧑🏽🤝🧑🏻有着至關(guan)重要🤞的作(zuo)用。在化工(gong)行業，某些(xie)易結晶的(de)介質在生(sheng)産和運輸(shu)過程中需(xu)要保持溫(wen)度，而蒸汽(qi)往往就是(shi)給管道進(jin)行伴熱和(he)保溫的介(jie)⚽質。在管道(dao)的吹掃中(zhong)，有時🐇可以(yi)使用空氣(qi)，而有些場(chang)合就需要(yao)使用蒸汽(qi)吹掃。當然(ran)更顯而易(yi)見的是，蒸(zheng)☁️汽可以作(zuo)爲建築或(huo)者場所的(de)取♋暖用介(jie)質。
蒸汽負(fu)載着能量(liang)，所以準确(que)的計量蒸(zheng)汽意義重(zhong)大。對于生(sheng)産廠區的(de)内部計量(liang)，計量的精(jing)度可以起(qi)到節能減(jian)排👄的作用(yong)。對🌈于貿易(yi)交接的場(chang)合，無論是(shi)蒸♌汽的生(sheng)🔴産方還是(shi)使用🔞方，計(ji)量的精度(du)直接關系(xi)到雙方的(de)費用結算(suan)，一定需要(yao)一個可靠(kao)的😘計量方(fang)式✌️，才能避(bi)免費用上(shang)的糾紛。傳(chuan)統的蒸汽(qi)計量方式(shi)多采用差(cha)壓式流量(liang)計，
差壓式(shi)流量計
需(xu)要一個節(jie)流原件來(lai)實現壓力(li)差，包括
孔(kong)闆流量計(ji)
、文丘裏、噴(pen)嘴等方式(shi)。随着技術(shu)的發展，渦(wo)街流量計(ji)🔴漸漸🈚用于(yu)🧑🏽🤝🧑🏻蒸汽測量(liang)。近幾年，采(cai)用時差法(fa)原理并且(qie)适用溫度(du)較高♌的超(chao)聲波流量(liang)計也開始(shi)進入蒸汽(qi)🤞測量的領(ling)域。下面簡(jian)單介紹一(yi)下這幾種(zhong)測量方式(shi)的原理。
1.1差(cha)壓式儀表(biao)
流體在有(you)節流裝置(zhi)的管道中(zhong)流動時，在(zai)節流裝置(zhi)前後的♻️管(guan)壁🌐處，流體(ti)的靜壓力(li)産生差異(yi)的現象稱(cheng)爲節👨❤️👨流現(xian)象。節流裝(zhuang)📞置包括節(jie)流元件和(he)取壓裝置(zhi)。節流元件(jian)是使管道(dao)中的流體(ti)産生局部(bu)收縮的元(yuan)件，多達30多(duo)種，常用的(de)節流元件(jian)🏃♀️有孔闆、噴(pen)嘴和文丘(qiu)利管等。流(liu)體流過節(jie)流元件時(shi)，會被加速(su)，流體的加(jia)速時期動(dong)能✏️增加，按(an)照能量守(shou)❗恒定律，在(zai)流體被加(jia)速處它的(de)靜壓力會(hui)降低一個(ge)相應的值(zhi)，因此在節(jie)流原件兩(liang)側産生一(yi)個差壓，而(er)這一差壓(ya)🚶♀️與流速的(de)平方根成(cheng)👅正比。其原(yuan)理的計算(suan)公式如下(xia)：
Qv=CεΑ/sqr(2ΔP/(1-β＾4)/ρ1)(1)
其中：
C爲流(liu)出系數；
ε爲(wei)可膨脹系(xi)數
Α爲節流(liu)件開孔截(jie)面積，m2
ΔP爲節(jie)流裝置輸(shu)出的差壓(ya)，Pa;
β爲直徑比(bi)
ρ1爲被測流(liu)體在I-I處的(de)密度，kg/m3;
Qv爲體(ti)積流量，m3/h
下(xia)圖爲一些(xie)常見節流(liu)原件的示(shi)意圖
1.2渦街(jie)流量計
自(zi)然界的很(hen)多現象都(dou)源于渦街(jie)原理，比如(ru)迎風飄🛀揚(yang)的旗幟，旗(qi)杆作爲漩(xuan)渦發生體(ti),當風從旗(qi)杆一側吹(chui)來時，旗☎️杆(gan)阻擋了風(feng)，分😘别從旗(qi)杆兩側吹(chui)過的氣流(liu)在其後形(xing)成☔了漩渦(wo)，因此，旗幟(zhi)能夠随風(feng)飄揚。在
渦(wo)街流量計(ji)
中，正是采(cai)用了“卡門(men)渦街原理(li)”，測量管中(zhong)有一個漩(xuan)渦發生體(ti)，漩渦的脫(tuo)落頻率正(zheng)比于流量(liang)，漩渦脫落(luo)頻率通過(guo)傳感器中(zhong)的壓電晶(jing)體來測量(liang)，公式如下(xia)：
f=StV/d(2)
式中：
f－發生(sheng)體一側産(chan)生的卡門(men)旋渦頻率(lü)
St－斯特羅哈(ha)爾數（無量(liang)綱數）
V－流體(ti)的平均流(liu)速
d－旋渦發(fa)生體的寬(kuan)度
通過壓(ya)電晶體測(ce)得頻率之(zhi)後，就可以(yi)算得流速(su)值，再乘以(yi)☔流🎯量計的(de)截面積就(jiu)可以知道(dao)流速。
1.3超聲(sheng)波流量計(ji)
相比前兩(liang)種測量原(yuan)理，超聲波(bo)時差法的(de)原理則更(geng)加簡單易(yi)懂一些。與(yu)人們劃船(chuan)或者遊泳(yong)類似，超聲(sheng)波在流動(dong)的流體中(zhong)的傳播速(su)度與流體(ti)的流速有(you)關。順流而(er)下的超聲(sheng)波的傳播(bo)速度大于(yu)逆流而上(shang)的傳播速(su)度。隻要分(fen)💯别測量出(chu)超聲波順(shun)流和逆流(liu)⛷️的傳播時(shi)間，就可以(yi)依據下面(mian)的公式得(de)到該路徑(jing)上瞬時流(liu)速。這樣，介(jie)質流量則(ze)🚶可以通過(guo)流速、管道(dao)截面積等(deng)求得。
Vm＝L(TB?A-TA?B)/(2*COS?*TB?A*TA?B)(3)
|
Vm:瞬(shun)時流速
|
超聲波(bo)流量計用(yong)于液體測(ce)量已經有(you)幾十年的(de)曆史了，随(sui)着技術的(de)發展，超聲(sheng)波流量計(ji)也逐漸開(kai)始應用在(zai)氣體的領(ling)域，尤其高(gao)溫換能器(qi)的開發，使(shi)其可以用(yong)于蒸汽🙇♀️的(de)領域。以高(gao)溫🤞氣體超(chao)聲波流量(liang)計爲例，選(xuan)用高溫SS347材(cai)質❄️的換能(neng)器，溫度可(ke)以達到540度(du)，耐壓可達(da)10Mpa。Inconel合金材質(zhi)的換能器(qi)更可達到(dao)20Mpa的壓力等(deng)級，可選610度(du)的高😄溫。可(ke)适用于各(ge)種低壓/中(zhong)壓/高壓蒸(zheng)汽。
了解了(le)各種原理(li)之後，再來(lai)對比一下(xia)各個測量(liang)原理的優(you)缺點♍，此處(chu)對比參考(kao)超聲波流(liu)量計産品(pin)樣本（液🔅體(ti)OPTISONIC3400,蒸汽OPTISONIC8300）。
|
|
差壓(ya)式流量計(ji) |
渦街流量(liang)計 |
|
|
口(kou)徑範圍 |
孔(kong)闆：DN25~500
|
DN15~300
|
液(ye)體DN25~3000
|
|
溫度範(fan)圍 |
根據材(cai)質和壓力(li)等
|
最高450度(du) |
最高610度 |
|
測(ce)量精度(不(bu)确定度) |
孔(kong)闆：1%
|
1%～2% |
液體：0.3%
|
|
是(shi) |
是 |
是 |
|
|
壓損(sun)情況 |
較(jiao)小 |
無壓損(sun) |
|
|
前後直管(guan)段 |
孔闆：前(qian)20DN，後10DN
|
前20DN後(hou)5DN |
液體：前5DN後(hou)3DN氣體：前20DN後(hou)3DN |
|
孔(kong)闆：1：3
|
1：10 |
||
|
維護量 |
節(jie)流元件高(gao)溫下容易(yi)
|
維護量小(xiao)于差壓式(shi)儀表 |
無需(xu)維護，沒有(you)磨損與腐(fu)蝕 |
從上表(biao)的對比可(ke)以明顯看(kan)出，超聲波(bo)流量計有(you)幾個很重(zhong)要的優點(dian)：
量程比寬(kuan)：孔闆的量(liang)程比隻有(you)1：3，在實際應(ying)用過程中(zhong)，如果最大(da)和最小流(liu)量的範圍(wei)較寬，一台(tai)孔闆就無(wu)法适用，往(wang)往需要2～3台(tai)孔闆㊙️用于(yu)不同的量(liang)程範圍，而(er)2～3台表又👉會(hui)引入系統(tong)誤✉️差，造成(cheng)測量可🤟靠(kao)性進一步(bu)下降。超聲(sheng)波流量計(ji)超寬的量(liang)程比，從0.3～30m/s都(dou)可以保證(zheng)精度，有時(shi)可測比30m/s更(geng)高。
長期穩(wen)定性好：使(shi)用過差壓(ya)式的儀表(biao)的操作工(gong)可✌️能☁️都💃有(you)感觸，節流(liu)元件是非(fei)常容易磨(mo)損的部件(jian)，在🏃♂️高溫💜或(huo)者高磨損(sun)性的條👣件(jian)下，節流元(yuan)件的開口(kou)尺寸會越(yue)來越大，從(cong)而造成計(ji)量值偏小(xiao)。如果實在(zai)貿🐉易交接(jie)的場合，對(dui)于賣方來(lai)說，就會造(zao)成損失。而(er)超聲波流(liu)量計因爲(wei)沒有阻流(liu)部件，所以(yi)壓損幾乎(hu)爲零，也不(bu)會磨損🌈，所(suo)以長期穩(wen)定性非常(chang)好。
口徑範(fan)圍大，最高(gao)溫度高：渦(wo)街流量計(ji)因爲口徑(jing)限制🏃♂️，隻💜能(neng)适用于小(xiao)口徑、中低(di)溫蒸汽，如(ru)果有大于(yu)DN300的管徑或(huo)者高于450度(du)的🔱應用，渦(wo)街就無能(neng)爲力了，這(zhe)時候選用(yong)超聲波💁流(liu)量計更加(jia)合适
2. 節能(neng)減排經濟(ji)效益對比(bi)
以上從理(li)論角度闡(chan)述了超聲(sheng)波的優點(dian)，下面通過(guo)一個實例(li)的計算，來(lai)對比一下(xia)使用傳統(tong)差壓式流(liu)量計和新(xin)型超聲波(bo)流量計在(zai)經濟效益(yi)上的差異(yi)。
主要可以(yi)從三方面(mian)來對比：
1.因(yin)磨損和腐(fu)蝕造成差(cha)壓式流量(liang)計的精度(du)偏差，從而(er)影響計費(fei)的準确性(xing)；
2.因差壓式(shi)流量計較(jiao)大的壓損(sun)而造成的(de)無形中的(de)電力的浪(lang)費；
3.因差壓(ya)式流量計(ji)需要維護(hu)和更換的(de)後續維護(hu)成本🙇♀️。
2.1首先(xian)，先看一下(xia)因磨損和(he)腐蝕造成(cheng)差壓式流(liu)量計的📱精(jing)度偏差🤟，從(cong)而影響計(ji)費的準确(que)
以最常見(jian)的孔闆流(liu)量計爲例(li)，因爲孔闆(pan)的節流元(yuan)🔴件在高溫(wen)下很容易(yi)被腐蝕，造(zao)成流通面(mian)積變大，差(cha)壓變小，最(zui)終導緻測(ce)量值偏小(xiao)。那麽在蒸(zheng)汽的貿易(yi)交接中，測(ce)量值♌偏小(xiao)，就意味着(zhe)蒸汽生産(chan)方的收入(ru)變少，嚴重(zhong)的可能導(dao)緻虧本經(jing)❓營。那麽下(xia)面來計算(suan)一下，因爲(wei)孔闆的計(ji)量偏差可(ke)以導緻☀️多(duo)少收入上(shang)😍的損失。
假(jia)設某電廠(chang)給一個用(yong)戶供應過(guo)熱蒸汽，口(kou)徑DN500，壓力2.0Mpa，溫(wen)度:310℃，流量範(fan)圍：0-200t/h。按一個(ge)月工作28天(tian)計算，那麽(me)一個月需(xu)要供應的(de)蒸汽總🌈量(liang)在200*24*28=134400t/月，按蒸(zheng)汽價格160元(yuan)/t計算，每月(yue)的收⚽入爲(wei)2150.4萬元。
爲了(le)簡化計算(suan)，假設每個(ge)月孔闆流(liu)量計因爲(wei)磨損而産(chan)生的精度(du)變化是線(xian)性的，每月(yue)精度下降(jiang)0.01%，那麽通過(guo)🔴下表可以(yi)看出，第一(yi)年内損失(shi)的收益：
第(di)二年的收(shou)入損失可(ke)能高達45萬(wan)多。
采用超(chao)聲波流量(liang)計的話，也(ye)許最初的(de)購置付費(fei)會高于孔(kong)闆流量計(ji)，但是因爲(wei)不存在孔(kong)闆的磨損(sun)造成的計(ji)量偏差，因(yin)爲增加的(de)購置成本(ben)基本上在(zai)1～2年就可以(yi)收回。
以上(shang)隻是簡單(dan)的計算了(le)孔闆流量(liang)計因爲磨(mo)損造成的(de)🐇收益損失(shi)。其實，因爲(wei)孔闆的量(liang)程比很小(xiao)，隻有1：3，所以(yi)在管線剛(gang)🚩剛啓✊動的(de)時候，因爲(wei)流量太小(xiao)，往往無法(fa)精确計量(liang)。而當用戶(hu)蒸汽用量(liang)大的時候(hou)，又會造成(cheng)大流量無(wu)法計量，由(you)此帶來巨(ju)大的☎️損失(shi)。
2.2因差壓式(shi)流量計較(jiao)大的壓損(sun)而造成的(de)無形中的(de)電力的㊙️浪(lang)費🌈
衆所周(zhou)知，差壓式(shi)流量計必(bi)定會造成(cheng)永恒的壓(ya)力損失👣。還(hai)是以上面(mian)的孔闆流(liu)量計爲例(li)，口徑DN500，壓力(li)2.0Mpa，溫度:310℃，流量(liang)範圍：0-200t/h。此📐時(shi)蒸☀️汽密度(du)約爲8.28kg/m3，所以(yi)體積流量(liang)約爲0-24000m3/h。若使(shi)用差壓式(shi)流量🔆計，可(ke)以🐅讓廠家(jia)計算永久(jiu)壓力損失(shi)，按照流速(su)和節流元(yuan)件🤟的不同(tong)，壓📧力損失(shi)可🥵以在5～40Kpa不(bu)等。如按較(jiao)小的10Kpa壓損(sun)來計算，按(an)最大流量(liang)的一半流(liu)量時，能量(liang)損失在27.78kW。還(hai)是按每月(yue)28天計算，一(yi)年能耗的(de)損❤️失是22.4萬(wan)KWh。如果一🚶♀️度(du)電按0.5元計(ji)算，那麽電(dian)費約需11萬(wan)元。也就是(shi)說🏃♂️，如果更(geng)換成沒有(you)壓損的超(chao)聲波流量(liang)計💋，可以減(jian)少泵送的(de)能🔞量，節省(sheng)電費11萬元(yuan)。
2.3因差壓式(shi)流量計需(xu)要維護和(he)更換的後(hou)續維護成(cheng)本㊙️
從前面(mian)第一點可(ke)以看出，使(shi)用2年後，孔(kong)闆的磨損(sun)會✨非常厲(li)害🈲，所❄️以這(zhe)就是爲何(he)差壓式流(liu)量計都建(jian)議2～3年更換(huan)一📞次。這就(jiu)意味着用(yong)戶需要重(zhong)新購買新(xin)的節流元(yuan)件，重新标(biao)定，重新安(an)裝。這裏面(mian)所涉及的(de)采購成本(ben)，人員安裝(zhuang)成本，停産(chan)的成本都(dou)是相當可(ke)觀的。
3安裝(zhuang)維護
在蒸(zheng)汽管道的(de)安裝上，因(yin)爲蒸汽管(guan)道都需要(yao)包裹保溫(wen)層，所以一(yi)般法蘭連(lian)接或者外(wai)夾式超聲(sheng)波的🤞形式(shi)不都💞不是(shi)太适🏃合。法(fa)蘭連接的(de)部分會造(zao)成保溫層(ceng)的突起，施(shi)工不方便(bian)。而外夾式(shi)超聲波流(liu)量計♊安裝(zhuang)的管道不(bu)能做保溫(wen)，會造成巨(ju)大的✂️能量(liang)浪費。蒸汽(qi)流量計可(ke)以提供焊(han)接式安裝(zhuang)，管材和焊(han)接内♋徑也(ye)可以根據(ju)現場的管(guan)道定制，保(bao)證匹配性(xing)，如下圖所(suo)示。安㊙️裝完(wan)成後基本(ben)與管道一(yi)㊙️體化，方便(bian)了保溫⚽層(ceng)的鋪設。而(er)且儀表本(ben)身是免維(wei)護🤩的，焊接(jie)在管道上(shang)也無需後(hou)期維護🏃。
4結(jie)論
綜上所(suo)述，超聲波(bo)流量計相(xiang)比傳統的(de)機械式流(liu)量計☔具有(you)很🐉多🌍獨特(te)的優點，無(wu)壓損、精度(du)高、低維護(hu)量等，其适(shi)用範圍廣(guang)，一些高溫(wen)高壓的場(chang)合也可适(shi)用，尤其對(dui)🈲于大口👈徑(jing)流量的正(zheng)确測量有(you)其不可比(bi)拟的優勢(shi)，而且超聲(sheng)波流量計(ji)的測量原(yuan)理和優點(dian)逐漸被最(zui)終用㊙️戶所(suo)認可。除了(le)測量蒸汽(qi)之外，超聲(sheng)波流量計(ji)也适合應(ying)用于一些(xie)非導電的(de)介質的測(ce)量，因此它(ta)會成我國(guo)⛷️工業生産(chan)和計量領(ling)域的新标(biao)準。
以上内(nei)容來源于(yu)網絡，如有(you)侵權請聯(lian)系即删除(chu)!