摘要：系統(tǒng)闡述了多種(zhǒng)傳統流量計(jì)的測量原理(lǐ)，對🚩比各個🌏測(ce)量裝置的優(you)缺點，提出的(de)超聲波流量(liang)計 在高溫高(gāo)壓大口徑管(guan)道中精确計(jì)量。從經濟效(xiào)益💰、精度☔偏差(cha)、安裝使用、節(jie)能減排、後期(qi)維護等多個(gè)方面诠釋超(chāo)聲波流量計(jì)相比傳統的(de)機械式流量(liàng)計㊙️的獨特特(tè)點，以及在我(wo)國工業生産(chǎn)和🎯計量領域(yù)中🈲的重要應(yīng)用。
1原理概述(shu)
　　蒸汽作爲廣(guǎng)泛的載熱介(jie)質，在各行各(ge)業中有着非(fēi)✨常重要的作(zuo)用。在電廠中(zhong)使用蒸汽推(tuī)動汽輪機進(jin)行發電。在食(shi)品行業🛀中，可(kě)以使用蒸汽(qì)對管路進行(hang)消毒，确保食(shí)品安全衛生(sheng)無菌。在煉油(you)行業，使用高(gāo)🤩壓蒸汽對油(you)井或者氣田(tián)進行壓裂開(kāi)采。在石化化(hua)工行業的生(shēng)産過程中，很(hěn)多環節需要(yào)使用到蒸汽(qi)🤞，比如汽提塔(ta)中，蒸汽的溫(wen)度和壓力的(de)穩定對塔器(qì)中的生産有(you)着至關重要(yào)的作用。在化(huà)工行業，某些(xiē)易結晶的介(jie)質在生産和(hé)運輸過程中(zhong)需要保持溫(wēn)度，而蒸汽往(wǎng)往就是給管(guǎn)道進行伴熱(re)和保溫的介(jie)✊質。在管道的(de)吹掃中，有時(shí)👌可以使用空(kong)氣，而有些場(chang)合就需要使(shi)用蒸汽吹掃(sao)♻️。當然更顯而(er)易見的是，蒸(zheng)汽可以作爲(wei)建築或者場(chang)🌈所的取暖用(yòng)介質。
　　蒸汽負(fù)載着能量，所(suo)以準确的計(ji)量蒸汽意義(yì)重大。對于生(shēng)産廠區的内(nei)部計量，計量(liang)的精度可以(yi)起到節能減(jiǎn)排的作用。對(duì)于貿易交接(jiē)的場合，無論(lun)是蒸汽的生(shēng)産方還是使(shǐ)用方，計量的(de)精度直接關(guan)系到雙方的(de)費用結算，一(yi)定需要一個(gè)可靠的計量(liang)方式，才能避(bì)免費用上的(de)糾紛。傳統的(de)蒸汽🌈計量方(fang)式多采用差(cha)壓式流量計(jì)， 差壓式流量(liang)計 需要一個(gè)節流原件來(lai)實現壓力差(cha)，包括 孔闆流(liu)量計 、文丘裏(li)、噴嘴等方式(shì)。随着技術的(de)發展，渦街流(liú)量計漸🌈漸用(yong)于蒸汽測量(liàng)。近幾年，采用(yong)時差法原理(li)并且适用溫(wen)度較高的超(chao)聲波流量計(ji)也開始進入(rù)蒸汽測量的(de)領域。下面簡(jiǎn)單介紹一下(xia)這幾種測量(liang)方式的原理(lǐ)。
1.1差壓式儀表(biǎo)
　　流體在有節(jiē)流裝置的管(guan)道中流動時(shi)，在節流裝置(zhì)🔞前後的⛷️管壁(bì)👉處，流體的靜(jing)壓力産生差(cha)異的現象稱(chēng)爲節流現象(xiàng)。節流裝置包(bāo)括節流元件(jiàn)和取壓裝置(zhi)。節流元件是(shì)使管道中的(de)流體産生局(jú)部收縮的元(yuan)件，多達30多種(zhong)，常用的節流(liu)元件有孔闆(pan)、噴嘴和文丘(qiu)♉利管等。流體(tǐ)流過節流元(yuán)件時，會被加(jia)速，流體的加(jia)❄️速時期動能(neng)增加，按照能(néng)量守恒定律(lǜ)，在流體被加(jiā)👈速處它的靜(jing)壓力🌈會降低(dī)一個相應🌈的(de)值，因此在節(jie)👨‍❤️‍👨流原件兩側(cè)産生一🐉個差(chà)壓，而這一差(chà)壓與流速的(de)平方根成正(zhèng)比。其原理的(de)計算公式如(ru)下：
Qv=CεΑ/sqr(2ΔP/(1-β＾4)/ρ1)(1)
其中：
C爲流(liú)出系數；
ε爲可(ke)膨脹系數
Α爲(wèi)節流件開孔(kong)截面積，m2
ΔP爲節(jie)流裝置輸出(chū)的差壓，Pa;
β爲直(zhi)徑比

ρ1爲被測(cè)流體在I-I處的(de)密度，kg/m3;
Qv爲體積(jī)流量，m3/h
下圖爲(wei)一些常見節(jiē)流原件的示(shi)意圖

1.2渦街流(liu)量計
　　自然界(jie)的很多現象(xiang)都源于渦街(jiē)原理，比如迎(ying)風飄揚的旗(qi)幟，旗杆作爲(wei)漩渦發生體(ti),當風從旗杆(gǎn)一側💯吹來時(shi)，旗杆阻擋了(le)風，分别從旗(qí)杆兩側吹過(guò)的氣🈲流在其(qí)後形成了漩(xuan)渦，因此，旗幟(zhi)能夠🈚随風飄(piao)揚。在 渦街流(liu)量計 中，正是(shi)采用了“卡門(mén)渦街原理”，測(cè)量管中有一(yī)個漩渦發🏃🏻‍♂️生(sheng)體，漩渦的脫(tuo)落頻率正比(bi)于流量，漩渦(wo)脫落頻率通(tong)過傳感器中(zhong)的壓💜電晶體(ti)來測量，公式(shì)如下：
f=StV/d(2)
式中：
f－發(fā)生體一側産(chan)生的卡門旋(xuán)渦頻率
St－斯特(te)羅哈爾數（無(wú)量綱數）
V－流體(tǐ)的平均流速(sù)
d－旋渦發生體(tǐ)的寬度
通過(guo)壓電晶體測(ce)得頻率之後(hòu)，就可以算得(de)流速值，再乘(chéng)以流量✊計的(de)截面積就可(ke)以知道流速(su)。

1.3超聲波流量(liàng)計
　　相比前兩(liang)種測量原理(lǐ)，超聲波時差(chà)法的原理則(zé)更加簡單易(yì)懂一些。與人(ren)們劃船或者(zhě)遊泳類似，超(chao)聲波在流動(dòng)的流體中的(de)傳播速度與(yu)流體的流速(sù)有關。順流而(ér)下的⛷️超聲波(bō)的傳播速度(dù)大♈于逆流而(er)上的傳播速(sù)🧡度。隻要分🤩别(bié)測量出超聲(shēng)波順🐉流和逆(nì)流的傳播時(shi)間🤩，就可以依(yi)據下面的公(gong)式🙇‍♀️得到該路(lu)徑上瞬時流(liu)速。這樣，介質(zhì)流量則可以(yǐ)通過流速🌈、管(guǎn)道截面積等(deng)💃🏻求得。
Vm＝L(TB?A-TA?B)/(2*COS?*TB?A*TA?B)(3)

Vm:瞬時流速 L:兩(liang)個超聲波換(huan)能器之間的(de)距離 TB?A:超聲波(bo)逆流而上的(de)傳輸時間 TA?B:超(chao)聲波順流而(ér)下的傳輸時(shi)間 α:介質流向(xiàng)與超聲波傳(chuán)輸方向之間(jiān)的夾角

　　超聲(sheng)波流量計用(yong)于液體測量(liàng)已經有幾十(shí)年的曆史了(le)，随着技術的(de)發展，超聲波(bō)流量計也逐(zhú)漸開始🌂應用(yong)在氣體的領(ling)域，尤其高溫(wen)換能器的開(kai)發，使其可以(yi)用于蒸汽的(de)領域。以高溫(wen)氣體超聲波(bō)流量計爲例(lì)，選用高溫SS347材(cai)質的換能器(qi)✍️，溫度可以達(da)到540度，耐壓可(ke)達10Mpa。Inconel合金材質(zhì)的換能器更(gèng)可達到20Mpa的壓(ya)力等級，可選(xuan)610度的高溫。可(ke)适用于各種(zhong)低壓/中壓/高(gāo)壓🌈蒸汽💘。
　　了解(jie)了各種原理(lǐ)之後，再來對(duì)比一下各個(gè)測量原理的(de)優缺點，此處(chù)對比參考超(chāo)聲波流量計(ji)産品樣本（液(ye)體OPTISONIC3400,蒸汽OPTISONIC8300）。

	差壓(yā)式流量計	渦(wo)街流量計	超(chao)聲波流量計(ji)
口徑範圍	孔(kǒng)闆：DN25~500 文丘裏：DN50~1200	DN15~300 更(geng)大口徑基本(ben)不可能生産(chǎn)	液體DN25~3000 氣體DN50~1000 更(geng)大的口徑也(ye)可能生産
溫(wēn)度範圍	根據(ju)材質和壓力(li)等 決定可用(yong)溫度範圍	最(zui)高450度	最高610度(dù)
測量精度(不(bú)确定度)	孔闆(pan)：1% 文丘裏：1%，實流(liu)後可達0.5%	1%～2%	液體(ti)：0.3% 氣體：1%
是否有(yǒu)阻流件	是	是(shì)	是
壓損情況(kuàng)	較大，孔闆的(de)壓損達到差(cha)壓值的60%，文丘(qiū)裏是差壓值(zhí)的15%	較小	無壓(ya)損
前後直管(guǎn)段	孔闆：前20DN，後(hou)10DN 文丘裏：前10DN，後(hòu)5DN	前20DN後5DN	液體：前(qián)5DN後3DN氣體：前20DN後(hòu)3DN
量程比	孔闆(pǎn)：1：3 文丘裏：1：3	1：10	1：10
維護(hù)量	節流元件(jiàn)高溫下容易(yì) 腐蝕，經常需(xu)要維護、 标定(dìng)、更換	維護量(liàng)小于差壓式(shì)儀表	無需維(wéi)護，沒有磨損(sun)與腐蝕

從上(shang)表的對比可(ke)以明顯看出(chū)，超聲波流量(liàng)計有幾個📧很(hen)重要的優點(diǎn)：
　　量程比寬：孔(kǒng)闆的量程比(bǐ)隻有1：3，在實際(ji)應用過程中(zhōng)，如果最大和(he)最小流量的(de)範圍較寬，一(yi)台孔闆就無(wú)法适💞用，往🐅往(wang)需要2～3台孔闆(pǎn)用于不同的(de)量程範圍，而(ér)2～3台表又會引(yin)入系統誤差(cha)，造成測量可(ke)靠性進一步(bu)下降。超聲波(bo)流量計💜超寬(kuan)的量♋程比，從(cóng)0.3～30m/s都可以保證(zhèng)精度，有時可(ke)測比30m/s更高。
　　長(zhǎng)期穩定性好(hao)：使用過差壓(yā)式的儀表的(de)操作工可🈲能(néng)都有感觸，節(jie)流元件是非(fei)常容易磨損(sǔn)的部件，在高(gao)溫或者高磨(mo)損性的條件(jiàn)下，節流元件(jiàn)的開口尺寸(cùn)會越來越大(da)，從而造成計(jì)量值偏小。如(ru)果實在貿易(yì)交接的💜場合(he)，對于賣方來(lái)說，就會造成(cheng)損失。而超聲(shēng)波流量計因(yīn)爲沒有阻💔流(liú)部件，所以壓(yā)損幾乎爲零(líng)，也不會磨損(sǔn)，所以長期穩(wen)定性非常好(hǎo)。
　　口徑範圍大(dà)，最高溫度高(gāo)：渦街流量計(ji)因爲口徑限(xian)制❤️，隻能适用(yong)于小口徑、中(zhong)低溫蒸汽，如(ru)果有大于DN300的(de)管徑或者高(gāo)于450度的應用(yòng)，渦街就無能(néng)爲力了，這時(shí)候選用超聲(shēng)波流量計更(geng)加合适
2. 節能(neng)減排經濟效(xiào)益對比
　　以上(shàng)從理論角度(dù)闡述了超聲(shēng)波的優點，下(xia)面通過一個(ge)實例的計算(suàn)，來對比一下(xia)使用傳統差(cha)壓式流量計(ji)☎️和新型超聲(sheng)波🈲流量⁉️計在(zài)經濟效益上(shang)的差異。
主要(yao)可以從三方(fang)面來對比：
1.因(yīn)磨損和腐蝕(shi)造成差壓式(shì)流量計的精(jing)度偏差，從而(ér)影響計費的(de)準确性；
2.因差(chà)壓式流量計(ji)較大的壓損(sun)而造成的無(wu)形中的電力(lì)的浪費；
3.因差(cha)壓式流量計(ji)需要維護和(hé)更換的後續(xù)維護成本。
2.1首(shou)先，先看一下(xia)因磨損和腐(fǔ)蝕造成差壓(yā)式流量計👈的(de)精度偏差，從(cong)而影響計費(fèi)的準确
　　以最(zuì)常見的孔闆(pan)流量計爲例(lì)，因爲孔闆的(de)節流元件在(zài)高㊙️溫下很容(rong)易被腐蝕，造(zao)成流通面積(ji)變大，差壓變(bian)小，最🌐終導🏃🏻‍♂️緻(zhi)測量值偏小(xiǎo)。那麽在蒸汽(qì)的貿易交接(jie)中，測量值偏(piān)小，就意味着(zhe)蒸汽生産方(fang)的收入變少(shao)，嚴重的可能(néng)導緻虧本經(jīng)💔營。那麽下面(miàn)來計算🌈一下(xia)，因爲孔闆的(de)計量偏差可(ke)以導緻多少(shǎo)收入上🔴的損(sǔn)失。
　　假設某電(dian)廠給一個用(yong)戶供應過熱(rè)蒸汽，口徑DN500，壓(yā)力2.0Mpa，溫度⛹🏻‍♀️:310℃，流量(liàng)範圍：0-200t/h。按一個(ge)月工作28天計(ji)算，那麽一個(gè)月需要供應(yīng)的蒸汽總量(liàng)在200*24*28=134400t/月，按蒸汽(qi)價格160元/t計算(suàn)，每🌐月的收入(rù)爲2150.4萬元。
爲了(le)簡化計算，假(jiǎ)設每個月孔(kong)闆流量計因(yin)爲磨損而産(chan)生的精度變(bian)化是線性的(de)，每月精度下(xià)降0.01%，那麽⛷️通過(guo)下表可以看(kàn)出，第一年内(nei)損失的收益(yì)：

第二年的收(shou)入損失可能(neng)高達45萬多。
　　采(cai)用超聲波流(liú)量計的話，也(ye)許最初的購(gou)置付費會高(gāo)💔于孔闆流🤩量(liàng)計，但是因爲(wèi)不存在孔闆(pan)的磨損造成(chéng)的🤟計量偏差(cha)，因爲增加的(de)購置成本基(jī)本上在1～2年🈲就(jiù)可以收回。
　　以(yǐ)上隻是簡單(dan)的計算了孔(kǒng)闆流量計因(yīn)爲磨損造🔞成(chéng)的收益損失(shī)。其實，因爲孔(kǒng)闆的量程比(bi)很小，隻有1：3，所(suo)以在管㊙️線剛(gāng)剛啓動的時(shi)候，因爲流量(liàng)太小，往往無(wu)法精确計量(liàng)。而當用戶蒸(zhēng)汽用量大🔞的(de)時候，又會造(zào)成大流量無(wu)法計⭐量，由此(cǐ)帶💔來巨大的(de)損失。
2.2因差壓(ya)式流量計較(jiào)大的壓損而(ér)造成的無形(xing)中的✨電力🔴的(de)浪費
　　衆所周(zhou)知，差壓式流(liu)量計必定會(huì)造成永恒的(de)壓力損失🈲。還(hai)是💋以上面的(de)孔闆流量計(ji)爲例，口徑DN500，壓(yā)力2.0Mpa，溫度:310℃，流量(liàng)範圍：0-200t/h。此時蒸(zheng)汽密度約爲(wèi)8.28kg/m3，所以體積流(liu)量約爲0-24000m3/h。若使(shi)用差壓式流(liu)量計，可以讓(ràng)廠家計算永(yǒng)久壓力損失(shi)，按照流速和(hé)節流元件的(de)不同，壓🐅力損(sǔn)失可🔞以在5～40Kpa不(bu)等。如按較小(xiao)的10Kpa壓損來計(jì)算，按最大流(liu)量的一半流(liu)量時，能量損(sun)失在27.78kW。還是⭕按(àn)每月28天計算(suàn)，一年能耗的(de)損失是22.4萬KWh。如(ru)果一度電按(an)0.5元♉計算，那麽(me)電費🛀約♌需11萬(wan)元。也就是說(shuo)♊，如果更換成(chéng)沒有壓損的(de)超聲💃🏻波流量(liang)計，可以減少(shǎo)泵♍送的能✉️量(liàng)，節省電費11萬(wan)元。
2.3因差壓式(shì)流量計需要(yào)維護和更換(huàn)的後續維護(hù)成本🐆
　　從前面(mian)第一點可以(yǐ)看出，使用2年(nián)後，孔闆的磨(mó)損會非常厲(lì)☔害，所以這就(jiù)是爲何差壓(yā)式流量計都(dou)建議2～3年更換(huàn)一💯次。這就意(yi)味着💃🏻用戶需(xū)要重新購買(mai)新的節流元(yuán)件，重新标定(ding)，重新安裝。這(zhè)裏面所涉及(ji)的采⛷️購成本(ben)，人員安裝成(chéng)本，停産的成(cheng)本都是相當(dāng)可觀的。
3安裝(zhuāng)維護
　　在蒸汽(qì)管道的安裝(zhuāng)上，因爲蒸汽(qì)管道都需要(yao)包裹保溫層(céng)，所以一般法(fa)蘭連接或者(zhe)外夾式超聲(shēng)波的形式不(bú)都不是太适(shi)🐉合。法蘭連接(jiē)的部分會造(zào)成保溫層的(de)突起，施👅工不(bu)方♈便。而外夾(jiá)式超聲波流(liú)量計安裝的(de)管🌈道不能做(zuò)保溫，會造成(cheng)巨大的能量(liang)浪費🔱。蒸汽流(liú)量計可以提(ti)供焊接式安(an)裝，管材和焊(han)接内⭕徑也可(ke)以根據🧡現場(chang)的管道定制(zhi)，保證匹配性(xing)，如下圖所示(shì)。安🧑🏽‍🤝‍🧑🏻裝完成後(hòu)基本與管道(dao)一體化，方便(bian)了保⁉️溫層的(de)鋪設。而且儀(yi)表本身是免(mian)維護的，焊接(jiē)在管道上也(yě)無需後期維(wéi)護。

4結論
　　綜上(shang)所述，超聲波(bo)流量計相比(bǐ)傳統的機械(xie)式流量🥰計具(jù)有很多獨特(tè)的優點，無壓(yā)損、精度高、低(di)維護量🏃🏻等，其(qi)适用範圍廣(guang)，一些高溫高(gao)壓的場合也(yě)可适用🐆，尤其(qi)對💋于大口✂️徑(jìng)流量的正确(què)測量有其不(bú)可比拟的優(you)勢，而且超聲(sheng)波流量計的(de)測量原理和(hé)優點逐漸被(bei)最終用💁戶所(suo)認可。除了測(ce)量蒸汽之外(wai)，超聲波流量(liang)計也适合應(ying)用于一些非(fei)導電的介質(zhì)的🌈測量，因此(ci)它會成我國(guó)工業生産和(he)計量領域的(de)新标準📐。

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