摘要：系統闡述了多種傳(chuán)統流(liú)量計的測量原理(lǐ)，對比各(gè)個測量裝置的優缺點，提出的(de)超聲波流量計 在高溫(wēn)高壓大(dà)口徑(jìng)管道中精确計量。從(cóng)經濟(jì)效益(yì)、精度(dù)偏差(chà)、安裝使(shǐ)用、節能(néng)減排、後期(qī)維護(hù)等(děng)多(duō)個方面诠(quán)釋超聲波流量(liàng)計相比傳統的(de)機械式流(liú)量計的獨特特點，以(yǐ)及在我(wǒ)國(guó)工業(yè)生産和計量(liàng)領(lǐng)域中的重(zhòng)要應用。
1原理概述
　　蒸(zhēng)汽作(zuò)爲(wèi)廣(guǎng)泛的載(zǎi)熱介質，在各(gè)行各(gè)業中(zhōng)有着(zhe)非常重(zhòng)要(yào)的作(zuò)用。在電廠中使(shǐ)用蒸(zhēng)汽推動汽(qì)輪(lún)機進行發電(diàn)。在食(shí)品行(háng)業中(zhōng)，可以使用(yòng)蒸汽(qì)對管(guǎn)路(lù)進行消(xiāo)毒，确保食品安(ān)全(quán)衛(wèi)生無菌。在(zài)煉油(yóu)行業，使用(yòng)高壓(yā)蒸(zhēng)汽對油(yóu)井或者氣田進行壓(yā)裂(liè)開采。在(zài)石化化(huà)工行業(yè)的生産過(guò)程中(zhōng)，很多環節需要使用(yòng)到蒸汽，比(bǐ)如汽提塔(tǎ)中，蒸汽的(de)溫度和壓(yā)力的穩定對塔(tǎ)器中的生(shēng)産有(yǒu)着至關重要的(de)作用(yòng)。在化工行(háng)業，某些易(yì)結晶(jīng)的介(jiè)質在生産(chǎn)和運輸過程中(zhōng)需要保(bǎo)持溫度(dù)，而蒸汽往(wǎng)往就(jiù)是給管道進行(háng)伴熱和保(bǎo)溫的(de)介質(zhì)。在管(guǎn)道的(de)吹掃中，有時可(kě)以使用空(kōng)氣，而(ér)有些(xiē)場(chǎng)合就需(xū)要使用蒸汽吹(chuī)掃。當然更(gèng)顯而(ér)易見(jiàn)的是，蒸汽(qì)可以作爲(wèi)建築(zhù)或者場(chǎng)所的取(qǔ)暖用介質(zhì)。
　　蒸汽(qì)負載(zǎi)着(zhe)能(néng)量，所(suǒ)以準确的計量(liàng)蒸汽(qì)意(yì)義重大。對于(yú)生(shēng)産(chǎn)廠區(qū)的内部計量，計量的精(jīng)度(dù)可以(yǐ)起到(dào)節(jiē)能減排(pái)的作(zuò)用。對于貿(mào)易交接的場合(hé)，無論(lùn)是蒸(zhēng)汽的(de)生産方(fāng)還是使用方，計(jì)量(liàng)的精(jīng)度直(zhí)接關系到(dào)雙方的(de)費(fèi)用結(jié)算，一定需要一(yī)個可靠的計量方式(shì)，才能避免費用(yòng)上的糾紛。傳統的(de)蒸汽計(jì)量方(fāng)式多(duō)采(cǎi)用(yòng)差壓式流量計， 差壓(yā)式(shì)流(liú)量計 需要一個節流(liú)原件來(lái)實現壓(yā)力差(chà)，包括 孔(kǒng)闆(pǎn)流量計(jì) 、文(wén)丘裏、噴嘴(zuǐ)等(děng)方式。随(suí)着技(jì)術的(de)發展(zhǎn)，渦街(jiē)流量計漸(jiàn)漸用于蒸(zhēng)汽測(cè)量。近幾(jǐ)年，采用時差法原(yuán)理并(bìng)且适(shì)用(yòng)溫度較高的超聲(shēng)波流(liú)量計也(yě)開始進(jìn)入蒸汽(qì)測(cè)量的領域。下(xià)面簡單(dān)介紹一(yī)下這幾種(zhǒng)測量方式的(de)原理。
1.1差壓式儀表
　　流體在(zài)有節(jiē)流裝置的(de)管道(dào)中流(liú)動時，在節(jiē)流裝置前(qián)後的管壁處，流體的(de)靜壓(yā)力産(chǎn)生差(chà)異的(de)現象稱爲(wèi)節流現(xiàn)象。節流(liú)裝(zhuāng)置包括節流(liú)元件和(hé)取壓裝(zhuāng)置。節流(liú)元(yuán)件是(shì)使管道(dào)中(zhōng)的流(liú)體産(chǎn)生(shēng)局部收縮(suō)的元件(jiàn)，多達(dá)30多種，常用(yòng)的節(jiē)流元件有孔闆(pǎn)、噴嘴和文丘利(lì)管等。流體流過節流(liú)元件(jiàn)時，會(huì)被加速，流(liú)體的(de)加速(sù)時(shí)期(qī)動能增加，按照(zhào)能量(liàng)守恒定律，在流(liú)體被加速處它(tā)的靜壓力會降(jiàng)低一個相(xiàng)應的值，因此在節流原件(jiàn)兩側産生(shēng)一個(gè)差壓，而這(zhè)一差(chà)壓(yā)與流速的平方根(gēn)成正(zhèng)比。其原理的計(jì)算公(gōng)式如下：
qv=cεΑ/sqr(2Δp/(1-β＾4)/ρ1)(1)
其(qí)中：
c爲流出系數；
ε爲可膨脹系(xì)數(shù)
Α爲節流件(jiàn)開孔(kǒng)截面(miàn)積，m2
Δp爲節流(liú)裝置輸出的差(chà)壓(yā)，pa;
β爲(wèi)直(zhí)徑比

ρ1爲(wèi)被測(cè)流(liú)體在i-i處(chù)的密(mì)度(dù)，kg/m3;
qv爲體積(jī)流量(liàng)，m3/h
下圖爲一些常(cháng)見節流原(yuán)件的(de)示意圖

1.2渦(wō)街流量計(jì)
　　自然(rán)界的很多現象(xiàng)都源(yuán)于(yú)渦街原(yuán)理，比如迎風飄(piāo)揚的旗幟，旗杆(gǎn)作爲漩渦(wō)發生體,當(dāng)風從(cóng)旗杆(gǎn)一側吹來時，旗杆阻(zǔ)擋了風，分(fèn)别從旗(qí)杆兩側(cè)吹過的(de)氣流在(zài)其後形(xíng)成了漩(xuán)渦，因(yīn)此，旗(qí)幟能(néng)夠随風飄(piāo)揚。在 渦街流量計 中(zhōng)，正是采用(yòng)了“卡(kǎ)門渦街原理”，測(cè)量管中有一個漩渦(wō)發生體，漩渦(wō)的脫落頻率正比于流量，漩(xuán)渦脫落頻率通過傳(chuán)感器中的(de)壓電(diàn)晶(jīng)體(tǐ)來測(cè)量，公(gōng)式如下：
f=stv/d(2)
式(shì)中：
f－發生體(tǐ)一側産生的卡(kǎ)門旋渦頻率(lǜ)
st－斯特羅(luó)哈爾(ěr)數（無量綱數(shù)）
v－流(liú)體(tǐ)的(de)平均流速
d－旋(xuán)渦發生體的寬度(dù)
通過壓電(diàn)晶體測得(dé)頻率之後(hòu)，就可以算(suàn)得流速值(zhí)，再乘(chéng)以流量(liàng)計(jì)的截面積就可(kě)以知道流(liú)速。

1.3超(chāo)聲波(bō)流量計
　　相(xiàng)比(bǐ)前兩(liǎng)種測量(liàng)原理，超聲波時(shí)差法(fǎ)的原(yuán)理則(zé)更加簡(jiǎn)單(dān)易懂一些。與(yǔ)人們劃(huà)船或者遊泳類(lèi)似，超聲波在(zài)流動的(de)流體中的(de)傳播速(sù)度與流體的(de)流速有關(guān)。順(shùn)流而(ér)下(xià)的超聲波(bō)的(de)傳播速(sù)度大于逆流而上的(de)傳(chuán)播速度。隻要分别測量出超(chāo)聲波順流(liú)和逆流的(de)傳播(bō)時間(jiān)，就可以依(yī)據下面的公式(shì)得到該(gāi)路徑上瞬時流速。這樣(yàng)，介質(zhì)流量則可以通過流速、管道截面(miàn)積等求(qiú)得。
vm＝l(tb?a-ta?b)/(2*cos?*tb?a*ta?b)(3)

vm:瞬時流速(sù) l:兩個超聲波換(huàn)能器之(zhī)間的距離 tb?a:超(chāo)聲(shēng)波(bō)逆流(liú)而(ér)上的傳輸時(shí)間 ta?b:超聲波順流(liú)而下的傳輸時(shí)間 α:介(jiè)質(zhì)流(liú)向與(yǔ)超聲(shēng)波傳輸方(fāng)向之間的夾角(jiǎo)

　　超聲波流(liú)量計用于液(yè)體(tǐ)測量(liàng)已經(jīng)有幾十年(nián)的曆(lì)史(shǐ)了，随着(zhe)技術的(de)發(fā)展，超(chāo)聲波(bō)流量計也(yě)逐漸開始應用(yòng)在氣(qì)體的領域，尤其高(gāo)溫換能(néng)器(qì)的(de)開發，使其(qí)可以(yǐ)用于蒸汽(qì)的領(lǐng)域。以高溫(wēn)氣體超聲(shēng)波流量計(jì)爲例(lì)，選用高溫ss347材質(zhì)的換能器(qì)，溫度可以(yǐ)達到540度，耐(nài)壓可達10mpa。inconel合(hé)金材質的(de)換能(néng)器更可達(dá)到20mpa的壓(yā)力等級(jí)，可選610度(dù)的高溫(wēn)。可适用于(yú)各種(zhǒng)低壓(yā)/中(zhōng)壓(yā)/高壓(yā)蒸汽。
　　了(le)解了各(gè)種原(yuán)理之後，再(zài)來對比一(yī)下(xià)各(gè)個測量原理的(de)優缺(quē)點(diǎn)，此處對(duì)比參考超聲波(bō)流量計産品樣(yàng)本（液(yè)體optisonic3400,蒸(zhēng)汽optisonic8300）。

	差壓式(shì)流(liú)量計	渦街流量計	超聲(shēng)波流(liú)量(liàng)計(jì)
口徑(jìng)範圍(wéi)	孔闆：dn25~500 文丘(qiū)裏：dn50~1200	dn15~300 更大口(kǒu)徑基本不(bú)可能生産(chǎn)	液體(tǐ)dn25~3000 氣體dn50~1000 更大(dà)的口(kǒu)徑也可能生産(chǎn)
溫度(dù)範圍(wéi)	根據材(cái)質和(hé)壓力等 決定可用溫度範圍	最高(gāo)450度	最高610度
測量(liàng)精度(不确(què)定度)	孔闆(pǎn)：1% 文丘裏：1%，實(shí)流後可達0.5%	1%～2%	液體(tǐ)：0.3% 氣體(tǐ)：1%
是否有阻(zǔ)流件	是(shì)	是	是
壓損情況	較大，孔(kǒng)闆的壓損(sǔn)達到差壓(yā)值(zhí)的(de)60%，文丘(qiū)裏是差(chà)壓(yā)值的15%	較小(xiǎo)	無壓損
前後直管段(duàn)	孔闆(pǎn)：前20dn，後10dn 文丘(qiū)裏：前(qián)10dn，後5dn	前20dn後5dn	液體：前(qián)5dn後3dn氣體(tǐ)：前(qián)20dn後3dn
量(liàng)程比	孔闆：1：3 文丘裏：1：3	1：10	1：10
維護量	節流(liú)元件高溫下容易 腐(fǔ)蝕，經常需(xū)要維護、 标定、更(gèng)換	維護量小于差壓式儀表	無(wú)需維護(hù)，沒有磨(mó)損與腐蝕(shí)

從上(shàng)表的對比可以(yǐ)明顯看(kàn)出，超聲(shēng)波流(liú)量計(jì)有幾(jǐ)個很(hěn)重要(yào)的優(yōu)點：
　　量(liàng)程(chéng)比寬：孔(kǒng)闆的(de)量程(chéng)比隻有1：3，在(zài)實際應用過程(chéng)中，如果最大和最小流量(liàng)的範圍較寬，一台孔(kǒng)闆就無法适用，往(wǎng)往需要(yào)2～3台(tái)孔(kǒng)闆用于不(bú)同的量程範(fàn)圍(wéi)，而2～3台表(biǎo)又(yòu)會引(yǐn)入系統誤差，造(zào)成測(cè)量可靠性(xìng)進(jìn)一步下(xià)降。超(chāo)聲波(bō)流(liú)量計超(chāo)寬的(de)量程(chéng)比，從0.3～30m/s都可以保證精(jīng)度，有(yǒu)時(shí)可(kě)測比30m/s更高。
　　長期穩定(dìng)性好：使(shǐ)用過差(chà)壓式(shì)的儀(yí)表的操作(zuò)工可(kě)能都(dōu)有感(gǎn)觸，節流元(yuán)件(jiàn)是非常容易磨損的部件(jiàn)，在(zài)高溫或者高磨(mó)損性(xìng)的條(tiáo)件下，節流元件(jiàn)的開口尺寸會越來(lái)越大，從而造成計量值偏小。如(rú)果實在(zài)貿易交(jiāo)接的場合，對于(yú)賣方來(lái)說(shuō)，就會(huì)造成損(sǔn)失。而超聲波流量計因爲沒有阻流部(bù)件，所(suǒ)以壓(yā)損幾乎(hū)爲(wèi)零，也不會(huì)磨損(sǔn)，所以長(zhǎng)期(qī)穩定性非常好(hǎo)。
　　口徑範(fàn)圍大，最高溫(wēn)度高(gāo)：渦街(jiē)流(liú)量(liàng)計因(yīn)爲口(kǒu)徑限制，隻能(néng)适(shì)用于(yú)小口(kǒu)徑、中低溫(wēn)蒸(zhēng)汽，如果(guǒ)有大于dn300的管徑(jìng)或者高于450度的(de)應用，渦街就無能爲(wèi)力了，這時(shí)候選用超聲波流量(liàng)計更加合(hé)适
2. 節能減(jiǎn)排經(jīng)濟效益(yì)對比
　　以(yǐ)上從理論角度(dù)闡述(shù)了超(chāo)聲波(bō)的優點，下(xià)面通(tōng)過一個實例的(de)計算，來對(duì)比一(yī)下使用傳(chuán)統差(chà)壓式流量計和(hé)新型(xíng)超聲波流(liú)量計(jì)在經濟效(xiào)益上(shàng)的差異。
主(zhǔ)要可以從(cóng)三方面來(lái)對比(bǐ)：
1.因磨(mó)損和腐(fǔ)蝕造成(chéng)差壓式流(liú)量計(jì)的精度偏差，從(cóng)而影響計費的(de)準确性；
2.因差壓(yā)式流量(liàng)計較大的(de)壓損(sǔn)而(ér)造成(chéng)的無(wú)形中的電(diàn)力的浪費(fèi)；
3.因差(chà)壓式流(liú)量計需(xū)要維護和更換(huàn)的後續(xù)維護成(chéng)本。
2.1首(shǒu)先(xiān)，先看一下因磨損(sǔn)和腐(fǔ)蝕造成差(chà)壓式(shì)流量(liàng)計的(de)精度偏差，從(cóng)而(ér)影響(xiǎng)計費的(de)準确
　　以(yǐ)最常見的(de)孔闆(pǎn)流量(liàng)計爲例，因爲孔(kǒng)闆的(de)節流(liú)元件(jiàn)在高溫下(xià)很容易被(bèi)腐蝕(shí)，造成(chéng)流通(tōng)面積變大(dà)，差(chà)壓變小(xiǎo)，最終導緻測量值偏小(xiǎo)。那麽在(zài)蒸汽(qì)的貿(mào)易交(jiāo)接中，測量(liàng)值偏小，就意(yì)味(wèi)着蒸(zhēng)汽生(shēng)産方(fāng)的收入變(biàn)少，嚴重的(de)可能導緻虧本(běn)經營(yíng)。那麽下面(miàn)來計算一下，因(yīn)爲孔闆的計量(liàng)偏差可以導緻(zhì)多少收入上的(de)損失。
　　假(jiǎ)設某電廠給一個用戶(hù)供應(yīng)過熱蒸汽，口徑dn500，壓(yā)力2.0mpa，溫度(dù):310℃，流量範圍：0-200t/h。按一(yī)個月(yuè)工作28天計(jì)算，那麽一(yī)個月需要(yào)供(gòng)應的蒸(zhēng)汽(qì)總量在(zài)200*24*28=134400t/月，按蒸汽價格160元/t計(jì)算，每月的收入(rù)爲2150.4萬元。
爲了簡(jiǎn)化計算，假設每個月(yuè)孔闆流量(liàng)計因(yīn)爲磨損(sǔn)而(ér)産生(shēng)的精度變化是線性(xìng)的，每(měi)月精度下降0.01%，那(nà)麽通過下表可(kě)以看出，第(dì)一年(nián)内損失的收益(yì)：

第二(èr)年(nián)的收入(rù)損失可能(néng)高達(dá)45萬多(duō)。
　　采用超聲(shēng)波流(liú)量(liàng)計(jì)的話，也許(xǔ)最初的購(gòu)置付費會高于(yú)孔闆(pǎn)流(liú)量(liàng)計，但是因爲(wèi)不存在(zài)孔闆(pǎn)的磨損造(zào)成的計量偏差(chà)，因爲增加的購(gòu)置成(chéng)本基本上(shàng)在1～2年(nián)就可以收(shōu)回。
　　以(yǐ)上(shàng)隻(zhī)是簡單的(de)計算了孔闆流量(liàng)計因爲(wèi)磨損造成的收益損(sǔn)失。其實，因(yīn)爲孔(kǒng)闆(pǎn)的量程(chéng)比很小(xiǎo)，隻(zhī)有1：3，所以在管(guǎn)線剛剛(gāng)啓動的時候，因爲流(liú)量太(tài)小，往(wǎng)往無(wú)法精(jīng)确計(jì)量。而(ér)當(dāng)用(yòng)戶蒸(zhēng)汽用(yòng)量(liàng)大的時候，又(yòu)會造成大(dà)流量無法(fǎ)計量(liàng)，由此帶來(lái)巨大(dà)的損失。
2.2因差壓式流量計較大(dà)的壓損而造成(chéng)的無(wú)形中的電(diàn)力的(de)浪費(fèi)
　　衆所(suǒ)周知(zhī)，差壓式流(liú)量計必定會造(zào)成永恒的(de)壓力(lì)損失。還(hái)是(shì)以上(shàng)面的孔闆(pǎn)流(liú)量(liàng)計爲例，口徑dn500，壓力2.0mpa，溫度:310℃，流(liú)量範圍：0-200t/h。此時蒸汽密(mì)度約爲8.28kg/m3，所以體(tǐ)積流量約爲0-24000m3/h。若(ruò)使用(yòng)差壓(yā)式流(liú)量計，可(kě)以讓廠(chǎng)家計(jì)算永(yǒng)久壓(yā)力損失，按照流(liú)速和(hé)節流元件(jiàn)的不同，壓(yā)力損(sǔn)失可以(yǐ)在5～40kpa不等(děng)。如按較小的10kpa壓(yā)損來計算，按最(zuì)大流量的(de)一半(bàn)流量時(shí)，能量損(sǔn)失在27.78kw。還(hái)是按每月28天計算，一年能耗的損失是(shì)22.4萬kwh。如果一度電(diàn)按0.5元計算，那麽(me)電費(fèi)約(yuē)需11萬元(yuán)。也就是(shì)說，如果更換成沒有壓(yā)損的超聲(shēng)波流量計(jì)，可(kě)以減少(shǎo)泵送(sòng)的能(néng)量，節省電(diàn)費11萬元。
2.3因差壓式流量計(jì)需要(yào)維護和更(gèng)換的後(hòu)續(xù)維護成本(běn)
　　從前(qián)面第(dì)一點可以(yǐ)看出，使(shǐ)用(yòng)2年(nián)後，孔闆(pǎn)的磨(mó)損會非常厲害(hài)，所(suǒ)以這就(jiù)是爲何差壓式(shì)流量(liàng)計都(dōu)建議(yì)2～3年更換一(yī)次。這(zhè)就意(yì)味着用戶(hù)需要重新(xīn)購買(mǎi)新的(de)節(jiē)流元件(jiàn)，重新标(biāo)定(dìng)，重新(xīn)安(ān)裝(zhuāng)。這裏面所(suǒ)涉及的(de)采購成(chéng)本，人員安裝成(chéng)本，停産(chǎn)的成本(běn)都是(shì)相當可觀(guān)的(de)。
3安裝維護
　　在蒸汽管道的安(ān)裝上(shàng)，因(yīn)爲蒸汽(qì)管道都需要包(bāo)裹保(bǎo)溫層(céng)，所以一般法蘭連接(jiē)或者(zhě)外夾式超(chāo)聲波的形(xíng)式不都不是(shì)太(tài)适合。法蘭連接的部(bù)分會造(zào)成保溫(wēn)層的(de)突起，施工不方便。而外夾(jiá)式超(chāo)聲波流量(liàng)計安(ān)裝(zhuāng)的(de)管道(dào)不能做保溫，會(huì)造成(chéng)巨大的(de)能(néng)量浪(làng)費。蒸(zhēng)汽流(liú)量計可以(yǐ)提供(gòng)焊接(jiē)式(shì)安裝，管(guǎn)材(cái)和焊接(jiē)内徑(jìng)也可以根據(jù)現(xiàn)場的(de)管道(dào)定制，保證匹(pǐ)配(pèi)性，如(rú)下圖(tú)所(suǒ)示。安裝完(wán)成後基本與(yǔ)管道一體(tǐ)化，方(fāng)便了保溫層的(de)鋪設。而(ér)且儀表本身(shēn)是(shì)免維護(hù)的，焊接在管道(dào)上也(yě)無需(xū)後(hòu)期維護。

4結(jié)論
　　綜上(shàng)所述，超聲波流量計相比傳統(tǒng)的機(jī)械式流量(liàng)計具有(yǒu)很多獨(dú)特的(de)優(yōu)點(diǎn)，無壓(yā)損、精(jīng)度高(gāo)、低維護量等，其适用(yòng)範(fàn)圍廣，一些高(gāo)溫高(gāo)壓的場合也可适用(yòng)，尤其(qí)對于大口徑流(liú)量的正(zhèng)确(què)測量(liàng)有(yǒu)其不可比拟(nǐ)的優勢，而(ér)且超(chāo)聲波(bō)流量計的(de)測量原(yuán)理和優點逐漸被(bèi)最終(zhōng)用戶(hù)所認可。除(chú)了測量(liàng)蒸汽(qì)之(zhī)外，超聲波(bō)流量(liàng)計也(yě)适合應用(yòng)于一些非(fēi)導電的介質的測量(liàng)，因此它會成我(wǒ)國工(gōng)業生産和計量領(lǐng)域(yù)的新标準(zhǔn)。

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