摘要：系統(tǒng)闡述了多種傳統(tǒng)流量計的測量原理，對比各個測量裝置的優(yōu)缺點，提出的超聲波流量計在高溫高壓大口徑管道中精確計量。從經(jīng)濟效益、精度偏差、安裝使用、節(jié)能減排、后期維護等多個方面詮釋超聲波流量計相比傳統(tǒng)的機械式流量計的獨特特點，以及在我國工業(yè)生產(chǎn)和計量領(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汽輪機進行發(fā)電。在食品行業(yè)中，可以使用蒸汽對管路進行消毒，確保食品安全衛(wèi)生無菌。在煉油行業(yè)，使用高壓蒸汽對油井或者氣田進行壓裂開采。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)和運輸過程中需要保持溫度，而蒸汽往往就是給管道進行伴熱和保溫的介質(zhì)。在管道的吹掃中，有時可以使用空氣，而有些場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所的取暖用介質(zhì)。
蒸汽負載著能量，所以準確的計量蒸汽意義重大。對于生產(chǎn)廠區(qū)的內(nèi)部計量，計量的精度可以起到節(jié)能減排的作用。對于貿(mào)易交接的場合，無論是蒸汽的生產(chǎn)方還是使用方，計量的精度直接關(guān)系到雙方的費用結(jié)算，一定需要一個可靠的計量方式，才能避免費用上的糾紛。傳統(tǒng)的蒸汽計量方式多采用差壓式流量計，差壓式流量計需要一個節(jié)流原件來實現(xiàn)壓力差，包括孔板流量計、文丘里、噴嘴等方式。隨著技術(shù)的發(fā)展，渦街流量計漸漸用于蒸汽測量。近幾年，采用時差法原理并且適用溫度較高的超聲波流量計也開始進入蒸汽測量的領(lǐng)域。下面簡單介紹一下這幾種測量方式的原理。
1.1差壓式儀表
流體在有節(jié)流裝置的管道中流動時，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，會被加速，流體的加速時期動能增加，按照能量守恒定律，在流體被加速處它的靜壓力會降低一個相應(yīng)的值，因此在節(jié)流原件兩側(cè)產(chǎn)生一個差壓，而這一差壓與流速的平方根成正比。其原理的計算公式如下：
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
自然界的很多現(xiàn)象都源于渦街原理，比如迎風(fēng)飄揚的旗幟，旗桿作為漩渦發(fā)生體,當(dāng)風(fēng)從旗桿一側(cè)吹來時，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。在渦街流量計中，正是采用了“卡門渦街原理”，測量管中有一個漩渦發(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
通過壓電晶體測得頻率之后，就可以算得流速值，再乘以流量計的截面積就可以知道流速。
1.3超聲波流量計
相比前兩種測量原理，超聲波時差法的原理則更加簡單易懂一些。與人們劃船或者游泳類似，超聲波在流動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。只要分別測量出超聲波順流和逆流的傳播時間，就可以依據(jù)下面的公式得到該路徑上瞬時流速。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:瞬時流速
L:兩個超聲波換能器之間的距離
TB?A:超聲波逆流而上的傳輸時間
TA?B:超聲波順流而下的傳輸時間
α:介質(zhì)流向與超聲波傳輸方向之間的夾角 |
超聲波流量計用于液體測量已經(jīng)有幾十年的歷史了，隨著技術(shù)的發(fā)展，超聲波流量計也逐漸開始應(yīng)用在氣體的領(lǐng)域，尤其高溫換能器的開發(fā)，使其可以用于蒸汽的領(lǐng)域。以高溫氣體超聲波流量計為例，選用高溫SS347材質(zhì)的換能器，溫度可以達到540度，耐壓可達10Mpa。Inconel合金材質(zhì)的換能器更可達到20Mpa的壓力等級，可選610度的高溫�？蛇m用于各種低壓/中壓/高壓蒸汽。
了解了各種原理之后，再來對比一下各個測量原理的優(yōu)缺點，此處對比參考超聲波流量計產(chǎn)品樣本（液體OPTISONIC3400,蒸汽OPTISONIC8300）。
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差壓式流量計 |
渦街流量計 |
超聲波流量計 |
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 |
測量精度(不確定度) |
孔板：1%
文丘里：1%，實流后可達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 |
維護量 |
節(jié)流元件高溫下容易
腐蝕，經(jīng)常需要維護、
標定、更換 |
維護量小于差壓式儀表 |
無需維護，沒有磨損與腐蝕 |
從上表的對比可以明顯看出，超聲波流量計有幾個很重要的優(yōu)點：
量程比寬：孔板的量程比只有1：3，在實際應(yīng)用過程中，如果最大和最小流量的范圍較寬，一臺孔板就無法適用，往往需要2～3臺孔板用于不同的量程范圍，而2～3臺表又會引入系統(tǒng)誤差，造成測量可靠性進一步下降。超聲波流量計超寬的量程比，從0.3～30m/s都可以保證精度，有時可測比30m/s更高。
長期穩(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越來越大，從而造成計量值偏小。如果實在貿(mào)易交接的場合，對于賣方來說，就會造成損失。而超聲波流量計因為沒有阻流部件，所以壓損幾乎為零，也不會磨損，所以長期穩(wěn)定性非常好。
口徑范圍大，最高溫度高：渦街流量計因為口徑限制，只能適用于小口徑、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，這時候選用超聲波流量計更加合適
2.
節(jié)能減排經(jīng)濟效益對比
以上從理論角度闡述了超聲波的優(yōu)點，下面通過一個實例的計算，來對比一下使用傳統(tǒng)差壓式流量計和新型超聲波流量計在經(jīng)濟效益上的差異。
主要可以從三方面來對比：
1.因磨損和腐蝕造成差壓式流量計的精度偏差，從而影響計費的準確性；
2.因差壓式流量計較大的壓損而造成的無形中的電力的浪費；
3.因差壓式流量計需要維護和更換的后續(xù)維護成本。
2.1首先，先看一下因磨損和腐蝕造成差壓式流量計的精度偏差，從而影響計費的準確
以最常見的孔板流量計為例，因為孔板的節(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)致測量值偏小。那么在蒸汽的貿(mào)易交接中，測量值偏小，就意味著蒸汽生產(chǎn)方的收入變少，嚴重的可能導(dǎo)致虧本經(jīng)營。那么下面來計算一下，因為孔板的計量偏差可以導(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。按一個月工作28天計算，那么一個月需要供應(yīng)的蒸汽總量在200*24*28=134400t/月，按蒸汽價格160元/t計算，每月的收入為2150.4萬元。
為了簡化計算，假設(shè)每個月孔板流量計因為磨損而產(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45萬多。
采用超聲波流量計的話，也許最初的購置付費會高于孔板流量計，但是因為不存在孔板的磨損造成的計量偏差，因為增加的購置成本基本上在1～2年就可以收回。
以上只是簡單的計算了孔板流量計因為磨損造成的收益損失。其實，因為孔板的量程比很小，只有1：3，所以在管線剛剛啟動的時候，因為流量太小，往往無法精確計量。而當(dāng)用戶蒸汽用量大的時候，又會造成大流量無法計量，由此帶來巨大的損失。
2.2因差壓式流量計較大的壓損而造成的無形中的電力的浪費
眾所周知，差壓式流量計必定會造成永恒的壓力損失。還是以上面的孔板流量計為例，口徑DN500，壓力2.0Mpa，溫度:310℃，流量范圍：0-200t/h。此時蒸汽密度約為8.28kg/m3，所以體積流量約為0-24000m3/h。若使用差壓式流量計，可以讓廠家計算永久壓力損失，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壓損來計算，按最大流量的一半流量時，能量損失在27.78kW。還是按每月28天計算，一年能耗的損失是22.4萬KWh。如果一度電按0.5元計算，那么電費約需11萬元。也就是說，如果更換成沒有壓損的超聲波流量計，可以減少泵送的能量，節(jié)省電費11萬元。
2.3因差壓式流量計需要維護和更換的后續(xù)維護成本
從前面第一點可以看出，使用2年后，孔板的磨損會非常厲害，所以這就是為何差壓式流量計都建議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
在蒸汽管道的安裝上，因為蒸汽管道都需要包裹保溫層，所以一般法蘭連接或者外夾式超聲波的形式不都不是太適合。法蘭連接的部分會造成保溫層的突起，施工不方便。而外夾式超聲波流量計安裝的管道不能做保溫，會造成巨大的能量浪費。蒸汽流量計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的，焊接在管道上也無需后期維護。
4結(jié)論
綜上所述，超聲波流量計相比傳統(tǒng)的機械式流量計具有很多獨特的優(yōu)點，無壓損、精度高、低維護量等，其適用范圍廣，一些高溫高壓的場合也可適用，尤其對于大口徑流量的正確測量有其不可比擬的優(yōu)勢，而且超聲波流量計的測量原理和優(yōu)點逐漸被最終用戶所認可。除了測量蒸汽之外，超聲波流量計也適合應(yīng)用于一些非導(dǎo)電的介質(zhì)的測量，因此它會成我國工業(yè)生產(chǎn)和計量領(lǐng)域的新標準。
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