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  超聲波流量計(jì)與孔板流量計(jì)的比較
超聲波流量計(jì)與孔板流量計(jì)的比較
發(fā)布時(shí)間:2019/11/29 7:54:59

孔板流量計(jì)的使用要求 
孔板流量計(jì)(流量與差壓的平方成正比)的使用條件、使用范圍和對(duì)管道的要求: 
(1) 流體:應(yīng)是單相、均質(zhì)的牛頓流體,在通過節(jié)流裝置時(shí)不發(fā)生相變和析出雜質(zhì),在節(jié)流裝置中不得有任何形式的物質(zhì)黏附或聚集。 
(2) 管道:僅適用于圓管,管徑大小有一定限制,上下游有很長的直管段,而且節(jié)流件上游10D、下游4D直管段的內(nèi)表面粗糙度、圓度要嚴(yán)格符合具體規(guī)定。 
(3) 流態(tài):流動(dòng)應(yīng)是連續(xù)、穩(wěn)定的,不是脈動(dòng)流;在受到節(jié)流元件影響前已形成典型的、充分發(fā)展的流速分布(紊流速度分布),流線與管軸線平行,不得為旋轉(zhuǎn)流。 
2 技術(shù)性能的比較

表1 超聲波流量計(jì)孔板流量計(jì)技術(shù)性能的比較 

技術(shù)性能

孔板流量計(jì)

超聲波流量計(jì)

量程比

13-10

1:40-200

壓損

很大

精度

理論上1%;現(xiàn)場(chǎng)一般2%

一般0.5%

測(cè)脈動(dòng)流

不合適

適合

測(cè)雙向流

不可以

可以

測(cè)濕氣體

不可以

可以

清洗管路

不可以

可以

渦流影響

敏感

不敏感

流速分布影響

敏感

不敏感

重復(fù)性

工藝管路復(fù)雜程度

維修維護(hù)率

一次性投資

安全性

2.1 量程比 
由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn),孔板流量計(jì)是通過節(jié)流元件來完成測(cè)量的,所以其量程比通常只有1:3,最高可達(dá)1:10,而超聲波流量計(jì)沒有任何阻流件,其量程比可達(dá)1 :200。 
這兩個(gè)數(shù)據(jù)表明:如果實(shí)現(xiàn)一種測(cè)量方案,假定其流量范圍是從1m3/h ~ 40m3/h, 使用超聲波流量計(jì)只需要一路工藝計(jì)量回路就可以實(shí)現(xiàn),如果采用孔板流量計(jì),需要多路才能實(shí)現(xiàn)。 
2.2 壓損 
由于孔板流量計(jì)的結(jié)構(gòu)有阻流件,超聲波流量計(jì)沒有阻流件,那么顯而易見:孔板流量計(jì)的壓損很大,超聲波流量計(jì)壓損實(shí)際可以忽略不計(jì)。節(jié)流裝置能耗計(jì)算如下: 
以下以1 個(gè)典型用戶用氣參數(shù)進(jìn)行能耗計(jì)算:用氣量160× 104m3/d,用氣壓力0.6MPa。 
節(jié)流裝置壓力損失計(jì)算式:(最大刻度差壓50kPa、β =0.68) 
δP=(1-0.24 β -0.52 β2-0.16 β3)Δ P 
=0.5486×50 
=27.43kPa 
節(jié)流裝置能耗計(jì)算式:(壓縮機(jī)效率η =0 .8 ) 
W= δ p ×QV/ η 
= 27430×18.5185/0.8 
=634953W 
2.3 精度 
孔板流量計(jì)的計(jì)量精度理論上可以達(dá)到1%,但是通過大量的實(shí)踐證明,由于孔板流量計(jì)抗干擾能力較差,現(xiàn)場(chǎng)精度最高能達(dá)到2%,一般情況下在3% 左右。超聲波流量計(jì)的精度則可以達(dá)到0.5% 甚至更高。 
2.4 測(cè)脈動(dòng)流 
由于孔板流量計(jì)是靠孔板前后的差壓信號(hào)來實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量的,脈動(dòng)流會(huì)使孔板前后的差壓不準(zhǔn), 所以孔板流量計(jì)不適合測(cè)脈動(dòng)流, 而超聲波流量計(jì)可以測(cè)量脈動(dòng)流的強(qiáng)度并消除其干擾,所以它適合測(cè)脈動(dòng)流。 
2.5 測(cè)雙向流 
孔板流量計(jì)依據(jù)一個(gè)節(jié)流元件來實(shí)現(xiàn)測(cè)量目的, 這個(gè)節(jié)流元件具有嚴(yán)格的方向性,因此孔板流量計(jì)無法測(cè)雙向流。超聲波流量計(jì)只與超聲信號(hào)在流體中的傳播時(shí)間有關(guān),因此可以測(cè)雙向流。 
2.6 測(cè)濕氣體 
孔板流量計(jì)不適合測(cè)量濕氣體;若被測(cè)氣體為濕氣體,那么在孔板流量計(jì)的前端容易積液,使得上下游差壓產(chǎn)生變化,而孔板流量計(jì)正是根據(jù)上下游的壓差來測(cè)量流量的,如果差壓產(chǎn)生變化,則孔板流量計(jì)不可能準(zhǔn)確測(cè)量氣體的流量。超聲波流量計(jì)具有自檢測(cè)功能,如果所測(cè)量氣體為濕氣體,對(duì)超聲波流量計(jì)產(chǎn)生影響時(shí),儀表本身可以修正,因此超聲波流量計(jì)適用于濕氣體的測(cè)量(濕氣體體積組分含量低于5%)。 
2.7 清洗計(jì)量管路 
孔板流量計(jì)本身有阻流件, 清洗球無法通過,因此孔板流量計(jì)安裝在管線上時(shí)無法在線清洗計(jì)量管路,只有拆除孔板流量計(jì)才能清洗管路。而對(duì)超聲波流量計(jì)來說,不存在這樣的問題。 
2.8 渦流影響 
孔板流量計(jì)采用差壓法測(cè)量氣體的流量,渦流直接影響孔板兩端的差壓, 因此孔板流量計(jì)對(duì)渦流很敏感, 要求有很長的直管段才能滿足測(cè)量精度的要求。 新的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 5167已經(jīng)對(duì)孔板流量計(jì)上游直管段的長度作了更高的規(guī)定:孔板流量計(jì)上游直管段至少要有44D,若孔板流量計(jì)上游有匯管存在,則上游直管段的長度至少要有145D。(詳見《國際流量計(jì)量學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)及發(fā)展趨勢(shì)》(《中國計(jì)量》2002 年)或ISO 5167-2)。英國烴源公司下屬的南莫克姆天然氣計(jì)量站改造時(shí), 請(qǐng)英國國家工程實(shí)驗(yàn)室(NEL)做了詳細(xì)的流體動(dòng)力學(xué)分析, NEL經(jīng)過大量試驗(yàn)得出結(jié)論:原ISO5167規(guī)定的上游18D直管段確實(shí)無法滿足對(duì)計(jì)量精度的要求,修改后的ISO5167-2對(duì)直管段的長度規(guī)定是必須的。 
而大多多聲道的超聲波流量計(jì)本身具有對(duì)渦流強(qiáng)度的分析能力,可以消除渦流對(duì)流量測(cè)量的影響,對(duì)渦流不敏感。 
2.9 流速分布的影響 
孔板流量計(jì)由于結(jié)構(gòu)原理的限制,要求測(cè)量時(shí)流速分布均勻,但是由于現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量管路的復(fù)雜性,氣體在管路的流速分布是不可能均勻?qū)ΨQ的,因此孔板流量計(jì)對(duì)流速分布不對(duì)稱非常敏感。 
超聲波流量計(jì)可以修正流速分布不對(duì)稱的現(xiàn)象。 
2.10 重復(fù)性 
對(duì)于孔板流量計(jì)而言,隨著使用過程中孔板邊緣的磨損,孔板流量計(jì)的精度和重復(fù)性都會(huì)下降,而超聲波流量計(jì)無壓損、無示值漂移現(xiàn)象,重復(fù)性高。 
2.11 工藝管路復(fù)雜性比較 
對(duì)于孔板流量計(jì),由于量程比窄,計(jì)量管路多,而且上、下游直管段長,現(xiàn)場(chǎng)工藝管路復(fù)雜。 
超聲波流量計(jì)量程比寬,上、下游直管段短,工藝管路簡(jiǎn)單。 
2.12 維修維護(hù)率比較 
孔板流量計(jì)有阻流件,上游易積液、對(duì)高含硫的天然氣,其孔板磨損快,維修維護(hù)率高。 
超聲波流量計(jì)無可動(dòng)部件,特殊材料的超聲探頭可以抗H2S 的腐蝕,維護(hù)簡(jiǎn)單。 
2.13 一次性投資比較 
孔板流量計(jì)由于量程比窄,對(duì)于相同的流量計(jì)量要求,其計(jì)量管路多,雖然直接的計(jì)量?jī)x表投資少,但是相關(guān)的閥門、溫度變送器、壓力變送器、直管段、匯管等一次性投資多。 
超聲波流量計(jì)單表價(jià)格高于孔板流量計(jì),但是由于量程比寬,整個(gè)計(jì)量回路少,實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)一次性投資少。 
3 現(xiàn)場(chǎng)安裝使用的比較(見表2)

表2 現(xiàn)場(chǎng)安裝使用比較 

 

孔板流量計(jì)

超聲流量計(jì)

直管段要求

要求直管段長度44D以上

10D,后5D

安裝影響

對(duì)同心度要求嚴(yán)格,安裝復(fù)雜

要求不高,法蘭連接,安裝簡(jiǎn)單

使用條件

使用條件必須符合設(shè)計(jì)條件

可過載145%,適應(yīng)性強(qiáng)

(1) 直管段的長度 
孔板流量計(jì)上有直管段至少要有44D,若孔板流量計(jì)上游有匯管存在,則上游直管段的長度至少要有145D。(詳見《國際流量計(jì)量學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)及發(fā)展趨勢(shì)》(《中國計(jì)量》2002 年)或ISO 5167-2)。 
超聲波流量計(jì)上、下游直管段要求為10D、5D(《用氣體超聲波流量計(jì)測(cè)量天然氣的流量》— 國標(biāo)GB/T 18604-2001)。 
(2) 安裝的影響 
對(duì)于孔板流量計(jì),安裝條件直接影響其計(jì)量精度,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝的同心度要求很高。 
(3) 使用條件 
由于孔板流量計(jì)的原理決定其現(xiàn)場(chǎng)使用條件必須與設(shè)計(jì)條件相符,壓力、流量的適應(yīng)性差。 
超聲波流量計(jì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的適應(yīng)性極強(qiáng),對(duì)壓力、流量的波動(dòng)不敏感,有較強(qiáng)的過載能力。 
4 長期使用的比較 
(1) 精度變化 
孔板流量計(jì)由于長期使用,孔板入口邊緣磨損,孔板彎曲變形,都會(huì)使精度喪失。 
超聲波流量計(jì)由于無磨損、無示值漂移現(xiàn)象,可以長期保持較高的精度。 
(2) 臟污的影響 
由于孔板流量計(jì)由節(jié)流件,長期使用時(shí),臟污物將堆積在孔板的上游,造成差壓信號(hào)不準(zhǔn),直接影響計(jì)量精度。臟污和孔板鈍化可造成計(jì)量偏差2~10% 以上。 
超聲波流量計(jì)為中空管段,探頭在儀表上部,臟污不易影響探頭工作,不會(huì)影響計(jì)量精度,而且流量計(jì)可以檢測(cè)臟污情況并修正和報(bào)警提示、及時(shí)進(jìn)行清洗。 
(3) 故障排除 
由于孔板流量計(jì)的儀表特性取決于節(jié)流件的幾何形狀和尺寸,需要經(jīng)常檢查節(jié)流件,一旦節(jié)流件發(fā)生變化就必須更換,節(jié)流件的壽命取決于氣體的組分、流量及壓力。 
超聲波流量計(jì)本身具有很強(qiáng)的自診斷功能,一旦不在正常狀況就會(huì)報(bào)警,并自動(dòng)記錄報(bào)警期間的數(shù)據(jù),超聲探頭的使用壽命至少為8年,并可在線更換。 
(4) 備品備件 
孔板流量計(jì)由于節(jié)流件經(jīng)常磨損、變形,因此需要備多套節(jié)流件;超聲波流量計(jì)只需要備一套探頭,可替換使用。 
(5) 日常維護(hù) 
孔板流量計(jì)需要經(jīng)常維護(hù),并檢查節(jié)流件的幾何尺寸等參數(shù)。在線更換孔板后很難保證不泄漏,使壓差不準(zhǔn),難以保證計(jì)量精度。超聲波流量計(jì)則可免維護(hù),自檢功能強(qiáng)大。 
(6) 強(qiáng)檢周期 
孔板流量計(jì)一年一檢,一般采用幾何檢定法。超聲波流量計(jì)3年一檢,可以實(shí)現(xiàn)在線標(biāo)定。 
5 經(jīng)濟(jì)性的比較 
5.1 一次性投資 
由于氣體超聲波流量計(jì)有量程比寬的特點(diǎn),相對(duì)于孔板流量計(jì)可以簡(jiǎn)化工藝管路, 相關(guān)的調(diào)壓設(shè)備、閥門、變送器等都相應(yīng)減少,大大節(jié)省了投資。 
另外,由于超聲波流量計(jì)要求的前后直管段短,因此大大減少了占地面積。

 
圖1 孔板流量計(jì)與超聲波流量計(jì)占空(占地)及費(fèi)用比較

如圖1 所示,若孔板流量計(jì)的直管段按44D 計(jì)算,要完成Q=48000m3/h , T= 40°C,Pmin=30Bar 這樣條件的測(cè)量任務(wù),孔板流量計(jì)需要四路24 英寸的工藝管線,8 個(gè)閥門,占地面積為333 平米,而使用超聲波流量計(jì)只需要2 路30 英寸的工藝管線,4 個(gè)閥門,占地面積為94 平米。英國烴源有限公司(HRL )下屬的南莫克姆(S o u t h Morecambe)日輸氣量高達(dá)5000 萬N m3/h,該站采用6 路孔板流量計(jì)最初1985 年投運(yùn),1998改造時(shí)用3路超聲替代孔板,實(shí)踐證明無論從計(jì)量精度、維護(hù)費(fèi)用還是日常操作上,超聲波流量計(jì)比孔板流量計(jì)都有很大優(yōu)勢(shì)。 
5.2 長期運(yùn)行費(fèi)用 
由于流量計(jì)長期運(yùn)行時(shí),有以下幾方面的費(fèi)用:設(shè)備維護(hù)費(fèi),標(biāo)定費(fèi)用,更換部件費(fèi)用以及操作人員人工費(fèi)用等。 
(1) 設(shè)備維護(hù)費(fèi) 
由于超聲波流量計(jì)為免維護(hù)儀表,而孔板流量計(jì)需要經(jīng)常維護(hù),因此后者的維護(hù)費(fèi)用大大高于前者。 
(2) 標(biāo)定費(fèi)用 
孔板流量計(jì)僅為標(biāo)定差壓變送器就花費(fèi)很大的人力物力,再加上孔板流量計(jì)需要配密度計(jì), 每年一次標(biāo)密度計(jì)也要增加標(biāo)定費(fèi)用。此外,孔板流量計(jì)雖然可以采用幾何檢定的干標(biāo)模式進(jìn)行檢定,但是檢定完重新安裝回去時(shí)很難保證同心度。 
(3) 孔板流量計(jì)需要經(jīng)常更換節(jié)流件,成本因而增加;超聲波流量計(jì)無需更換部件,探頭可以帶壓更換并清洗,其它部件基本不用更換。 
(4) 由于孔板流量計(jì)壓損很大,增加了壓縮機(jī)的負(fù)荷,經(jīng)多年實(shí)踐證明,運(yùn)行費(fèi)用隨壓損的增加而上升。 
(5) 操作人員人工費(fèi)孔板流量計(jì)需要維護(hù)、切換等操作,人工費(fèi)用很多,而超聲波流量計(jì)無人值守,基本不需要維護(hù),因此用于超聲波流量計(jì)運(yùn)行維護(hù)的費(fèi)用將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于孔板流量計(jì)。 
6 超聲波流量計(jì)在石油化工計(jì)量中的應(yīng)用 
6.1 時(shí)差法超聲波流量計(jì)測(cè)量成品油 
超聲流量計(jì)是一種推導(dǎo)式流量計(jì),它的基本原理如圖2所示。高頻聲脈沖從上游換能器A傳送到下游換能器B的時(shí)間為 
T1=L/(C+Vcosθ) 
而從下游換能器B傳送到上游接收換能器A的時(shí)間為 
T2=L/(C-Vcosθ) 
式中,L—聲道距離;C—液體中的聲速;θ—聲道和管道軸向的夾角;V—管道中的平均軸向流速。 
由上式可以推導(dǎo)出 
V=(L/2cosθ)*[(T2-T1)/(T1*T2)]

 
圖2 時(shí)差法超聲波流量計(jì)基本原理圖

這種測(cè)量方法從理論上講,只能測(cè)得在聲道上的流體速度。我們希望得到管道被測(cè)截面的平均流速,但在實(shí)際管道運(yùn)行中總會(huì)存在有匯管、大小變徑管、三通和彎頭等,實(shí)際運(yùn)行中不可避免的會(huì)產(chǎn)生在被測(cè)截面上的不對(duì)稱流、橫向流和旋渦流,這將大大降低平均流速的測(cè)量準(zhǔn)確度。智能化的超聲波流量計(jì)采用多聲道測(cè)量,并通過智能檢定軟件的診斷和報(bào)警功能監(jiān)測(cè)流量計(jì)運(yùn)行狀態(tài);調(diào)節(jié)各聲道的自動(dòng)增益;測(cè)量各聲道的流速分布及每一個(gè)聲道的聲速計(jì)算,以便校正橫向流、旋渦流和不對(duì)稱流;當(dāng)被測(cè)液體密度、粘度變化時(shí),可以通過測(cè)量聲速反推出不同油品的密度、粘度,這樣就可以用超聲波流量計(jì)代替密度計(jì),解決處理混油段技術(shù)。 
6.2 標(biāo)準(zhǔn)體積管實(shí)流標(biāo)定超聲波流量技術(shù) 
雙向標(biāo)準(zhǔn)體積管是一種標(biāo)準(zhǔn)容積式機(jī)械設(shè)備,在U型標(biāo)準(zhǔn)管段進(jìn)出口上裝有兩個(gè)(或四個(gè))檢測(cè)開關(guān),一個(gè)排液球或者活塞。當(dāng)觸動(dòng)第一個(gè)檢測(cè)開關(guān)時(shí),排液球進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)段,當(dāng)這個(gè)球觸動(dòng)U型管另一端第二個(gè)檢測(cè)開關(guān)時(shí),排液球離開標(biāo)準(zhǔn)段。 
超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理決定了脈沖和真實(shí)流速(流量)有一個(gè)固定延時(shí)。而管道中的流體擾動(dòng)是很復(fù)雜的,它包括多次擾動(dòng)渦流和非軸向速度成分,超聲波流量計(jì)沿著一個(gè)或多個(gè)采樣聲道,通過超聲波發(fā)射器和接收器上的正反向時(shí)差,檢測(cè)并推導(dǎo)計(jì)算出流體流速。上述原因,檢定一臺(tái)超聲波流量計(jì)性能是否穩(wěn)定,應(yīng)該有如下特點(diǎn)需要設(shè)計(jì)工程師注意: 
(1)為了使被檢測(cè)超聲波流量計(jì)儀表系數(shù)的不準(zhǔn)確度控制在±0.027%,建議設(shè)計(jì)工程師在計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮超聲波流量計(jì)的公稱通徑和標(biāo)定運(yùn)行次數(shù)來選擇雙向標(biāo)準(zhǔn)體積管的標(biāo)準(zhǔn)容積其關(guān)系如表3所示: 

雙向體積管標(biāo)準(zhǔn)容積和流量計(jì)公稱通徑

超聲波流量計(jì)的公稱通徑(mm)

雙向體積管標(biāo)準(zhǔn)容積(L)

當(dāng)標(biāo)定5次重復(fù)性為0.05%時(shí)

當(dāng)標(biāo)定8次重復(fù)性為0.09%時(shí)

當(dāng)標(biāo)定10次重復(fù)性為0.12%時(shí)

DN400(16``)

82832.227

38315.867

25119.946

DN350(14``)

63435.813

29253.608

19237.427

DN300(12``)

46583.161

21463.245

14149.843

DN250(10``)

32274.361

14944.778

9857.194

DN200(8``)

20668.310

9539.220

6359.480

DN150(6``)

11606.051

5405.558

3497.714

DN100(4``)

5246.571

2384.805

1589.870


(2) 在每次的標(biāo)定過程中,排液球在觸發(fā)第一個(gè)檢測(cè)開關(guān)之前,開始記錄被檢超聲波流量計(jì)發(fā)出的脈沖信號(hào),應(yīng)該保持介質(zhì)流速穩(wěn)定在被檢超聲波流量計(jì)的這個(gè)流量點(diǎn)上,否則有可能造成超聲波流量計(jì)較差的重復(fù)性或者流量計(jì)增益的系統(tǒng)誤差。 
(3) 換向四通閥在換向介質(zhì)進(jìn)入U(xiǎn)型管段時(shí)應(yīng)該處于流量和壓力穩(wěn)定狀態(tài)下。如果驅(qū)動(dòng)排液球進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)體積管檢測(cè)開關(guān)時(shí),排液球觸發(fā)檢測(cè)開關(guān)之前直接產(chǎn)生擾動(dòng)流。這將大大降低超聲波流量計(jì)的儀表系數(shù)和重復(fù)性。 
綜上所述,使用氣體超聲波流量計(jì)比使用孔板流量計(jì)無論從安全性能、技術(shù)性能還是從一次性投資以及長期運(yùn)行費(fèi)用上都有很大的優(yōu)勢(shì)。由于說明問題的需要,本文中計(jì)算和實(shí)例均選用較大用氣量進(jìn)行比較,實(shí)際通過比較計(jì)算一般DN200口徑以上流量計(jì)選用氣體超聲波流量計(jì)具有較大優(yōu)勢(shì),DN150特別是以下流量計(jì)的選取由于氣體超聲波流量計(jì)本身價(jià)格因素使用孔板流量計(jì)更為經(jīng)濟(jì),但從保證計(jì)量精度出發(fā)也推薦選用更精確的計(jì)量儀表。

 

 

 

 

孔板流量計(jì)的使用要求 
孔板流量計(jì)(流量與差壓的平方成正比)的使用條件、使用范圍和對(duì)管道的要求: 
(1) 流體:應(yīng)是單相、均質(zhì)的牛頓流體,在通過節(jié)流裝置時(shí)不發(fā)生相變和析出雜質(zhì),在節(jié)流裝置中不得有任何形式的物質(zhì)黏附或聚集。 
(2) 管道:僅適用于圓管,管徑大小有一定限制,上下游有很長的直管段,而且節(jié)流件上游10D、下游4D直管段的內(nèi)表面粗糙度、圓度要嚴(yán)格符合具體規(guī)定。 
(3) 流態(tài):流動(dòng)應(yīng)是連續(xù)、穩(wěn)定的,不是脈動(dòng)流;在受到節(jié)流元件影響前已形成典型的、充分發(fā)展的流速分布(紊流速度分布),流線與管軸線平行,不得為旋轉(zhuǎn)流。 
2 技術(shù)性能的比較

表1 超聲波流量計(jì)孔板流量計(jì)技術(shù)性能的比較 

技術(shù)性能

孔板流量計(jì)

超聲波流量計(jì)

量程比

13-10

1:40-200

壓損

很大

精度

理論上1%;現(xiàn)場(chǎng)一般2%

一般0.5%

測(cè)脈動(dòng)流

不合適

適合

測(cè)雙向流

不可以

可以

測(cè)濕氣體

不可以

可以

清洗管路

不可以

可以

渦流影響

敏感

不敏感

流速分布影響

敏感

不敏感

重復(fù)性

工藝管路復(fù)雜程度

維修維護(hù)率

一次性投資

安全性

2.1 量程比 
由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn),孔板流量計(jì)是通過節(jié)流元件來完成測(cè)量的,所以其量程比通常只有1:3,最高可達(dá)1:10,而超聲波流量計(jì)沒有任何阻流件,其量程比可達(dá)1 :200。 
這兩個(gè)數(shù)據(jù)表明:如果實(shí)現(xiàn)一種測(cè)量方案,假定其流量范圍是從1m3/h ~ 40m3/h, 使用超聲波流量計(jì)只需要一路工藝計(jì)量回路就可以實(shí)現(xiàn),如果采用孔板流量計(jì),需要多路才能實(shí)現(xiàn)。 
2.2 壓損 
由于孔板流量計(jì)的結(jié)構(gòu)有阻流件,超聲波流量計(jì)沒有阻流件,那么顯而易見:孔板流量計(jì)的壓損很大,超聲波流量計(jì)壓損實(shí)際可以忽略不計(jì)。節(jié)流裝置能耗計(jì)算如下: 
以下以1 個(gè)典型用戶用氣參數(shù)進(jìn)行能耗計(jì)算:用氣量160× 104m3/d,用氣壓力0.6MPa。 
節(jié)流裝置壓力損失計(jì)算式:(最大刻度差壓50kPa、β =0.68) 
δP=(1-0.24 β -0.52 β2-0.16 β3)Δ P 
=0.5486×50 
=27.43kPa 
節(jié)流裝置能耗計(jì)算式:(壓縮機(jī)效率η =0 .8 ) 
W= δ p ×QV/ η 
= 27430×18.5185/0.8 
=634953W 
2.3 精度 
孔板流量計(jì)的計(jì)量精度理論上可以達(dá)到1%,但是通過大量的實(shí)踐證明,由于孔板流量計(jì)抗干擾能力較差,現(xiàn)場(chǎng)精度最高能達(dá)到2%,一般情況下在3% 左右。超聲波流量計(jì)的精度則可以達(dá)到0.5% 甚至更高。 
2.4 測(cè)脈動(dòng)流 
由于孔板流量計(jì)是靠孔板前后的差壓信號(hào)來實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量的,脈動(dòng)流會(huì)使孔板前后的差壓不準(zhǔn), 所以孔板流量計(jì)不適合測(cè)脈動(dòng)流, 而超聲波流量計(jì)可以測(cè)量脈動(dòng)流的強(qiáng)度并消除其干擾,所以它適合測(cè)脈動(dòng)流。 
2.5 測(cè)雙向流 
孔板流量計(jì)依據(jù)一個(gè)節(jié)流元件來實(shí)現(xiàn)測(cè)量目的, 這個(gè)節(jié)流元件具有嚴(yán)格的方向性,因此孔板流量計(jì)無法測(cè)雙向流。超聲波流量計(jì)只與超聲信號(hào)在流體中的傳播時(shí)間有關(guān),因此可以測(cè)雙向流。 
2.6 測(cè)濕氣體 
孔板流量計(jì)不適合測(cè)量濕氣體;若被測(cè)氣體為濕氣體,那么在孔板流量計(jì)的前端容易積液,使得上下游差壓產(chǎn)生變化,而孔板流量計(jì)正是根據(jù)上下游的壓差來測(cè)量流量的,如果差壓產(chǎn)生變化,則孔板流量計(jì)不可能準(zhǔn)確測(cè)量氣體的流量。超聲波流量計(jì)具有自檢測(cè)功能,如果所測(cè)量氣體為濕氣體,對(duì)超聲波流量計(jì)產(chǎn)生影響時(shí),儀表本身可以修正,因此超聲波流量計(jì)適用于濕氣體的測(cè)量(濕氣體體積組分含量低于5%)。 
2.7 清洗計(jì)量管路 
孔板流量計(jì)本身有阻流件, 清洗球無法通過,因此孔板流量計(jì)安裝在管線上時(shí)無法在線清洗計(jì)量管路,只有拆除孔板流量計(jì)才能清洗管路。而對(duì)超聲波流量計(jì)來說,不存在這樣的問題。 
2.8 渦流影響 
孔板流量計(jì)采用差壓法測(cè)量氣體的流量,渦流直接影響孔板兩端的差壓, 因此孔板流量計(jì)對(duì)渦流很敏感, 要求有很長的直管段才能滿足測(cè)量精度的要求。 新的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 5167已經(jīng)對(duì)孔板流量計(jì)上游直管段的長度作了更高的規(guī)定:孔板流量計(jì)上游直管段至少要有44D,若孔板流量計(jì)上游有匯管存在,則上游直管段的長度至少要有145D。(詳見《國際流量計(jì)量學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)及發(fā)展趨勢(shì)》(《中國計(jì)量》2002 年)或ISO 5167-2)。英國烴源公司下屬的南莫克姆天然氣計(jì)量站改造時(shí), 請(qǐng)英國國家工程實(shí)驗(yàn)室(NEL)做了詳細(xì)的流體動(dòng)力學(xué)分析, NEL經(jīng)過大量試驗(yàn)得出結(jié)論:原ISO5167規(guī)定的上游18D直管段確實(shí)無法滿足對(duì)計(jì)量精度的要求,修改后的ISO5167-2對(duì)直管段的長度規(guī)定是必須的。 
而大多多聲道的超聲波流量計(jì)本身具有對(duì)渦流強(qiáng)度的分析能力,可以消除渦流對(duì)流量測(cè)量的影響,對(duì)渦流不敏感。 
2.9 流速分布的影響 
孔板流量計(jì)由于結(jié)構(gòu)原理的限制,要求測(cè)量時(shí)流速分布均勻,但是由于現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量管路的復(fù)雜性,氣體在管路的流速分布是不可能均勻?qū)ΨQ的,因此孔板流量計(jì)對(duì)流速分布不對(duì)稱非常敏感。 
超聲波流量計(jì)可以修正流速分布不對(duì)稱的現(xiàn)象。 
2.10 重復(fù)性 
對(duì)于孔板流量計(jì)而言,隨著使用過程中孔板邊緣的磨損,孔板流量計(jì)的精度和重復(fù)性都會(huì)下降,而超聲波流量計(jì)無壓損、無示值漂移現(xiàn)象,重復(fù)性高。 
2.11 工藝管路復(fù)雜性比較 
對(duì)于孔板流量計(jì),由于量程比窄,計(jì)量管路多,而且上、下游直管段長,現(xiàn)場(chǎng)工藝管路復(fù)雜。 
超聲波流量計(jì)量程比寬,上、下游直管段短,工藝管路簡(jiǎn)單。 
2.12 維修維護(hù)率比較 
孔板流量計(jì)有阻流件,上游易積液、對(duì)高含硫的天然氣,其孔板磨損快,維修維護(hù)率高。 
超聲波流量計(jì)無可動(dòng)部件,特殊材料的超聲探頭可以抗H2S 的腐蝕,維護(hù)簡(jiǎn)單。 
2.13 一次性投資比較 
孔板流量計(jì)由于量程比窄,對(duì)于相同的流量計(jì)量要求,其計(jì)量管路多,雖然直接的計(jì)量?jī)x表投資少,但是相關(guān)的閥門、溫度變送器、壓力變送器、直管段、匯管等一次性投資多。 
超聲波流量計(jì)單表價(jià)格高于孔板流量計(jì),但是由于量程比寬,整個(gè)計(jì)量回路少,實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)一次性投資少。 
3 現(xiàn)場(chǎng)安裝使用的比較(見表2)

表2 現(xiàn)場(chǎng)安裝使用比較 

 

孔板流量計(jì)

超聲流量計(jì)

直管段要求

要求直管段長度44D以上

10D,后5D

安裝影響

對(duì)同心度要求嚴(yán)格,安裝復(fù)雜

要求不高,法蘭連接,安裝簡(jiǎn)單

使用條件

使用條件必須符合設(shè)計(jì)條件

可過載145%,適應(yīng)性強(qiáng)

(1) 直管段的長度 
孔板流量計(jì)上有直管段至少要有44D,若孔板流量計(jì)上游有匯管存在,則上游直管段的長度至少要有145D。(詳見《國際流量計(jì)量學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)及發(fā)展趨勢(shì)》(《中國計(jì)量》2002 年)或ISO 5167-2)。 
超聲波流量計(jì)上、下游直管段要求為10D、5D(《用氣體超聲波流量計(jì)測(cè)量天然氣的流量》— 國標(biāo)GB/T 18604-2001)。 
(2) 安裝的影響 
對(duì)于孔板流量計(jì),安裝條件直接影響其計(jì)量精度,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝的同心度要求很高。 
(3) 使用條件 
由于孔板流量計(jì)的原理決定其現(xiàn)場(chǎng)使用條件必須與設(shè)計(jì)條件相符,壓力、流量的適應(yīng)性差。 
超聲波流量計(jì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的適應(yīng)性極強(qiáng),對(duì)壓力、流量的波動(dòng)不敏感,有較強(qiáng)的過載能力。 
4 長期使用的比較 
(1) 精度變化 
孔板流量計(jì)由于長期使用,孔板入口邊緣磨損,孔板彎曲變形,都會(huì)使精度喪失。 
超聲波流量計(jì)由于無磨損、無示值漂移現(xiàn)象,可以長期保持較高的精度。 
(2) 臟污的影響 
由于孔板流量計(jì)由節(jié)流件,長期使用時(shí),臟污物將堆積在孔板的上游,造成差壓信號(hào)不準(zhǔn),直接影響計(jì)量精度。臟污和孔板鈍化可造成計(jì)量偏差2~10% 以上。 
超聲波流量計(jì)為中空管段,探頭在儀表上部,臟污不易影響探頭工作,不會(huì)影響計(jì)量精度,而且流量計(jì)可以檢測(cè)臟污情況并修正和報(bào)警提示、及時(shí)進(jìn)行清洗。 
(3) 故障排除 
由于孔板流量計(jì)的儀表特性取決于節(jié)流件的幾何形狀和尺寸,需要經(jīng)常檢查節(jié)流件,一旦節(jié)流件發(fā)生變化就必須更換,節(jié)流件的壽命取決于氣體的組分、流量及壓力。 
超聲波流量計(jì)本身具有很強(qiáng)的自診斷功能,一旦不在正常狀況就會(huì)報(bào)警,并自動(dòng)記錄報(bào)警期間的數(shù)據(jù),超聲探頭的使用壽命至少為8年,并可在線更換。 
(4) 備品備件 
孔板流量計(jì)由于節(jié)流件經(jīng)常磨損、變形,因此需要備多套節(jié)流件;超聲波流量計(jì)只需要備一套探頭,可替換使用。 
(5) 日常維護(hù) 
孔板流量計(jì)需要經(jīng)常維護(hù),并檢查節(jié)流件的幾何尺寸等參數(shù)。在線更換孔板后很難保證不泄漏,使壓差不準(zhǔn),難以保證計(jì)量精度。超聲波流量計(jì)則可免維護(hù),自檢功能強(qiáng)大。 
(6) 強(qiáng)檢周期 
孔板流量計(jì)一年一檢,一般采用幾何檢定法。超聲波流量計(jì)3年一檢,可以實(shí)現(xiàn)在線標(biāo)定。 
5 經(jīng)濟(jì)性的比較 
5.1 一次性投資 
由于氣體超聲波流量計(jì)有量程比寬的特點(diǎn),相對(duì)于孔板流量計(jì)可以簡(jiǎn)化工藝管路, 相關(guān)的調(diào)壓設(shè)備、閥門、變送器等都相應(yīng)減少,大大節(jié)省了投資。 
另外,由于超聲波流量計(jì)要求的前后直管段短,因此大大減少了占地面積。

 
圖1 孔板流量計(jì)與超聲波流量計(jì)占空(占地)及費(fèi)用比較

如圖1 所示,若孔板流量計(jì)的直管段按44D 計(jì)算,要完成Q=48000m3/h , T= 40°C,Pmin=30Bar 這樣條件的測(cè)量任務(wù),孔板流量計(jì)需要四路24 英寸的工藝管線,8 個(gè)閥門,占地面積為333 平米,而使用超聲波流量計(jì)只需要2 路30 英寸的工藝管線,4 個(gè)閥門,占地面積為94 平米。英國烴源有限公司(HRL )下屬的南莫克姆(S o u t h Morecambe)日輸氣量高達(dá)5000 萬N m3/h,該站采用6 路孔板流量計(jì)最初1985 年投運(yùn),1998改造時(shí)用3路超聲替代孔板,實(shí)踐證明無論從計(jì)量精度、維護(hù)費(fèi)用還是日常操作上,超聲波流量計(jì)比孔板流量計(jì)都有很大優(yōu)勢(shì)。 
5.2 長期運(yùn)行費(fèi)用 
由于流量計(jì)長期運(yùn)行時(shí),有以下幾方面的費(fèi)用:設(shè)備維護(hù)費(fèi),標(biāo)定費(fèi)用,更換部件費(fèi)用以及操作人員人工費(fèi)用等。 
(1) 設(shè)備維護(hù)費(fèi) 
由于超聲波流量計(jì)為免維護(hù)儀表,而孔板流量計(jì)需要經(jīng)常維護(hù),因此后者的維護(hù)費(fèi)用大大高于前者。 
(2) 標(biāo)定費(fèi)用 
孔板流量計(jì)僅為標(biāo)定差壓變送器就花費(fèi)很大的人力物力,再加上孔板流量計(jì)需要配密度計(jì), 每年一次標(biāo)密度計(jì)也要增加標(biāo)定費(fèi)用。此外,孔板流量計(jì)雖然可以采用幾何檢定的干標(biāo)模式進(jìn)行檢定,但是檢定完重新安裝回去時(shí)很難保證同心度。 
(3) 孔板流量計(jì)需要經(jīng)常更換節(jié)流件,成本因而增加;超聲波流量計(jì)無需更換部件,探頭可以帶壓更換并清洗,其它部件基本不用更換。 
(4) 由于孔板流量計(jì)壓損很大,增加了壓縮機(jī)的負(fù)荷,經(jīng)多年實(shí)踐證明,運(yùn)行費(fèi)用隨壓損的增加而上升。 
(5) 操作人員人工費(fèi)孔板流量計(jì)需要維護(hù)、切換等操作,人工費(fèi)用很多,而超聲波流量計(jì)無人值守,基本不需要維護(hù),因此用于超聲波流量計(jì)運(yùn)行維護(hù)的費(fèi)用將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于孔板流量計(jì)。 
6 超聲波流量計(jì)在石油化工計(jì)量中的應(yīng)用 
6.1 時(shí)差法超聲波流量計(jì)測(cè)量成品油 
超聲流量計(jì)是一種推導(dǎo)式流量計(jì),它的基本原理如圖2所示。高頻聲脈沖從上游換能器A傳送到下游換能器B的時(shí)間為 
T1=L/(C+Vcosθ) 
而從下游換能器B傳送到上游接收換能器A的時(shí)間為 
T2=L/(C-Vcosθ) 
式中,L—聲道距離;C—液體中的聲速;θ—聲道和管道軸向的夾角;V—管道中的平均軸向流速。 
由上式可以推導(dǎo)出 
V=(L/2cosθ)*[(T2-T1)/(T1*T2)]

 
圖2 時(shí)差法超聲波流量計(jì)基本原理圖

這種測(cè)量方法從理論上講,只能測(cè)得在聲道上的流體速度。我們希望得到管道被測(cè)截面的平均流速,但在實(shí)際管道運(yùn)行中總會(huì)存在有匯管、大小變徑管、三通和彎頭等,實(shí)際運(yùn)行中不可避免的會(huì)產(chǎn)生在被測(cè)截面上的不對(duì)稱流、橫向流和旋渦流,這將大大降低平均流速的測(cè)量準(zhǔn)確度。智能化的超聲波流量計(jì)采用多聲道測(cè)量,并通過智能檢定軟件的診斷和報(bào)警功能監(jiān)測(cè)流量計(jì)運(yùn)行狀態(tài);調(diào)節(jié)各聲道的自動(dòng)增益;測(cè)量各聲道的流速分布及每一個(gè)聲道的聲速計(jì)算,以便校正橫向流、旋渦流和不對(duì)稱流;當(dāng)被測(cè)液體密度、粘度變化時(shí),可以通過測(cè)量聲速反推出不同油品的密度、粘度,這樣就可以用超聲波流量計(jì)代替密度計(jì),解決處理混油段技術(shù)。 
6.2 標(biāo)準(zhǔn)體積管實(shí)流標(biāo)定超聲波流量技術(shù) 
雙向標(biāo)準(zhǔn)體積管是一種標(biāo)準(zhǔn)容積式機(jī)械設(shè)備,在U型標(biāo)準(zhǔn)管段進(jìn)出口上裝有兩個(gè)(或四個(gè))檢測(cè)開關(guān),一個(gè)排液球或者活塞。當(dāng)觸動(dòng)第一個(gè)檢測(cè)開關(guān)時(shí),排液球進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)段,當(dāng)這個(gè)球觸動(dòng)U型管另一端第二個(gè)檢測(cè)開關(guān)時(shí),排液球離開標(biāo)準(zhǔn)段。 
超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理決定了脈沖和真實(shí)流速(流量)有一個(gè)固定延時(shí)。而管道中的流體擾動(dòng)是很復(fù)雜的,它包括多次擾動(dòng)渦流和非軸向速度成分,超聲波流量計(jì)沿著一個(gè)或多個(gè)采樣聲道,通過超聲波發(fā)射器和接收器上的正反向時(shí)差,檢測(cè)并推導(dǎo)計(jì)算出流體流速。上述原因,檢定一臺(tái)超聲波流量計(jì)性能是否穩(wěn)定,應(yīng)該有如下特點(diǎn)需要設(shè)計(jì)工程師注意: 
(1)為了使被檢測(cè)超聲波流量計(jì)儀表系數(shù)的不準(zhǔn)確度控制在±0.027%,建議設(shè)計(jì)工程師在計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮超聲波流量計(jì)的公稱通徑和標(biāo)定運(yùn)行次數(shù)來選擇雙向標(biāo)準(zhǔn)體積管的標(biāo)準(zhǔn)容積其關(guān)系如表3所示: 

雙向體積管標(biāo)準(zhǔn)容積和流量計(jì)公稱通徑

超聲波流量計(jì)的公稱通徑(mm)

雙向體積管標(biāo)準(zhǔn)容積(L)

當(dāng)標(biāo)定5次重復(fù)性為0.05%時(shí)

當(dāng)標(biāo)定8次重復(fù)性為0.09%時(shí)

當(dāng)標(biāo)定10次重復(fù)性為0.12%時(shí)

DN400(16``)

82832.227

38315.867

25119.946

DN350(14``)

63435.813

29253.608

19237.427

DN300(12``)

46583.161

21463.245

14149.843

DN250(10``)

32274.361

14944.778

9857.194

DN200(8``)

20668.310

9539.220

6359.480

DN150(6``)

11606.051

5405.558

3497.714

DN100(4``)

5246.571

2384.805

1589.870


(2) 在每次的標(biāo)定過程中,排液球在觸發(fā)第一個(gè)檢測(cè)開關(guān)之前,開始記錄被檢超聲波流量計(jì)發(fā)出的脈沖信號(hào),應(yīng)該保持介質(zhì)流速穩(wěn)定在被檢超聲波流量計(jì)的這個(gè)流量點(diǎn)上,否則有可能造成超聲波流量計(jì)較差的重復(fù)性或者流量計(jì)增益的系統(tǒng)誤差。 
(3) 換向四通閥在換向介質(zhì)進(jìn)入U(xiǎn)型管段時(shí)應(yīng)該處于流量和壓力穩(wěn)定狀態(tài)下。如果驅(qū)動(dòng)排液球進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)體積管檢測(cè)開關(guān)時(shí),排液球觸發(fā)檢測(cè)開關(guān)之前直接產(chǎn)生擾動(dòng)流。這將大大降低超聲波流量計(jì)的儀表系數(shù)和重復(fù)性。 
綜上所述,使用氣體超聲波流量計(jì)比使用孔板流量計(jì)無論從安全性能、技術(shù)性能還是從一次性投資以及長期運(yùn)行費(fèi)用上都有很大的優(yōu)勢(shì)。由于說明問題的需要,本文中計(jì)算和實(shí)例均選用較大用氣量進(jìn)行比較,實(shí)際通過比較計(jì)算一般DN200口徑以上流量計(jì)選用氣體超聲波流量計(jì)具有較大優(yōu)勢(shì),DN150特別是以下流量計(jì)的選取由于氣體超聲波流量計(jì)本身價(jià)格因素使用孔板流量計(jì)更為經(jīng)濟(jì),但從保證計(jì)量精度出發(fā)也推薦選用更精確的計(jì)量儀表。

 

 

 

 

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