[導(dǎo)讀] 隨著企業(yè)生產(chǎn)節(jié)奏的加快，孔板安裝、清洗、維護(hù)受到不能停產(chǎn)的限制而無法進(jìn)行，工業(yè)流量測(cè)量還普遍存在著大管徑、大流量測(cè)量的困難，因?yàn)榭装辶髁坑?jì)隨著測(cè)量管徑的增大會(huì)帶來制造、運(yùn)輸和安裝上的困難，造價(jià)提高、能損加大，于是我們引入了能便于在線安裝、維護(hù)的插入式渦街流量計(jì)、插入式渦輪流量計(jì)、測(cè)管流量計(jì)、均速管流量計(jì)等。
一、概述
重慶鋼鐵股份有限公司是一個(gè)耗能大戶，能源品種多達(dá)二十余種，主要能源流體有高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、天然氣、氧氣、氮?dú)狻嚎s空氣等，能源計(jì)量問題一直是公司節(jié)能降耗降成本的一件大事。公司是一個(gè)大型的老企業(yè)，計(jì)量設(shè)施以前主要采用節(jié)流孔板進(jìn)行流體計(jì)量，由于孔板流量計(jì)簡(jiǎn)單牢固，性能穩(wěn)定可靠，使用壽命長(zhǎng)，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用。但孔板也存在測(cè)量范圍窄，測(cè)量上限和測(cè)量下限之比一般僅3：1~4：1；壓力損失大，對(duì)于低壓力的自產(chǎn)煤氣測(cè)量影響較大，低壓力流體測(cè)量信號(hào)弱，測(cè)量誤差大，現(xiàn)場(chǎng)安裝條件要求較高，安裝、清洗必須停產(chǎn)，維護(hù)困難，高流速和臟污介質(zhì)及腐蝕性介質(zhì)對(duì)孔板沖刷，腐蝕影響嚴(yán)重，管道內(nèi)壁流體介質(zhì)結(jié)晶，孔板前后積液等因素都將嚴(yán)重影響其測(cè)量精度。
隨著企業(yè)生產(chǎn)節(jié)奏的加快，孔板安裝、清洗、維護(hù)受到不能停產(chǎn)的限制而無法進(jìn)行，工業(yè)流量測(cè)量還普遍存在著大管徑、大流量測(cè)量的困難，因?yàn)榭装辶髁坑?jì)隨著測(cè)量管徑的增大會(huì)帶來制造、運(yùn)輸和安裝上的困難，造價(jià)提高、能損加大，于是我們引入了能便于在線安裝、維護(hù)的插入式渦街流量計(jì)、插入式渦輪流量計(jì)、測(cè)管流量計(jì)、均速管流量計(jì)等。
二、測(cè)管流量計(jì)和均速管流量計(jì)的應(yīng)用
測(cè)管流量計(jì)、均速管流量計(jì)等由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、安裝維護(hù)方便、壓力損失小等優(yōu)點(diǎn)被很多企業(yè)使用于大管徑流量計(jì)量上，其原理采用皮托靜壓管的速度面積法測(cè)量原理，通過安裝在管道內(nèi)的測(cè)量裝置的全壓取壓孔測(cè)出管道中全壓取壓孔所在點(diǎn)的流體的全壓（總壓），測(cè)量裝置背流面的靜壓取壓孔測(cè)出流量的靜壓，測(cè)量管將全壓和靜壓得出差壓△P：
式中：V：為測(cè)頭處流速。m/s
△P：測(cè)出的差壓：Pa
ρ：被測(cè)介質(zhì)密度，kg/m3
K：測(cè)管儀表的校正系數(shù)
再根據(jù)測(cè)得流速后計(jì)算出管道內(nèi)的流量。
不論是測(cè)管流量計(jì)或者是均速管流量計(jì)都是點(diǎn)流速型，是通過測(cè)量管道截面上一點(diǎn)的流速從而推算出管道內(nèi)整個(gè)截面上的平均流速，為得到穩(wěn)定的流態(tài)，儀表安裝要求有較長(zhǎng)的直管段，在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)環(huán)境中是很難達(dá)到的。而流體在管道中流速的分布受流體介質(zhì)、溫度、粘度、重度及管道內(nèi)壁粗糙度等因素影響都將發(fā)生變化，同時(shí)點(diǎn)流速與插入點(diǎn)的位置關(guān)系也很大，因此安裝要求非常高，要通過一點(diǎn)的流速來測(cè)算整個(gè)管道內(nèi)的流速，其測(cè)量精度必將是很差的。
三、超聲波氣體流量計(jì)的引入
為避免孔板給計(jì)量帶來的安裝、維護(hù)、精度和價(jià)格上問題，避免測(cè)管流量計(jì)、均速管流量計(jì)等帶來的直管段要求高、易堵塞和點(diǎn)不能帶面的問題，我們通過超聲波計(jì)量表得到啟示：
1、超聲波計(jì)量?jī)x表的原理
超聲波流量計(jì)是一種流體流動(dòng)對(duì)超聲波束在流體中傳播速度的改變來測(cè)量滿管液體體積流量的儀表。
2、超聲波流量計(jì)的分類
超聲波流量計(jì)根據(jù)對(duì)信號(hào)檢測(cè)原理的不同可分為時(shí)差式、多普勒式和聲束偏移式流量計(jì)，根據(jù)超聲換能器的配置方式不同可分為單聲道、雙聲道和多聲道；根據(jù)換能器供電方式不同，可分為外貼式、管段式和插入式；插入式超聲波流量計(jì)可以在不斷流的情況下，利用專用工具在管道上打孔，將換能器插入管道內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。
時(shí)差式超聲波流量計(jì)的原理是當(dāng)聲波沿流體流動(dòng)方向傳播時(shí)，其傳播時(shí)間比逆向短。
它與流體的流速有關(guān)，時(shí)差式超聲波流量計(jì)就是利用聲波在流體中順流和逆流傳播的時(shí)間差與流體流速成正比這一原理來測(cè)量流體流量的。超聲波流量計(jì)測(cè)量元件安裝在管道直徑上的兩端，測(cè)得的是管道內(nèi)直徑上的平均流速，相對(duì)于點(diǎn)流速就較充分的反映了管道內(nèi)介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)，精度相對(duì)較高。安裝維護(hù)方便，因而得以廣泛使用。
3、超聲波的組成
超聲波流量計(jì)由超聲波換能器、數(shù)據(jù)處理及流量顯示和累積系統(tǒng)三部分組成。
4、超聲波氣體流量計(jì)的引用
我公司煉鐵廠5#高爐煤氣煤氣發(fā)生總管，直徑為Ф2200，在2000年安裝了均速管流量計(jì)，由于該計(jì)量設(shè)施經(jīng)常堵塞，維護(hù)難度相當(dāng)大，造成長(zhǎng)時(shí)間無法準(zhǔn)確計(jì)量，現(xiàn)場(chǎng)及生產(chǎn)狀況也無法安裝孔板和文丘里流量表等其它計(jì)量裝置，于是我們通過超聲波流量表的原理和廣泛使用情況，決定在高爐煤氣發(fā)生量總管上試用時(shí)差插入式超聲波氣體流量計(jì)。由于超聲波氣體流量計(jì)造價(jià)基本上與被測(cè)管道口徑大小無關(guān)，而其它類型的流量計(jì)隨著口徑增加，造價(jià)大幅度增加，故口徑越大超聲波流量計(jì)比相同功能其它類型流量計(jì)的功能價(jià)格比越優(yōu)越。因此被認(rèn)為是較好的大管徑流量測(cè)量?jī)x表。
超聲波測(cè)量?jī)x表的流量測(cè)量準(zhǔn)確度幾乎不受被測(cè)流體溫度、壓力、粘度、密度等參數(shù)的影響。但超聲波在氣體中傳播由于衰減過大，對(duì)于大管道流量測(cè)量，生產(chǎn)廠家往往不能將兩換能器安裝在管道直徑的兩端，而是將兩換能器插入管道內(nèi)測(cè)得是管道內(nèi)某一段的平均流速來測(cè)算管道截面上的總流速，這樣的測(cè)量方式必將對(duì)測(cè)量精度帶來較大影響，因此氣體超聲波流量計(jì)在安裝中就注意安裝方式以及安裝中插入深度及尺寸，以便計(jì)算修正。
四、超聲波氣體流量計(jì)的安裝
換能器安裝不合理是超聲波流量計(jì)不能正常工作或計(jì)量誤差大的主要原因。確定位置時(shí)除保證足夠的上、下游直管段外，尤其要注意換能器盡量避開有變頻調(diào)速器、電焊機(jī)等干擾電源的地方。另外就是插入深度，氣體在管道中流動(dòng)時(shí)，由于氣體自身粘滯性和管壁對(duì)流體的作用，管道橫截面上氣體的流速分布是不均勻的，在截面上的流速分布可表示為：
管道氣體流速分布圖
在截面上的流速分布可表示為：
K：為比例因子，它與管道阻力系數(shù)、管道內(nèi)徑等有關(guān)。
U：管道截面上的平均流速
δ：修正系數(shù)：
A圖
1、當(dāng)兩換能器分別安裝于管壁處進(jìn)行測(cè)量時(shí)（A圖），超聲波掃描整個(gè)管道截面直徑上流體流速情況，但由于管道大超聲波信號(hào)強(qiáng)度不夠，往往不能實(shí)現(xiàn)。
2、當(dāng)換能器插入管道的不同位置安裝，其測(cè)量的結(jié)果也是不同的，如下圖：
B圖所示：兩換能器在管道內(nèi)對(duì)稱安裝。
C圖所示：兩換能器在管道內(nèi)不對(duì)稱安裝。
D圖所示：兩換能器一個(gè)安裝在中心點(diǎn)，一個(gè)安裝在管壁上。
如B圖、C圖所示的安裝，根據(jù)流速分布情況，其超聲波掃描的只是位于管道流速較快的一段，因此不能充分代表整個(gè)截面的流速。2004年7月公司在煉鐵廠5#高爐煤氣發(fā)生總管（Ф2200）上的安裝超聲波流量計(jì)由于該管道直徑較大無法采用A圖和D圖安裝，后采用C圖方式安裝，其安裝尺寸如E圖。
E圖
安裝完成后，經(jīng)過運(yùn)行我們根據(jù)5#高爐入爐風(fēng)量和以前均速管流量計(jì)正常時(shí)的計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，認(rèn)為超聲波氣體流量計(jì)計(jì)量數(shù)據(jù)偏大，于是我們根據(jù)換能器的安裝位置，插入深度進(jìn)行分析，對(duì)流量修正系數(shù)進(jìn)行重新計(jì)算為：
廠家給出量程為30萬m3/h，探頭總長(zhǎng)為2000mm，儀表固化的修正值為0.9541，探頭直徑為57mm：
（1）求上游處探頭插入深度：
a、求上游外露部分長(zhǎng)度：
97+54+180+235+124-57/2=661.5（mm）
b、求上游插入部分長(zhǎng)度：
探頭總長(zhǎng)-外露部分長(zhǎng)度-壁厚=插入深度（A上）
c、求上游插入深度（距管內(nèi)壁垂直距離）
（2）求下游探頭插入深度：
a、求下游外露部分長(zhǎng)度：
147+53+183+228+112-57/2=694.5（mm）
b、求下游插入部分長(zhǎng)度：
c、求下游插入深度（距管內(nèi)壁垂直距離）
（3）求兩探頭的距離L2：
（4）求探頭處流速修正系數(shù)K：
設(shè)：r為管道內(nèi)測(cè)試點(diǎn)距軸中心的距離
R為管道半徑
U為管道截面上的平均流速
根據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)例表查出：
當(dāng)r/R為0.151時(shí)，比例因子K1為1.1305
r/R為0.152時(shí)，比例因子K2為1.1303
求出
根據(jù)廠家提供的資料軸中心最大流速K0為1.1464U
（5）求修正值δ：
考慮到儀表出廠時(shí)廠家已根據(jù)流體介質(zhì)、壓力、溫度和直徑上的平均流速與截面上的平均流速進(jìn)行了修正，其修正值為0.9541，因此修正值應(yīng)為：
（6）求儀表實(shí)際量程：
原量程為30萬m3/h
修正后的量程為Q/=30萬×δ＇=27.6204萬
取整為27.6萬m3/h
由此看出：超聲波探頭插入深度不同對(duì)計(jì)量數(shù)據(jù)影響很大，以滿量程計(jì)算誤差為（30-27.6）/27.6×100%=8.7%。經(jīng)生產(chǎn)廠家確認(rèn)，我們對(duì)儀表量程進(jìn)行修改后，儀表運(yùn)行正常。
2005年9月我們?cè)诠緹掕F廠老四高爐煤氣發(fā)生總管（Ф1600）安裝時(shí)考慮超聲波測(cè)量值應(yīng)能充分代表管道內(nèi)流體的平均流速，我們建議廠家一個(gè)換能器安裝在管壁上，另一個(gè)安裝在軸心上：如圖D，這樣流體超聲波測(cè)量值是管道半徑上的平均流速，比較真實(shí)的反應(yīng)了管道內(nèi)流體的總的流速，投入運(yùn)行后未作大的修正就運(yùn)行正常了。
五、結(jié)束語
我司近年來在大管道流量計(jì)的使用中，我們認(rèn)為：
1、超聲波流量計(jì)測(cè)得的是管道截面上某面上某線段的平均流速，相對(duì)于測(cè)點(diǎn)流速的渦街流量計(jì)、均速管流量計(jì)、測(cè)管流量計(jì)等測(cè)量精度較高（當(dāng)然低于測(cè)量全截面平均流速的電磁流量計(jì)，但電磁流量計(jì)不能測(cè)氣體流量）。
2、超聲波流量計(jì)最好換能器安裝在管道直徑的兩端測(cè)管道直徑上的平均流速，次之可將換能器一個(gè)安裝在管壁上一個(gè)安裝在管道中心點(diǎn)，這樣測(cè)得半徑上的平均流速，以上兩種安裝方式均不能選用時(shí)才采用B圖或C圖安裝，但安裝后應(yīng)精確測(cè)量安裝尺寸，仔細(xì)計(jì)算修正系數(shù)，以保證測(cè)量的準(zhǔn)確。
3、不論是測(cè)點(diǎn)流速或是測(cè)線段流速的儀表，都應(yīng)保證測(cè)量裝置前后直管段要足夠長(zhǎng)，才能保證流體在管道中的流速分布盡量符合理想的流速分布。