摘要：系统阐述了多种传统流量计的测量原理，对比各个测量装置的优缺点，提出的超声波流量计在高温高压大口径管道中精确计量。从经济效益、精度偏差、安装使用、节能减排、后期维护等多个方面诠释超声波流量计相比传统的机械式流量计的独特特点，以及在我国工业生产和计量领域中的重要应用。
1原理概述
蒸汽作为广泛的载热介质，在各行各业中有着非常重要的作用。在电厂中使用蒸汽推动汽轮机进行发电。在食品行业中，可以使用蒸汽对管路进行消毒，确保食品安全卫生无菌。在炼油行业，使用高压蒸汽对油井或者气田进行压裂开采。在石化化工行业的生产过程中，很多环节需要使用到蒸汽，比如汽提塔中，蒸汽的温度和压力的稳定对塔器中的生产有着至关重要的作用。在化工行业，某些易结晶的介质在生产和运输过程中需要保持温度，而蒸汽往往就是给管道进行伴热和保温的介质。在管道的吹扫中，有时可以使用空气，而有些场合就需要使用蒸汽吹扫。当然更显而易见的是，蒸汽可以作为建筑或者场所的取暖用介质。
蒸汽负载着能量，所以准确的计量蒸汽意义重大。对于生产厂区的内部计量，计量的精度可以起到节能减排的作用。对于贸易交接的场合，无论是蒸汽的生产方还是使用方，计量的精度直接关系到双方的费用结算，一定需要一个可靠的计量方式，才能避免费用上的纠纷。传统的蒸汽计量方式多采用差压式流量计，差压式流量计需要一个节流原件来实现压力差，包括孔板流量计、文丘里、喷嘴等方式。随着技术的发展，涡街流量计渐渐用于蒸汽测量。近几年，采用时差法原理并且适用温度较高的超声波流量计也开始进入蒸汽测量的领域。下面简单介绍一下这几种测量方式的原理。
1.1差压式仪表
流体在有节流装置的管道中流动时，在节流装置前后的管壁处，流体的静压力产生差异的现象称为节流现象。节流装置包括节流元件和取压装置。节流元件是使管道中的流体产生局部收缩的元件，多达30多种，常用的节流元件有孔板、喷嘴和文丘利管等。流体流过节流元件时，会被加速，流体的加速时期动能增加，按照能量守恒定律，在流体被加速处它的静压力会降低一个相应的值，因此在节流原件两侧产生一个差压，而这一差压与流速的平方根成正比。其原理的计算公式如下：
Qv=CεΑ/sqr(2ΔP/(1-β＾4)/ρ1)(1)
其中：
C为流出系数；
ε为可膨胀系数
Α为节流件开孔截面积，m2
ΔP为节流装置输出的差压，Pa;
β为直径比
ρ1为被测流体在I-I处的密度，kg/m3;
Qv为体积流量，m3/h
下图为一些常见节流原件的示意图
1.2涡街流量计
自然界的很多现象都源于涡街原理，比如迎风飘扬的旗帜，旗杆作为漩涡发生体,当风从旗杆一侧吹来时，旗杆阻挡了风，分别从旗杆两侧吹过的气流在其后形成了漩涡，因此，旗帜能够随风飘扬。在涡街流量计中，正是采用了“卡门涡街原理”，测量管中有一个漩涡发生体，漩涡的脱落频率正比于流量，漩涡脱落频率通过传感器中的压电晶体来测量，公式如下：
f=StV/d(2)
式中：
f－发生体一侧产生的卡门旋涡频率
St－斯特罗哈尔数（无量纲数）
V－流体的平均流速
d－旋涡发生体的宽度
通过压电晶体测得频率之后，就可以算得流速值，再乘以流量计的截面积就可以知道流速。
1.3超声波流量计
相比前两种测量原理，超声波时差法的原理则更加简单易懂一些。与人们划船或者游泳类似，超声波在流动的流体中的传播速度与流体的流速有关。顺流而下的超声波的传播速度大于逆流而上的传播速度。只要分别测量出超声波顺流和逆流的传播时间，就可以依据下面的公式得到该路径上瞬时流速。这样，介质流量则可以通过流速、管道截面积等求得。
Vm＝L(TB?A-TA?B)/(2*COS?*TB?A*TA?B)(3)
 |
Vm:瞬时流速
L:两个超声波换能器之间的距离
TB?A:超声波逆流而上的传输时间
TA?B:超声波顺流而下的传输时间
α:介质流向与超声波传输方向之间的夹角 |
超声波流量计用于液体测量已经有几十年的历史了，随着技术的发展，超声波流量计也逐渐开始应用在气体的领域，尤其高温换能器的开发，使其可以用于蒸汽的领域。以高温气体超声波流量计为例，选用高温SS347材质的换能器，温度可以达到540度，耐压可达10Mpa。Inconel合金材质的换能器更可达到20Mpa的压力等级，可选610度的高温。可适用于各种低压/中压/高压蒸汽。
了解了各种原理之后，再来对比一下各个测量原理的优缺点，此处对比参考超声波流量计产品样本（液体OPTISONIC3400,蒸汽OPTISONIC8300）。
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差压式流量计 |
涡街流量计 |
超声波流量计 |
口径范围 |
孔板：DN25~500
文丘里：DN50~1200 |
DN15~300
更大口径基本不可能生产 |
液体DN25~3000
气体DN50~1000
更大的口径也可能生产 |
温度范围 |
根据材质和压力等
决定可用温度范围 |
最高450度 |
最高610度 |
测量精度(不确定度) |
孔板：1%
文丘里：1%，实流后可达0.5% |
1%～2% |
液体：0.3%
气体：1% |
是否有阻流件 |
是 |
是 |
是 |
压损情况 |
较大，孔板的压损达到差压值的60%，文丘里是差压值的15% |
较小 |
无压损 |
前后直管段 |
孔板：前20DN，后10DN
文丘里：前10DN，后5DN |
前20DN后5DN |
液体：前5DN后3DN气体：前20DN后3DN |
量程比 |
孔板：1：3
文丘里：1：3 |
1：10 |
1：10 |
维护量 |
节流元件高温下容易
腐蚀，经常需要维护、
标定、更换 |
维护量小于差压式仪表 |
无需维护，没有磨损与腐蚀 |
从上表的对比可以明显看出，超声波流量计有几个很重要的优点：
量程比宽：孔板的量程比只有1：3，在实际应用过程中，如果最大和最小流量的范围较宽，一台孔板就无法适用，往往需要2～3台孔板用于不同的量程范围，而2～3台表又会引入系统误差，造成测量可靠性进一步下降。超声波流量计超宽的量程比，从0.3～30m/s都可以保证精度，有时可测比30m/s更高。
长期稳定性好：使用过差压式的仪表的操作工可能都有感触，节流元件是非常容易磨损的部件，在高温或者高磨损性的条件下，节流元件的开口尺寸会越来越大，从而造成计量值偏小。如果实在贸易交接的场合，对于卖方来说，就会造成损失。而超声波流量计因为没有阻流部件，所以压损几乎为零，也不会磨损，所以长期稳定性非常好。
口径范围大，最高温度高：涡街流量计因为口径限制，只能适用于小口径、中低温蒸汽，如果有大于DN300的管径或者高于450度的应用，涡街就无能为力了，这时候选用超声波流量计更加合适
2.
节能减排经济效益对比
以上从理论角度阐述了超声波的优点，下面通过一个实例的计算，来对比一下使用传统差压式流量计和新型超声波流量计在经济效益上的差异。
主要可以从三方面来对比：
1.因磨损和腐蚀造成差压式流量计的精度偏差，从而影响计费的准确性；
2.因差压式流量计较大的压损而造成的无形中的电力的浪费；
3.因差压式流量计需要维护和更换的后续维护成本。
2.1首先，先看一下因磨损和腐蚀造成差压式流量计的精度偏差，从而影响计费的准确
以最常见的孔板流量计为例，因为孔板的节流元件在高温下很容易被腐蚀，造成流通面积变大，差压变小，最终导致测量值偏小。那么在蒸汽的贸易交接中，测量值偏小，就意味着蒸汽生产方的收入变少，严重的可能导致亏本经营。那么下面来计算一下，因为孔板的计量偏差可以导致多少收入上的损失。
假设某电厂给一个用户供应过热蒸汽，口径DN500，压力2.0Mpa，温度:310℃，流量范围：0-200t/h。按一个月工作28天计算，那么一个月需要供应的蒸汽总量在200*24*28=134400t/月，按蒸汽价格160元/t计算，每月的收入为2150.4万元。
为了简化计算，假设每个月孔板流量计因为磨损而产生的精度变化是线性的，每月精度下降0.01%，那么通过下表可以看出，第一年内损失的收益：
第二年的收入损失可能高达45万多。
采用超声波流量计的话，也许最初的购置付费会高于孔板流量计，但是因为不存在孔板的磨损造成的计量偏差，因为增加的购置成本基本上在1～2年就可以收回。
以上只是简单的计算了孔板流量计因为磨损造成的收益损失。其实，因为孔板的量程比很小，只有1：3，所以在管线刚刚启动的时候，因为流量太小，往往无法精确计量。而当用户蒸汽用量大的时候，又会造成大流量无法计量，由此带来巨大的损失。
2.2因差压式流量计较大的压损而造成的无形中的电力的浪费
众所周知，差压式流量计必定会造成永恒的压力损失。还是以上面的孔板流量计为例，口径DN500，压力2.0Mpa，温度:310℃，流量范围：0-200t/h。此时蒸汽密度约为8.28kg/m3，所以体积流量约为0-24000m3/h。若使用差压式流量计，可以让厂家计算永久压力损失，按照流速和节流元件的不同，压力损失可以在5～40Kpa不等。如按较小的10Kpa压损来计算，按最大流量的一半流量时，能量损失在27.78kW。还是按每月28天计算，一年能耗的损失是22.4万KWh。如果一度电按0.5元计算，那么电费约需11万元。也就是说，如果更换成没有压损的超声波流量计，可以减少泵送的能量，节省电费11万元。
2.3因差压式流量计需要维护和更换的后续维护成本
从前面第一点可以看出，使用2年后，孔板的磨损会非常厉害，所以这就是为何差压式流量计都建议2～3年更换一次。这就意味着用户需要重新购买新的节流元件，重新标定，重新安装。这里面所涉及的采购成本，人员安装成本，停产的成本都是相当可观的。
3安装维护
在蒸汽管道的安装上，因为蒸汽管道都需要包裹保温层，所以一般法兰连接或者外夹式超声波的形式不都不是太适合。法兰连接的部分会造成保温层的突起，施工不方便。而外夹式超声波流量计安装的管道不能做保温，会造成巨大的能量浪费。蒸汽流量计可以提供焊接式安装，管材和焊接内径也可以根据现场的管道定制，保证匹配性，如下图所示。安装完成后基本与管道一体化，方便了保温层的铺设。而且仪表本身是免维护的，焊接在管道上也无需后期维护。
4结论
综上所述，超声波流量计相比传统的机械式流量计具有很多独特的优点，无压损、精度高、低维护量等，其适用范围广，一些高温高压的场合也可适用，尤其对于大口径流量的正确测量有其不可比拟的优势，而且超声波流量计的测量原理和优点逐渐被最终用户所认可。除了测量蒸汽之外，超声波流量计也适合应用于一些非导电的介质的测量，因此它会成我国工业生产和计量领域的新标准。
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