雷耀彩

(中國(guó)石化 洛陽(yáng)分公司計(jì)量中心 , 河南 洛陽(yáng)　471012)

多聲道超聲流量計(jì)在大口徑循環(huán)水管道中的應(yīng)用

雷耀彩

(中國(guó)石化 洛陽(yáng)分公司計(jì)量中心 , 河南 洛陽(yáng)471012)

摘要：針對(duì)大口徑循環(huán)水管道的計(jì)量?jī)x表設(shè)計(jì)、選型具有一定的局限性。日常工作中存在測(cè)量難度大、準(zhǔn)確度難以保證、直管段不滿足要求、現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)手段不多等問題。本文從超聲流量計(jì)的原理及性能入手詳細(xì)闡述多聲道超聲流量計(jì)測(cè)量原理、流量計(jì)算數(shù)學(xué)模型及應(yīng)用探討。

關(guān)鍵詞：多聲道 ； 超聲 ； 大口徑 ； 循環(huán)水

0引言

循環(huán)水作為冷卻器的冷卻介質(zhì)在石油化工企業(yè)應(yīng)用廣泛,其輸送管道一般管徑較大,通常為600～1 000 mm,甚至1 000 mm以上。過去曾采用過多種流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量,如電磁流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、渦街流量計(jì)等,但由于循環(huán)水雜質(zhì)多,在實(shí)際應(yīng)用中常出現(xiàn)傳感器被雜物覆蓋或纏繞而影響正常使用,從而無(wú)法提供準(zhǔn)確的流量數(shù)據(jù)。

隨著大多數(shù)企業(yè)對(duì)能源計(jì)量更新的認(rèn)識(shí)以及需求的提高,在一些大口徑或是直管段不足的循環(huán)水流量的穩(wěn)定精確計(jì)量,成為亟需解決的問題。近幾年,隨著多聲道超聲流量計(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟,超聲流量計(jì)以其安裝方便、維護(hù)量小、測(cè)量范圍寬,適應(yīng)較為復(fù)雜的管道結(jié)構(gòu)和流態(tài)分布等優(yōu)點(diǎn),較好地解決了大口徑循環(huán)水流量測(cè)量的技術(shù)難題[1]。

1大口徑循環(huán)水管道計(jì)量的特點(diǎn)

由于循環(huán)水管道口徑較大,流量也很大,儀表運(yùn)行中稍有偏差,就會(huì)帶來(lái)很大測(cè)量誤差。為使其得到準(zhǔn)確的流量數(shù)據(jù),需要在測(cè)量過程中達(dá)到如下要求：①壓力損失小。由于能量損失與壓損和流量的乘積成正比,如果壓力損失過大,在流量計(jì)長(zhǎng)期運(yùn)行中會(huì)使流體動(dòng)能損失巨大,造成能源浪費(fèi)。為使大口徑管道精確計(jì)量,需在測(cè)量過程中壓力損失足夠小。②能實(shí)現(xiàn)在線維修。因大口徑管道安裝處較潮濕且又不易斷流維護(hù),一般很難為裝設(shè)流量計(jì)而安排旁通,即使裝有旁通及閥門,啟閉困難,且難以保證閥門的嚴(yán)密,因此選用的測(cè)量?jī)x表應(yīng)維護(hù)量小且便于維修。③受介質(zhì)內(nèi)雜物影響小。因循環(huán)水管道內(nèi)介質(zhì)含有的雜質(zhì)較多,管道內(nèi)經(jīng)常會(huì)含有泥土、油污、雜物等,應(yīng)注意機(jī)械強(qiáng)度和水內(nèi)雜質(zhì)對(duì)測(cè)量元件的污染、纏繞、覆蓋等問題。因此應(yīng)選用無(wú)可動(dòng)機(jī)械部件或傳感器不易受影響的測(cè)量?jī)x表。④能夠?qū)崿F(xiàn)在線標(biāo)定。管道口徑大,流量也大,標(biāo)定時(shí)會(huì)有許多麻煩與困難,因此只能在運(yùn)行中在線標(biāo)定。

2其他類型流量計(jì)應(yīng)用中存在的問題

大口徑循環(huán)水計(jì)量?jī)x表大致有以下幾種：超聲波流量計(jì),電磁流量計(jì),渦街流量計(jì),差壓式流量計(jì)等,各種流量計(jì)主要存在問題如下[2]。

2.1　電磁流量計(jì)

電磁流量計(jì)是利用電磁感應(yīng)原理測(cè)出導(dǎo)管中導(dǎo)電液體的平均流速,進(jìn)一步求得液體的體積流量。它具有壓力損失小,不受被測(cè)液體的溫度、壓力、黏度等影響,可測(cè)量含雜質(zhì)液體,量程寬、口徑大、反應(yīng)靈敏、前后直管段要求不高、耐腐蝕、壽命長(zhǎng)等顯著優(yōu)點(diǎn),因此在循環(huán)水計(jì)量中廣泛采用。但實(shí)際工作中仍存在一定問題：①測(cè)量誤差受外界電磁場(chǎng)影響。因此安裝時(shí)應(yīng)特別注意避免劇烈震動(dòng)和交直流強(qiáng)磁場(chǎng)。②受流速分布影響,在流速軸對(duì)稱分布的情況下,流量信號(hào)與平均流速成正比,由于流速分布和渦流的影響,流量計(jì)上游直管段應(yīng)有一定的長(zhǎng)度,一般可取5D。③電極表面易污染。在測(cè)量有附著沉淀物的流體時(shí),電極表面將受到污染,常常引起零點(diǎn)漂移,因此在使用中,需注意電極的定期清洗。

2.2　渦街流量計(jì)

渦街流量計(jì)是利用“卡門渦街”原理進(jìn)行流量測(cè)量。由渦街流量傳感器和流量顯示儀表兩部分構(gòu)成。表內(nèi)部無(wú)可動(dòng)部件,構(gòu)造簡(jiǎn)單,使用壽命長(zhǎng)。線性測(cè)量范圍寬達(dá)30∶1。在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)漩渦產(chǎn)生的頻率只與液體流速有關(guān),幾乎不受被測(cè)液體參數(shù)(如溫度、壓力、密度、成分及黏度等)變化的影響。儀表輸出頻率信號(hào),易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化測(cè)量及與計(jì)算機(jī)聯(lián)用等優(yōu)勢(shì),在小管徑循環(huán)水中應(yīng)用較多,大管徑上應(yīng)用較少,原因如下：①漩渦發(fā)生體易受污染。渦街流量計(jì)比較適用于測(cè)量?jī)羲⒛Y(jié)水等雜質(zhì)較少的液體,在介質(zhì)較臟污的情況下,漩渦發(fā)生體容易結(jié)垢甚至被水中含有的其他雜質(zhì)纏繞,產(chǎn)生假信號(hào),影響正常測(cè)量。②受管道震動(dòng)影響較大。管線震動(dòng)較大則容易引起測(cè)量誤差,使得測(cè)量結(jié)果與實(shí)際發(fā)生嚴(yán)重偏離。在安裝時(shí)需在管線上加裝支架,防止震動(dòng)干擾。③直管段要求較高。直管段要求為前20D、后5D。在流速較低情況下,測(cè)量偏差較大。一般在0.4 m/s以下,不能準(zhǔn)確測(cè)量。④存在整體拆卸標(biāo)定麻煩、維修困難等問題,無(wú)法保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

2.3　孔板流量計(jì)

孔板流量計(jì)根據(jù)流體流經(jīng)節(jié)流件所產(chǎn)生的壓力差與流量間關(guān)系來(lái)測(cè)量流體的流量。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)可動(dòng)部件,可靠性較高,復(fù)現(xiàn)性能好,適應(yīng)性廣,可適用于大管徑流量測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。在多年實(shí)際應(yīng)用過程中,常出現(xiàn)變送器零點(diǎn)漂移和引壓管被臟污介質(zhì)堵塞等現(xiàn)象,具體分析如下：①安裝精度要求嚴(yán)格。盡管安裝規(guī)范一般都能夠掌握,但有些細(xì)節(jié)往往沒有引起重視,導(dǎo)致較大的計(jì)量誤差。如密封墊片內(nèi)孔未按環(huán)室尺寸加工,墊片伸出環(huán)室,干擾流體穩(wěn)定流動(dòng)；導(dǎo)壓管走向不合理,差壓無(wú)法順利傳導(dǎo)；平衡器不水平,直接產(chǎn)生計(jì)量誤差等。②受介質(zhì)影響較大。循環(huán)水管道中的介質(zhì)易聚集在孔板截面收縮、流速突變的孔口銳邊上,甚至對(duì)孔板產(chǎn)生沖刷和腐蝕,特別是對(duì)孔板直角入口邊緣和測(cè)量管內(nèi)壁的沖刷腐蝕特別嚴(yán)重,這將影響到孔板直角入口邊緣圓弧半徑和測(cè)量管內(nèi)壁相對(duì)粗糙的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn),使測(cè)量準(zhǔn)確度達(dá)不到要求。③測(cè)量范圍小,僅為3∶1。測(cè)量范圍一般在設(shè)計(jì)流量的30%～90%為正常測(cè)量。如果低于30%,則測(cè)量結(jié)果更低于實(shí)際量；而大于90%以上,則測(cè)量結(jié)果更高于實(shí)際量。另外,孔板測(cè)量的一個(gè)主要欠缺在于存在較大的壓力損失,系統(tǒng)準(zhǔn)確度不高。

3超聲流量計(jì)的工作原理

目前常見的超聲技術(shù)分為兩種,時(shí)間差法和多普勒法。時(shí)間差法雖然出現(xiàn)稍晚,但其應(yīng)用廣泛,并且可以實(shí)現(xiàn)較高的準(zhǔn)確度和較好的穩(wěn)定性,也是今后超聲產(chǎn)品發(fā)展的主推動(dòng)力[3]。

3.1　工作原理

時(shí)間差法超聲流量計(jì)是指通過測(cè)量超聲脈沖順流和逆流時(shí)往返于兩個(gè)換能器之間的時(shí)間,來(lái)確定管道內(nèi)流體流速的技術(shù)。每個(gè)換能器先后作為發(fā)射器和接收器,在流體充滿管道并且靜止的條件下,理論上超聲脈沖往返于換能器的時(shí)間是一致的。因?yàn)樵陟o止的流體中,向不同方向傳播的超聲聲速是不變的。如果流體流經(jīng)管道,超聲波脈沖順流傳播的速度比逆流傳播的速度要快,這兩者的時(shí)間差與管道內(nèi)流體的流速成比例。其中,超聲波在靜止流體中的傳播速度為C,管道直徑為D,流體在管道橫截面上流速為V,夾角為θ。

計(jì)算公式如下：

超聲在液體中順流向與逆流向傳播的時(shí)間t1與t2分別為

t1=D/[(C+vcosθ)]sinθ

(1)

t2=D/[(C+vcosθ)]sinθ

(2)

式中,C為聲速。

傳播時(shí)間差

(3)

在常用的流速范圍內(nèi)由于,因此上面的公式可以轉(zhuǎn)換為：

Δt=2Dvctgθ/C2

(4)

超聲傳播聲路上的平均流速

v1=ΔtC2/(2DCtgθ)

(5)

管道橫截面積上平均流速,K為速度分布修正系數(shù)

v=v1/K

(6)

進(jìn)而通過管道橫截面上平均流速乘管道橫截面面積A就可獲得管道內(nèi)液體的體積流量qv。

qv=Av=(πD2/4)v1/K

(7)

3.2　流量計(jì)算數(shù)學(xué)模型

通過以上數(shù)據(jù)可以清楚的得知單聲道流量計(jì)截面平均流速與該聲道速度(如圖1管道內(nèi)水流態(tài)分布)存在特定關(guān)系,容易受到流速分布廓形的影響,因此為了提高測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性,只有在測(cè)量截面上平行地布置多條聲道并獲得各相應(yīng)平行條帶內(nèi)的平均速度,再依據(jù)各條帶所占的權(quán)重系數(shù),用加權(quán)積分的方法計(jì)算流量,公式如下：

Panther是全自動(dòng)核酸檢測(cè)分析系統(tǒng)，其各個(gè)環(huán)節(jié)易控且干擾因素少，便于實(shí)驗(yàn)室的過程控制和質(zhì)量控制。參照國(guó)內(nèi)外設(shè)備性能驗(yàn)證的要求，并結(jié)合本實(shí)驗(yàn)室實(shí)際工作的需要，對(duì)Panther系統(tǒng)的一系列操作性能和分析性能進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖1　管道內(nèi)水流態(tài)分布

式中,A為管道橫截面面積；Ki為聲道加權(quán)積分系數(shù)；n為聲路數(shù)；vi為沿聲道的平均軸向流速。

3.3　多聲道超聲流量計(jì)的加權(quán)積分系數(shù)

對(duì)于多聲道超聲流量計(jì),其每個(gè)聲道的積分加權(quán)系數(shù)是一個(gè)固定值,并且在國(guó)際電工委員會(huì)的IEC6041規(guī)程和美國(guó)國(guó)家規(guī)程ASME PTC18中作了明確的規(guī)定。為了滿足各種不同流態(tài)分布測(cè)量的需要,多聲道流量計(jì)具有多種聲道布置,對(duì)應(yīng)每種聲道布置,積分加權(quán)系數(shù)都有確定的值。表1是國(guó)際電工委員會(huì)IEC6041規(guī)程關(guān)于4/8聲道超聲流量計(jì)的聲道位置和加權(quán)積分系數(shù)的規(guī)定值。

表1　聲道位置和權(quán)積分系數(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,多聲道超聲測(cè)流技術(shù)亦在快速發(fā)展,近來(lái)市場(chǎng)上已出現(xiàn)了二重積分?jǐn)?shù)學(xué)模型,該技術(shù)徹底擺脫了修正系數(shù)。

采用對(duì)流速分布函數(shù)和面積分布函數(shù)的插值并積分的數(shù)學(xué)模型,流量計(jì)算不受雷諾數(shù)和摩擦系數(shù)的影響,徹底擺脫了修正系數(shù)(加權(quán)指數(shù)),消除了換能器安裝時(shí)因聲道高度偏差所引起的誤差,使得安裝工作簡(jiǎn)單化。

4多聲道超聲流量計(jì)的構(gòu)成

多聲道超聲流量計(jì)是由3對(duì)、4對(duì)、5對(duì)/6對(duì)、8對(duì)、10對(duì)/16對(duì)、18對(duì)超聲換能器、電子線路及流量顯示和累積系統(tǒng)三部分構(gòu)成。超聲流量計(jì)的電子線路包括發(fā)射、接受、信號(hào)處理、顯示電路。測(cè)得的瞬時(shí)流量和累積流量值用數(shù)字量或模擬量顯示。超聲發(fā)射換能器將電能轉(zhuǎn)換為聲能量,并將其發(fā)射到被測(cè)液體中,接收器接收到超聲信號(hào),經(jīng)電子線路放大并轉(zhuǎn)換為代表流量的電信號(hào)供給顯示器。

5多聲超聲流量計(jì)的特點(diǎn)

工業(yè)流量測(cè)量普遍存在著大管徑、大流量測(cè)量的問題,并且隨著國(guó)家政策對(duì)能源網(wǎng)改造的提出,企業(yè)對(duì)各個(gè)二級(jí)單位考核的更細(xì)節(jié)化,要求能夠在降低生產(chǎn)成本的前提下采購(gòu)性能更好、操作更方便的產(chǎn)品顯得更為迫切。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)形式流量計(jì)隨著測(cè)量管徑的增大會(huì)帶來(lái)制造、運(yùn)輸、安裝上的種種困難。多聲超聲流量計(jì)可以避免以上問題。它具有不停水在線安裝、維護(hù),并且無(wú)流阻、無(wú)壓力損失、量程寬、測(cè)量結(jié)果不受流體成分、壓力、溫度變化的影響,測(cè)量穩(wěn)定、準(zhǔn)確度高,可在線校驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn),更重要的是它的性能價(jià)格比要比傳統(tǒng)大口徑流量計(jì)高很多。正是由于多聲道超聲流量計(jì)具有其它傳統(tǒng)流量計(jì)產(chǎn)品無(wú)可比擬的優(yōu)越性、適應(yīng)性,才使得它越來(lái)越向產(chǎn)品的系統(tǒng)化、通用化發(fā)展,越來(lái)越多的使用在工業(yè)企業(yè)的各個(gè)場(chǎng)合。

6影響流量計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確度的因素

根據(jù)前文介紹,比起常規(guī)儀表,超聲流量計(jì)的智能化程度更高,應(yīng)用的技術(shù)更先進(jìn),也帶給用戶更大方便。但在實(shí)際使用過程中,還需要做好以下問題,才能得到較高的測(cè)量準(zhǔn)確度,更好地為客戶服務(wù)。

6.1　介質(zhì)要求

時(shí)間差法超聲流量計(jì)主要用于密度均勻液體,如果液體中含有懸浮顆粒和氣泡,超過某一范圍時(shí),液體的密度不均勻?qū)⑹钩曅盘?hào)傳播不穩(wěn)定,從而導(dǎo)致流量計(jì)不能準(zhǔn)確測(cè)量。

6.2　選型問題

選型問題是超聲流量計(jì)能夠正常工作的基礎(chǔ)。如果選型不當(dāng),會(huì)造成流量無(wú)法測(cè)量或用戶使用不便等后果。

6.2.1安裝方式的選擇

超聲波流量計(jì)分為插入式、管段式和外夾式三種。其中外夾式由于容易受到環(huán)境及管道內(nèi)壁附著物的影響和耦合劑問題使其難以長(zhǎng)年穩(wěn)定運(yùn)行,因此常用于便攜式流量測(cè)量,即裝即用；管段式的準(zhǔn)確度最高(可達(dá)±0.5%),適用于流量準(zhǔn)確度要求較高的現(xiàn)場(chǎng)；插入式界于二者中間,可以不斷流安裝,其測(cè)量不受材質(zhì)和管襯材料限制,測(cè)量準(zhǔn)確度也較高(±0.5%～±1.0%),是一種較理想的超聲流量計(jì)類型。

6.2.2聲道數(shù)的選擇

采用多少聲道的主要依據(jù)是測(cè)量準(zhǔn)確度要求和安裝儀表管道迎流狀況(取決于上游阻流件組成和直管段條件)以及管徑大小。常用的有單聲道、雙聲道、四聲道和八聲道4種,近年又出現(xiàn)三聲道、五聲道和六聲道。一般而言,管徑越大的管道其橫截面的流速分布越復(fù)雜,采用四聲道及以上的多聲道配置對(duì)提高測(cè)量精度起很大作用。但不可忽視的一點(diǎn)是隨著聲道的增加,費(fèi)用也將大幅提升,應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

6.3　安裝問題

在管道和流體介質(zhì)已經(jīng)確定的情況下,流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度主要取決于換能器的安裝位置和方式,因此正確選擇安裝場(chǎng)所及換能器安裝方式對(duì)于超聲流量計(jì)的穩(wěn)定運(yùn)行非常關(guān)鍵。

6.3.1安裝位置

為保證換能器前流體沿管軸平行流動(dòng),必須在換能器前設(shè)置一定的直管段。一般而言,應(yīng)保證上游直管段長(zhǎng)度大于10D(D為被測(cè)管道的通徑),下游大于5D。即在換能器安裝點(diǎn)的上下游15D管線上無(wú)彎頭、閥門等引起介質(zhì)擾動(dòng)的位置；管道應(yīng)充滿流體,即滿管流。超聲換能器盡量避免垂直安裝,因?yàn)楣艿赖捻敳恳拙奂瘹怏w,影響測(cè)量的準(zhǔn)確性；換能器安裝處和管壁反射處必須避開接口和焊縫。

6.3.2換能器的安裝方式

聲道布置的發(fā)送和接收方式采用直射的Z法還是反射的V法或W法,選擇的原則是要有足夠的聲道和介質(zhì)吸收聲波的程度,還要考慮管道內(nèi)壁的粗糙度。一般小管徑(25～75 mm)采用W型,中管徑(75～250 mm)采用V型,大管徑(>250 mm)采用Z型。

7結(jié)束語(yǔ)

綜上所述,在我廠大口徑循環(huán)水計(jì)量中所采用的測(cè)量?jī)x表的主要特點(diǎn),匯總?cè)绫?所顯示,由此可見超聲流量計(jì)在測(cè)量大口徑流量方面具有十分突出的優(yōu)勢(shì)。

表2　大口徑水流量計(jì)性能特點(diǎn)匯總表

作為水資源消費(fèi)大戶的石化企業(yè),運(yùn)用先進(jìn)可靠的儀表設(shè)備,建立完善的水資源管理系統(tǒng),對(duì)此進(jìn)行合理的監(jiān)控和管理,對(duì)于節(jié)能降耗、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)是非常必要的。隨著超聲技術(shù)不斷成熟,精度逐步提高,做好選型、安裝、維護(hù)等,多聲道超聲流量計(jì)在大管徑循環(huán)水管道上使用的優(yōu)越性會(huì)更為顯現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：雷耀彩(1968-),男,工程師,從事計(jì)量管理工作,電話：13592025159。

收稿日期：2015-04-10

中圖分類號(hào)：TQ056.15

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1003-3467(2015)07-0052-04