流量測量技術(shù)綜述

    1 引言

    流量測量是工業(yè)過(guò)程測量中的一個(gè)重要參數。在工業(yè)生產(chǎn)中承擔著(zhù)兩類(lèi)重要任務(wù)：其一為流體物資貿易核算儲運管理和污水廢氣排放控制的總量計量；其二為流程工業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低成本以及水利工程和環(huán)境保護等作必要的流量檢測和控制。

    流量測量涉及廣泛的應用領(lǐng)域。過(guò)程測量、能源計量、環(huán)境保護、交通運輸等高耗能領(lǐng)域對流量測量的需求急速增長(cháng)，為流量測量技術(shù)提出了新的要求。不僅要求流量測量?jì)x表耐高溫高壓，而且能自動(dòng)補償參數變化對測量精度的影響，從節約能源、成本核算、貿易往來(lái)及醫藥衛生等方面的特殊要求考慮，要求流量測量精度高、壓損小、可靠性高。新技術(shù)、新器件、新材料和新工藝及新軟件的開(kāi)發(fā)應用，使得流量計的測量準確度越來(lái)越高，流量的測量范圍越來(lái)越廣。同時(shí)流量計對測量介質(zhì)的要求在降低，適用范圍也越來(lái)越寬，智能化程度及可靠性得到了很大的提高。

    2 流量的測量

    2.1 流量測量的概念及方法分類(lèi)

    介質(zhì)在單位時(shí)間內通過(guò)給定的通道或管道橫截面的量叫做通過(guò)該截面的流量。流量的讀數可以是質(zhì)量單位或容積單位。流量也是總量除以時(shí)間的商。反之，總量可以看作流量與時(shí)間的積。流量與總量都是物理量，彼此通過(guò)時(shí)間相聯(lián)系。

    流量測量方法大致可以歸納為以下四種：利用伯努利方程原理，通過(guò)測量流體差壓信號來(lái)反映流量的差壓式流量測量法，用這種方法制成的儀表如轉子流量計、靶式流量計、彎管流量計等；通過(guò)直接測量流體流速來(lái)得出流量的速度式流量測量法，用這種方法制成的儀表如渦輪流量計、渦街流量計、電磁流量計、超聲波流量計等；利用標準小容積來(lái)連續測量流量的容積式測量，用這種方法制成的儀表如橢圓齒輪流量計、腰輪流量計、刮板流量計等；以測量流體質(zhì)量流量為目的的質(zhì)量流量測量法，用這種方法制成的儀表如熱式質(zhì)量流量計、科氏質(zhì)量流量計、沖量式質(zhì)量流量計等。

    2.2 國內外新成果舉例

    2007年清華大學(xué)高晉元教授發(fā)表《參數估計法測量?jì)上嗔髁魉佟芬晃�，提出運用模型參數估計可直接辨識隨機流動(dòng)噪聲的渡越時(shí)間，能起到在時(shí)域對傳感器信號進(jìn)行預濾波的作用，推動(dòng)了我國在相關(guān)流量測量技術(shù)上的進(jìn)步。

    巴西的Pereira所設計的改進(jìn)的音速?lài)娮焓且环N新型的音速文丘里噴嘴。它的喉部和擴散管是分別加工的，因此便于制造，而且測量各部件的幾何形狀和尺寸也更方便；俄羅斯Kopp等人的基于流體動(dòng)力學(xué)效應實(shí)現轉子懸浮的速度式流量傳感器，十分引人注目；日本Yamada等人將鎧裝溫度計插在孔板的差壓檢測部位，并測試其對差壓測量值的影響，結果發(fā)現對差壓測量放幾乎沒(méi)有影響。這就使帶溫壓自動(dòng)補償功能的差壓變送器的開(kāi)發(fā)成為可能。

    3 常用流量計簡(jiǎn)介

    3.1 節流式流量計

    節流式流量計是一種典型的差壓流量計。是目前工業(yè)生產(chǎn)中用來(lái)測量氣體、液體和蒸汽流量的最常用的一種流量?jì)x表。節流式流量計通常由能將流體流量轉換成差壓信號的節流裝置及測量差壓并顯示流量的差壓計組成。如圖1所示。

圖1 節流式流量計組成示意圖

    節流式流量計基于流體流經(jīng)管內固定的節流元件時(shí)，在節流件前后產(chǎn)生了差壓，根據測量與流量有一定關(guān)系的差壓而確定被測流量的
大小。

    測量原理：把流體流動(dòng)方程和連續性方程聯(lián)立得到體積流量公式如下：

    式中：

    p₁、p₂—選定兩截面上流體的靜壓力；

    u₁、u₂—選定兩截面上流體的平均流速；

    ρ₁、ρ₂—選定兩截面上流體的密度；

    D、d'—選定兩截面上流束直徑；

    由上式可知，在節流元件確定條件下，體積流量與差壓成正比，通過(guò)差壓檢測裝置檢測差壓后，經(jīng)計算就可得到體積流量的值。

    3.2 電磁流量計

    電磁流量計廣泛應用于各種導電液體的體積流量測量，被測介質(zhì)在測量管內，由于沒(méi)有阻滯部件，所以沒(méi)有壓力損失。而且此流量計無(wú)機械慣性，反應靈敏，可測范圍大，而且線(xiàn)性較好，測量精度高，可直接進(jìn)行等分刻度，適用管徑范圍寬。

    電磁流量計測量原理：設在均勻磁場(chǎng)中垂直于磁場(chǎng)方向放置一個(gè)直徑為D的管道。管道由不導磁材料制成，當導電的液體在導管中流動(dòng)時(shí)，導電液體切割磁力線(xiàn)，因而在磁場(chǎng)及流動(dòng)方向上產(chǎn)生感應電動(dòng)勢，如安裝一對電極，則電極間產(chǎn)生與流速成正比的電位差。通過(guò)測量此電位差可求得流體流量。

    流體流量方程為：

    式中：

    B—為磁感應強度；D—管道內徑；

    u—流體平均流速；E—感應電勢。

    由式可知，當測量管一定時(shí)，體積流量q_v與比值成正比，而與流體的狀態(tài)和物理參數無(wú)關(guān)，測量比值即可得到體積流量q_v。當磁感應強度B為恒定值時(shí)體積流量q_v與感應電動(dòng)勢E成正比。通過(guò)測量感應電動(dòng)勢就可間接計算出流體體積流量。

    3.3 渦街流量計

    渦街流量計是60年代末出現的新型流量?jì)x表。具有精度高、量程比寬、使用壽命長(cháng)、壓力損失小等優(yōu)點(diǎn)深受用戶(hù)的歡迎，發(fā)展十分迅速。

    渦街流量計是利用流體振蕩的原理進(jìn)行流量測量。在均勻流動(dòng)的流體中，垂直地插入一個(gè)具有非流線(xiàn)型截面的柱體，稱(chēng)為漩渦發(fā)生體，則在其兩側會(huì )產(chǎn)生旋轉方向相反、交替出現的漩渦，當每?jì)蓚�(gè)旋渦之間的縱向距h和渦列間橫向距離L滿(mǎn)足一定的關(guān)系，即h/L=0.281時(shí)，這兩個(gè)旋渦列將是穩定的，稱(chēng)之為“卡門(mén)渦街”，漩渦體產(chǎn)生頻率與流速的關(guān)系：

    式中：

    d—漩渦發(fā)生體的特征尺寸。則流體體積流量公式如下：

    式中：f—漩渦產(chǎn)生的頻率；u—流體流速；d—直徑，漩渦發(fā)生體的特征尺；St—斯特羅哈爾數；D—管道內徑；A—在漩渦發(fā)生體處的流通截面積。

    由上式可知，在斯特羅哈爾數為常數的基礎上，通過(guò)渦街流量計的體積流量與漩渦頻率成正比。通過(guò)檢測漩渦頻率，就可以計算出流體積流量。

    3.4 超聲波流量計

    超聲波在流動(dòng)的流體中傳播時(shí)，就載上流體流速的信息，利用接收到的超聲波信號即可測量流體的流速與流量。具有無(wú)壓力損失、不擾流、輸出線(xiàn)性、量程比大等優(yōu)點(diǎn)。超聲波流量計也存在些缺點(diǎn)：傳感器的安裝直接影響到計量的準確度，因此對安裝的要求十分嚴格；準確度小及電磁流量計結構較為復雜；故障排除較困難；抗干擾性較差；對安裝地點(diǎn)環(huán)境要求較高。

    超聲波入射到管道流體中，順流傳播時(shí)間與逆流傳播時(shí)間之差與流體的流速有確定的對應關(guān)系。超聲波測流量的作用原理有傳播速度法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法、相關(guān)法、流速—液面法等多種方法。超聲波流量計由超聲波換能器、電子線(xiàn)路及流量顯示系統組成。

    4 流量測量技術(shù)在電廠(chǎng)中的應用

    4.1 主蒸汽流量測量

    火電機組主蒸汽流量的準確測量，對于機組的經(jīng)濟性分析和節能降耗工作均具有重要的價(jià)值。對于主蒸汽流量的測量，傳統上主要采用直接測量法，即使用孔板流量計、渦街流量計等進(jìn)行直接測量。直接測量主蒸汽流量的方法主要應用于小型的汽輪發(fā)電機組，對于高參數，特別是超臨界機組，采用直接測量方案在工藝及誤差控制方面都存在較大困難，并且節流損失也不容忽視。因此現今的大容量汽輪機組在系統設計時(shí)，為了減小節流損失，通常不設主蒸汽流量節流測量裝置，而是利用汽輪機DAS系統的有關(guān)參數間接換算得出主蒸汽流量，即采用間接測量法。

    采用間接換算法方案，源于汽輪機理論中著(zhù)名的Flugel公式。對于具有n級的汽輪機組在變工況下未達臨界時(shí)，級組前后參數與流量之間的關(guān)系可由下式表達：

    上式中：G_r為變工況下的流量，G₀為設計工況下的流量；T₀、P₀表示設計工況下的主蒸汽絕對溫度和壓力；T_0r、P_0r表示變工況下的主蒸汽絕對溫度和壓力；P₂表示設計工況下的級后壓力，P_2r表示變工況下的級后壓力。

    當所取的級組較多且含凝汽式機組的末級時(shí)，由于排汽壓力值與級組進(jìn)汽壓力值相比小得多，并且在級組前溫度變化較小時(shí)，溫度修正項接近于1，故上式可轉為更簡(jiǎn)單的形式：

    大容量汽輪機組數據采集系統（DAS）顯示的主蒸汽流量是根據調節級壓力等測量參數經(jīng)過(guò)換算求得的。對上式的應用有著(zhù)明確的條件限制：通流面積不變；級組內各級流量相同；級組內各級前溫度變化率相同；級組內不得串有其他非線(xiàn)性元件。

    4.2 循環(huán)水流量測量

    電廠(chǎng)循環(huán)水流量的測量，是測定冷卻水泵性能以及實(shí)現冷卻水泵優(yōu)化調度的重要環(huán)節。目前，在測定凝汽器的冷卻水流量時(shí)，通常采用超聲波流量計或者根據凝汽器的熱平衡推算冷卻水流量。

    在汽輪機凝汽器中，除汽輪機排汽外，還有低壓加熱器的疏水在凝汽器中放熱。放出的熱量被冷卻水吸收。由于疏水量較小，而且其在凝汽器中放熱量也較少，故忽略各種疏水在疑汽器中的放熱量。則由凝汽器的熱平衡，蒸汽凝結所放出的熱量等于冷卻水吸收的熱量，即：

    其中，D_w為冷卻水流量；D_c為汽輪機的排氣量；h_c-h_c'為1Kg排氣在凝汽器中的放熱量，其數值大小可由汽輪機的熱力試驗確定。通常，按照實(shí)用精確度的原則，h_c-h_c'可以認為是常量，對于中間再熱式汽輪機為2300KJ/Kg，非中間再熱式汽輪機為2200KJ/Kg；c_p為冷卻水的比熱；Δt為冷卻水在凝汽器中的溫升，其數值可以冷卻水入口及出口的溫度表記直接得到。由于凝汽式汽輪機最末級處于超臨界流動(dòng)狀態(tài)，故運行中汽輪機排汽量與汽輪機最末段回熱抽汽壓力成正比，即：

    式中：D_c0為汽輪機設計工況下的汽輪機排汽量；p_e0為設計工況下汽輪機最末段回熱抽汽壓力；p_e1為運行過(guò)程中實(shí)測的汽輪機最末段回熱抽汽壓力，D_c0、p_e0可以根據汽輪機制造廠(chǎng)家提供的汽輪機熱力特性說(shuō)明書(shū)中得到。

    5 結論

    盡管流量測量技術(shù)發(fā)展日趨成熟，但是在測量和應用方面依舊不盡人意，儀表種類(lèi)繁多，不同場(chǎng)合要選不同類(lèi)型的儀表，至今尚無(wú)一種儀表的可靠性和準確度能滿(mǎn)足多類(lèi)要求。因此在選用流量測量?jì)x表時(shí)，在滿(mǎn)足實(shí)際運行測量要求的基礎上，還要儀表的經(jīng)濟型�？偨Y儀表選用考慮的因素包括：測量環(huán)境、精確度、重復性、線(xiàn)性度、測量范圍、壓力損失、響應時(shí)間等。