超聲波流量計在熱水交接計量的應用

為充分利用企業(yè)余熱，中國石化鎮海煉化分公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)鎮海煉化）將二甲苯裝置產(chǎn)出的熱水（出裝置壓力不大于1.4MPa、溫度140～150℃）供給金海德旗公司，金海德旗公司換熱使用后把回水返送給鎮海煉化。金海德旗公司負責設置上水和回水流量差上限報警，為30t/h，回水溫度上限95℃，下限85℃。熱水和回水均安裝了超聲波流量計，供水交接量和回水監督量由鎮海煉化配置的西門(mén)子超聲波流量計計量；回水交接量和供水監督量由金海德旗公司配置的弗萊克森超聲波流量計計量。通過(guò)近一年的應用，取得了較好的經(jīng)濟效益，實(shí)現了企業(yè)余熱利用的最大化。

1 超聲波流量計介紹

超聲波流量計是一種利用超聲波脈沖測量流體流量的速度式流量?jì)x表，是20世紀70年代國際上發(fā)展起來(lái)的高科技產(chǎn)品，廣泛用于自來(lái)水、水利、化工、冶金、電力、石油、環(huán)保、采暖空調等各行各業(yè)。

超聲波流量計采用先進(jìn)的“時(shí)差法”測量原理———聲波在流體中順流、逆流傳播相同距離時(shí)存在的時(shí)間差與被測流體的流動(dòng)速度有關(guān)，測出這個(gè)時(shí)間差就可以得出流體的流速，也就可以計算出流體的流量。超聲波流量計由主機和傳感器兩部分組成，使用時(shí)將傳感器貼裝在管壁外側或采用插入式探頭插入管壁內。超聲波流量計的測量原理見(jiàn)圖1。

圖1 超聲波流量計時(shí)差法測量原理

圖1中，A、B是一對可輪流發(fā)射或接收超聲波脈沖的換能器。超聲波入射時(shí)在管壁及流體界面處都會(huì )發(fā)生折射，α為入射角，β和γ分別為超聲波進(jìn)入管壁和流體的折射角，Cα、Cβ、Cγ分別為在三種介質(zhì)中的聲速，V為流體的流速，根據聲波折射定律

    （1）

則聲波在換能器內的傳播時(shí)間

    （2）

聲波在管壁內傳播時(shí)間

    （3）

聲波在流體內傳播時(shí)間

順流時(shí)從A到B：

    （4）

逆流時(shí)從B到A：

    （5）

聲波總傳播時(shí)間

從A到B（順流時(shí)）：

    （6）

從B到A（逆流時(shí)）：

    （7）

已知變量：α、Cα、Cβ、h、d、L1、L2、L3、K

實(shí)際測得量：t_AB、t_BA

平均時(shí)間：t_avg=（t_AB+t_BA）/2

時(shí)間差：Δt=t_BA－t_AB

介質(zhì)聲速：      （8）

流體流速：      （9）

液體流量：      （10）

供水交接量和回水監督量配置了2臺西門(mén)子7ME3110分體式管道式超聲波流量計，壓力等級ANSI150，法蘭和本體材質(zhì)使用碳鋼，傳感器外殼材質(zhì)和傳感器接觸面材質(zhì)選用316L不銹鋼材質(zhì)。換能器型號選用FUS060，可以在不斷流的情況下輕松更換。最高溫度200℃，外殼防護等級IP67，防爆等級EExdⅡCT4，輸出信號為4～20mA。為了確保數據準確，配備了博世達FC2000-1AE的熱量積累儀，同時(shí)把溫度信號也引入熱量積累儀，經(jīng)過(guò)計量后，通過(guò)RS485將熱量信號、溫度信號和流量信號上傳到DCS系統。

回水交接量和供水監督量配置了2臺德國弗萊克森公司的ADM8027/FSM便攜式超聲波流量計，探頭直接安裝在管道外壁上，自身無(wú)磨損，不受介質(zhì)影響，安裝簡(jiǎn)便快速，無(wú)需切斷工藝管道，無(wú)需工藝停車(chē)，并且無(wú)壓損。由于采用獨特的雙uP技術(shù)、高速采樣和自適應信號處理技術(shù)，即使在苛刻的測量工況下也能可靠而穩定地工作。自動(dòng)識別探頭及其標定數據，能縮短設置時(shí)間，并能提供精確、持久穩定的測量結果。外夾式探頭經(jīng)ATEXzone1認證，量程寬，測量管徑范圍從DN10mm～DN6500mm，測量溫度范圍從－40～+400℃；防塵、防潮，用戶(hù)界面友好。為了確保超聲波流量計數據準確，采用浙中控無(wú)紙記錄儀，型號AR4102AOROOPWOC4SCFC1NAC/513，同時(shí)把溫度信號也引入無(wú)紙記錄儀，經(jīng)過(guò)計量后，通過(guò)RS485將熱量信號、溫度信號和流量信號上傳到DCS系統。

2 在熱水計量中的應用及分析

超聲波流量計于2012年8月份投運以后，在壓力穩定在1.0MPa的情況下，兩者的比對差率為0.5%，達到貿易結算要求。每月熱水按39470t輸送量，則月效益142萬(wàn)元，全年創(chuàng )效可達到1700萬(wàn)元，經(jīng)濟效益顯著(zhù)。應用情況總結如下。

（1）選用了進(jìn)口的超聲波流量計，選型前對壓力等級、最高溫度、流量范圍、工藝管徑等工藝參數進(jìn)行反復確認。由于進(jìn)水溫度比回水溫度高，選用了不同的傳感器，而且對傳感器的安裝完全按說(shuō)明書(shū)要求進(jìn)行，確保了流量計的正常使用。

（2）超聲波流量計輸出均配流量積算功能，實(shí)現水的熱量計算和累積，水的密度和焓值根據溫度和壓力進(jìn)行補償。導入一定壓力下的溫度－密度（ρ）/焓值（h）對照表，運用內插的方法，計算得出相應溫度下對應的水密度和焓值，并通過(guò)公式E=∫ρ·h·Fvdt，其中Fv為體積流量，t為單位時(shí)間，計算得到熱量。由于壓力對計算的準確性影響較小，所以雙方均沒(méi)有引入壓力動(dòng)態(tài)補償，在運行穩定的時(shí)候，將穩定工況下的固定壓力導入補償結算公式。

（3）雙方技術(shù)人員以相同標準對4臺超聲波流量計進(jìn)行了安裝驗收，對組態(tài)參數進(jìn)行確認，要求溫度和流量量程、小信號切除點(diǎn)、濾波時(shí)間等參數完全一致。密度和熱焓均根據IAPWS-IF97中的公式計算。IAPWS-IF97公式根據不同的壓力和溫度把密度和熱焓有效范圍分成5個(gè)區，如圖2所示，1區為常規水區；2區為過(guò)熱蒸汽區；3區為臨界區；4區為飽和線(xiàn)，即為濕蒸汽區；5區為低壓高溫區。針對熱水主要使用第1區。

通過(guò)式（11）可實(shí)現熱量計算

E_熱量=Q_質(zhì)量×h_熱焓=V_體積×ρ_密度×h_熱焓            （11）

圖2 密度和熱焓的不同分區

（4）雙方技術(shù)人員共同參與超聲波流量計的調試，發(fā)現問(wèn)題進(jìn)行整改。在投運初期根據實(shí)際工況通過(guò)手動(dòng)查表進(jìn)行計算的結果和結算儀的顯示值進(jìn)行比對。2012-08-29雙方共同對回水的交接量進(jìn)行驗算，數據見(jiàn)表1。

表1 回水的交接量數據

通過(guò)比對，差率符合要求。在調試2臺超聲波流量計時(shí)，發(fā)現超聲波流量計輸出流量單位與結算儀中流量單位參數不匹配。當時(shí)外供熱水設計流量為質(zhì)量流量，計量單位為t，因此，最初超聲波流量計表頭流量設置的是質(zhì)量流量，而博世達FC2000-1AE熱量積累儀設定為體積流量，實(shí)際熱水供水壓力1.0～1.13MPa、溫度145～148℃，回水壓力0.3MPa、溫度為87～100℃，因此，帶來(lái)熱水密度轉換時(shí)造成的流量誤差。為此，重新設置了超聲波流量計流量單位，由質(zhì)量流量變更為體積流量輸出，以匹配流量計與熱量結算儀參數一致。

3 計量中需改進(jìn)的問(wèn)題

3.1 流量監控時(shí)雙方體積流量可比對性差

雙方熱水輸送距離有6km，鎮海煉化供水溫度147℃，金海德旗公司收到溫度141℃；金海德旗公司回水溫度99℃，鎮海煉化收到溫度97℃，長(cháng)輸線(xiàn)及熱量損失決定了雙方交接量若采用超聲波流量計提供的體積量可比性較差，僅金海德旗公司供回水表體積差量可達4～9m³/h。因此，熱水輸送的特殊性決定雙方供回水交接量的比對只能用結算儀提供的質(zhì)量流量進(jìn)行比對。

3.2 壓力波動(dòng)對質(zhì)量流量的影響

計量投運后發(fā)現壓力波動(dòng)對質(zhì)量流量準確性有影響，特別是壓力增大時(shí)，雙方質(zhì)量流量比對偏差也開(kāi)始增大，2012年10月開(kāi)工初期雙方交接質(zhì)量流量比對差率為－0.66%，11月達到－1.08%。

圖3為2012年12月上半月壓力與交接質(zhì)量流量差率變化情況。

圖3 2012年12月上半月壓力與交接質(zhì)量流量差率變化情況

由于鎮海煉化的熱水流量、溫度信號均引入FC2000-1AE熱量積累儀中，實(shí)現了實(shí)時(shí)補償，壓力變送器信號未引入結算儀中，壓力采用了固定參數設置，鎮海煉化結算儀中供水壓力設置為1.0MPa，回水壓力設置為0.3MPa，結算儀根據溫壓參數計算出質(zhì)量。壓力固定造成密度計算的差異，從而造成質(zhì)量流量的偏差。

3.3 壓力補償對經(jīng)濟效益的影響

為避免壓力波動(dòng)對質(zhì)量流量與熱量結算的影響，盡量穩定供回水壓力在設定壓力，同時(shí)FC2000-1AE熱量積累儀可引入壓力變送器信號進(jìn)行壓力實(shí)時(shí)補償，建議原管道上用于壓力控制的變送器信號可通過(guò)信號分配器一分為二，其中一路輸出至FC2000-1AE熱量積累儀中解決壓力波動(dòng)對流量的影響，實(shí)現實(shí)時(shí)壓力補償。經(jīng)測算供水壓力在1.0MPa基礎上升高0.07MPa，質(zhì)量流量偏差增大1%，每月熱水按39470t輸送量，則月虧損1.42萬(wàn)元。

3.4 溫度誤差對經(jīng)濟效益的影響

雖然鎮海煉化的熱水流量中的溫度信號引入FC2000-1AE熱量積累儀中，實(shí)現了實(shí)時(shí)補償，但溫度計配的二級熱電偶，誤差達2.5℃。對熱電偶檢定結果顯示常用溫度范圍檢定誤差為－1.68%，溫度低2.2～3℃。如160℃供水溫度，溫差2.7℃，影響熱值差量3.463GJ，每日虧損3.463×36=125元，則月虧損0.4萬(wàn)元。建議選用熱電阻作為貿易交接的溫度補償溫度計。

4 結論

超聲波流量計通過(guò)測量流量，同時(shí)配置流量積累儀和根據需要配壓力和溫度補償，能夠準確用于熱能的貿易計量，確保能源的準確計量，并在熱水交接計量中獲得較好的應用，具有廣闊的推廣空間。