多聲道超聲流量計在大口徑循環(huán)水管道中的應用

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)應用廣泛，其輸送管道一般管徑較大，通常為600～1000mm，甚至1000mm以上。過(guò)去曾采用過(guò)多種流量計進(jìn)行測量，如電磁流量計、渦輪流量計、渦街流量計等，但由于循環(huán)水雜質(zhì)多，在實(shí)際應用中常出現傳感器被雜物覆蓋或纏繞而影響正常使用，從而無(wú)法提供準確的流量數據。

隨著(zhù)大多數企業(yè)對能源計量更新的認識以及需求的提高，在一些大口徑或是直管段不足的循環(huán)水流量的穩定精確計量，成為亟需解決的問(wèn)題。近幾年，隨著(zhù)多聲道超聲流量計技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，超聲流量計以其安裝方便、維護量小、測量范圍寬，適應較為復雜的管道結構和流態(tài)分布等優(yōu)點(diǎn)，較好地解決了大口徑循環(huán)水流量測量的技術(shù)難題。

1 大口徑循環(huán)水管道計量的特點(diǎn)

由于循環(huán)水管道口徑較大，流量也很大，儀表運行中稍有偏差，就會(huì )帶來(lái)很大測量誤差。為使其得到準確的流量數據，需要在測量過(guò)程中達到如下要求：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(guò)大，在流量計長(cháng)期運行中會(huì )使流體動(dòng)能損失巨大，造成能源浪費。為使大口徑管道精確計量，需在測量過(guò)程中壓力損失足夠小。②能實(shí)現在線(xiàn)維修。因大口徑管道安裝處較潮濕且又不易斷流維護，一般很難為裝設流量計而安排旁通，即使裝有旁通及閥門(mén)，啟閉困難，且難以保證閥門(mén)的嚴密，因此選用的測量?jì)x表應維護量小且便于維修。③受介質(zhì)內雜物影響小。因循環(huán)水管道內介質(zhì)含有的雜質(zhì)較多，管道內經(jīng)常會(huì )含有泥土、油污、雜物等，應注意機械強度和水內雜質(zhì)對測量元件的污染、纏繞、覆蓋等問(wèn)題。因此應選用無(wú)可動(dòng)機械部件或傳感器不易受影響的測量?jì)x表。④能夠實(shí)現在線(xiàn)標定。管道口徑大，流量也大，標定時(shí)會(huì )有許多麻煩與困難，因此只能在運行中在線(xiàn)標定。

2 其他類(lèi)型流量計應用中存在的問(wèn)題

大口徑循環(huán)水計量?jì)x表大致有以下幾種：超聲波流量計，電磁流量計，渦街流量計，差壓式流量計等，各種流量計主要存在問(wèn)題如下。

2.1 電磁流量計

電磁流量計是利用電磁感應原理測出導管中導電液體的平均流速，進(jìn)一步求得液體的體積流量。它具有壓力損失小，不受被測液體的溫度、壓力、黏度等影響，可測量含雜質(zhì)液體，量程寬、口徑大、反應靈敏、前后直管段要求不高、耐腐蝕、壽命長(cháng)等顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)，因此在循環(huán)水計量中廣泛采用。但實(shí)際工作中仍存在一定問(wèn)題：①測量誤差受外界電磁場(chǎng)影響。因此安裝時(shí)應特別注意避免劇烈震動(dòng)和交直流強磁場(chǎng)。②受流速分布影響，在流速軸對稱(chēng)分布的情況下，流量信號與平均流速成正比，由于流速分布和渦流的影響，流量計上游直管段應有一定的長(cháng)度，一般可取5D。③電極表面易污染。在測量有附著(zhù)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

渦街流量計是利用“卡門(mén)渦街”原理進(jìn)行流量測量。由渦街流量傳感器和流量顯示儀表兩部分構成。表內部無(wú)可動(dòng)部件，構造簡(jiǎn)單，使用壽命長(cháng)。線(xiàn)性測量范圍寬達30∶1。在一定的雷諾數范圍內漩渦產(chǎn)生的頻率只與液體流速有關(guān)，幾乎不受被測液體參數（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，易于實(shí)現數字化測量及與計算機聯(lián)用等優(yōu)勢，在小管徑循環(huán)水中應用較多，大管徑上應用較少，原因如下：①漩渦發(fā)生體易受污染。渦街流量計比較適用于測量?jì)羲�、凝結水等雜質(zhì)較少的液體，在介質(zhì)較臟污的情況下，漩渦發(fā)生體容易結垢甚至被水中含有的其他雜質(zhì)纏繞，產(chǎn)生假信號，影響正常測量。②受管道震動(dòng)影響較大。管線(xiàn)震動(dòng)較大則容易引起測量誤差，使得測量結果與實(shí)際發(fā)生嚴重偏離。在安裝時(shí)需在管線(xiàn)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，測量偏差較大。一般在0.4m/s以下，不能準確測量。④存在整體拆卸標定麻煩、維修困難等問(wèn)題，無(wú)法保證數據的真實(shí)性。

2.3 孔板流量計

孔板流量計根據流體流經(jīng)節流件所產(chǎn)生的壓力差與流量間關(guān)系來(lái)測量流體的流量。具有結構簡(jiǎn)單、無(wú)可動(dòng)部件，可靠性較高，復現性能好，適應性廣，可適用于大管徑流量測量等優(yōu)點(diǎn)。在多年實(shí)際應用過(guò)程中，常出現變送器零點(diǎn)漂移和引壓管被臟污介質(zhì)堵塞等現象，具體分析如下：①安裝精度要求嚴格。盡管安裝規范一般都能夠掌握，但有些細節往往沒(méi)有引起重視，導致較大的計量誤差。如密封墊片內孔未按環(huán)室尺寸加工，墊片伸出環(huán)室，干擾流體穩定流動(dòng)；導壓管走向不合理，差壓無(wú)法順利傳導；平衡器不水平，直接產(chǎn)生計量誤差等。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，甚至對孔板產(chǎn)生沖刷和腐蝕，特別是對孔板直角入口邊緣和測量管內壁的沖刷腐蝕特別嚴重，這將影響到孔板直角入口邊緣圓弧半徑和測量管內壁相對粗糙的規定標準，使測量準確度達不到要求。③測量范圍小，僅為3∶1。測量范圍一般在設計流量的30%～90%為正常測量。如果低于30%，則測量結果更低于實(shí)際量；而大于90%以上，則測量結果更高于實(shí)際量。另外，孔板測量的一個(gè)主要欠缺在于存在較大的壓力損失，系統準確度不高。

3 超聲流量計的工作原理

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

3.1 工作原理

時(shí)間差法超聲流量計是指通過(guò)測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(mǎn)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。因為在靜止的流體中，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由于，因此上面的公式可以轉換為：

    （4）

超聲傳播聲路上的平均流速

    （5）

管道橫截面積上平均流速，K為速度分布修正系數

    （6）

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

    （7）

3.2 流量計算數學(xué)模型

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

式中，A為管道橫截面面積；K_i為聲道加權積分系數；n為聲路數；v_i為沿聲道的平均軸向流速。

圖1 管道內水流態(tài)分布

3.3 多聲道超聲流量計的加權積分系數

對于多聲道超聲流量計，其每個(gè)聲道的積分加權系數是一個(gè)固定值，并且在國際電工委員會(huì )的IEC6041規程和美國國家規程ASMEPTC18中作了明確的規定。為了滿(mǎn)足各種不同流態(tài)分布測量的需要，多聲道流量計具有多種聲道布置，對應每種聲道布置，積分加權系數都有確定的值。表1是國際電工委員會(huì )IEC6041規程關(guān)于4/8聲道超聲流量計的聲道位置和加權積分系數的規定值。

表1 聲道位置和權積分系數

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

采用對流速分布函數和面積分布函數的插值并積分的數學(xué)模型，流量計算不受雷諾數和摩擦系數的影響，徹底擺脫了修正系數（加權指數），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 多聲道超聲流量計的構成

多聲道超聲流量計是由3對、4對、5對/6對、8對、10對/16對、18對超聲換能器、電子線(xiàn)路及流量顯示和累積系統三部分構成。超聲流量計的電子線(xiàn)路包括發(fā)射、接受、信號處理、顯示電路。測得的瞬時(shí)流量和累積流量值用數字量或模擬量顯示。超聲發(fā)射換能器將電能轉換為聲能量，并將其發(fā)射到被測液體中，接收器接收到超聲信號，經(jīng)電子線(xiàn)路放大并轉換為代表流量的電信號供給顯示器。

5 多聲超聲流量計的特點(diǎn)

工業(yè)流量測量普遍存在著(zhù)大管徑、大流量測量的問(wèn)題，并且隨著(zhù)國家政策對能源網(wǎng)改造的提出，企業(yè)對各個(gè)二級單位考核的更細節化，要求能夠在降低生產(chǎn)成本的前提下采購性能更好、操作更方便的產(chǎn)品顯得更為迫切。這是因為傳統形式流量計隨著(zhù)測量管徑的增大會(huì )帶來(lái)制造、運輸、安裝上的種種困難。多聲超聲流量計可以避免以上問(wèn)題。它具有不停水在線(xiàn)安裝、維護，并且無(wú)流阻、無(wú)壓力損失、量程寬、測量結果不受流體成分、壓力、溫度變化的影響，測量穩定、準確度高，可在線(xiàn)校驗等優(yōu)點(diǎn)，更重要的是它的性能價(jià)格比要比傳統大口徑流量計高很多。正是由于多聲道超聲流量計具有其它傳統流量計產(chǎn)品無(wú)可比擬的優(yōu)越性、適應性，才使得它越來(lái)越向產(chǎn)品的系統化、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 影響流量計測量準確度的因素

根據前文介紹，比起常規儀表，超聲流量計的智能化程度更高，應用的技術(shù)更先進(jìn)，也帶給用戶(hù)更大方便。但在實(shí)際使用過(guò)程中，還需要做好以下問(wèn)題，才能得到較高的測量準確度，更好地為客戶(hù)服務(wù)。

6.1 介質(zhì)要求

時(shí)間差法超聲流量計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(guò)某一范圍時(shí)，液體的密度不均勻將使超聲信號傳播不穩定，從而導致流量計不能準確測量。

6.2 選型問(wèn)題

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

6.2.1 安裝方式的選擇

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

6.2.2 聲道數的選擇

采用多少聲道的主要依據是測量準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雜，采用四聲道及以上的多聲道配置對提高測量精度起很大作用。但不可忽視的一點(diǎn)是隨著(zhù)聲道的增加，費用也將大幅提升，應根據實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

6.3 安裝問(wèn)題

在管道和流體介質(zhì)已經(jīng)確定的情況下，流量計的測量準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于超聲流量計的穩定運行非常關(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)，必須在換能器前設置一定的直管段。一般而言，應保證上游直管段長(cháng)度大于10D（D為被測管道的通徑），下游大于5D。即在換能器安裝點(diǎn)的上下游15D管線(xiàn)上無(wú)彎頭、閥門(mén)等引起介質(zhì)擾動(dòng)的位置；管道應充滿(mǎn)流體，即滿(mǎn)管流。超聲換能器盡量避免垂直安裝，因為管道的頂部易聚集氣體，影響測量的準確性；換能器安裝處和管壁反射處必須避開(kāi)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，還要考慮管道內壁的粗糙度。一般小管徑（25～75mm）采用W型，中管徑（75～250mm）采用V型，大管徑（＞250mm）采用Z型。

7 結束語(yǔ)

綜上所述，在我廠(chǎng)大口徑循環(huán)水計量中所采用的測量?jì)x表的主要特點(diǎn)，匯總如表2所顯示，由此可見(jiàn)超聲流量計在測量大口徑流量方面具有十分突出的優(yōu)勢。

表2 大口徑水流量計性能特點(diǎn)匯總表

作為水資源消費大戶(hù)的石化企業(yè)，運用先進(jìn)可靠的儀表設備，建立完善的水資源管理系統，對此進(jìn)行合理的監控和管理，對于節能降耗、實(shí)現可持續發(fā)展的目標是非常必要的。隨著(zhù)超聲技術(shù)不斷成熟，精度逐步提高，做好選型、安裝、維護等，多聲道超聲流量計在大管徑循環(huán)水管道上使用的優(yōu)越性會(huì )更為顯現。