多聲道超聲流量計在大口徑循環(huán)水管道中的應(yīng)用

雷耀彩

(中國石化 洛陽分公司計量中心 , 河南 洛陽　471012)

多聲道超聲流量計在大口徑循環(huán)水管道中的應(yīng)用

雷耀彩

(中國石化 洛陽分公司計量中心 , 河南 洛陽471012)

摘要：針對大口徑循環(huán)水管道的計量儀表設(shè)計、選型具有一定的局限性。日常工作中存在測量難度大、準(zhǔn)確度難以保證、直管段不滿足要求、現(xiàn)場校驗手段不多等問題。本文從超聲流量計的原理及性能入手詳細(xì)闡述多聲道超聲流量計測量原理、流量計算數(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,從而無法提供準(zhǔn)確的流量數(shù)據(jù)。

隨著大多數(shù)企業(yè)對能源計量更新的認(rèn)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(wěn)定精確計量,成為亟需解決的問題。近幾年,隨著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(hù)量小、測量范圍寬,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,較好地解決了大口徑循環(huán)水流量測量的技術(shù)難題[1]。

1大口徑循環(huán)水管道計量的特點

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,就會帶來很大測量誤差。為使其得到準(zhǔn)確的流量數(shù)據(jù),需要在測量過程中達(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,在流量計長期運行中會使流體動能損失巨大,造成能源浪費。為使大口徑管道精確計量,需在測量過程中壓力損失足夠小。②能實現(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,因此選用的測量儀表應(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)對測量元件的污染、纏繞、覆蓋等問題。因此應(yīng)選用無可動機(jī)械部件或傳感器不易受影響的測量儀表。④能夠?qū)崿F(xiàn)在線標(biāo)定。管道口徑大,流量也大,標(biāo)定時會有許多麻煩與困難,因此只能在運行中在線標(biāo)定。

2其他類型流量計應(yīng)用中存在的問題

大口徑循環(huán)水計量儀表大致有以下幾種：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題如下[2]。

2.1　電磁流量計

電磁流量計是利用電磁感應(yīng)原理測出導(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(yīng)靈敏、前后直管段要求不高、耐腐蝕、壽命長等顯著優(yōu)點,因此在循環(huán)水計量中廣泛采用。但實際工作中仍存在一定問題：①測量誤差受外界電磁場影響。因此安裝時應(yīng)特別注意避免劇烈震動和交直流強(qiáng)磁場。②受流速分布影響,在流速軸對稱分布的情況下,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(yīng)有一定的長度,一般可取5D。③電極表面易污染。在測量有附著沉淀物的流體時,電極表面將受到污染,常常引起零點漂移,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(gòu)成。表內(nèi)部無可動部件,構(gòu)造簡單,使用壽命長。線性測量范圍寬達(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,易于實現(xiàn)數(shù)字化測量及與計算機(jī)聯(lián)用等優(yōu)勢,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。渦街流量計比較適用于測量凈水、凝結(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,影響正常測量。②受管道震動影響較大。管線震動較大則容易引起測量誤差,使得測量結(jié)果與實際發(fā)生嚴(yán)重偏離。在安裝時需在管線上加裝支架,防止震動干擾。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0.4 m/s以下,不能準(zhǔn)確測量。④存在整體拆卸標(biāo)定麻煩、維修困難等問題,無法保證數(shù)據(jù)的真實性。

2.3　孔板流量計

孔板流量計根據(jù)流體流經(jīng)節(jié)流件所產(chǎn)生的壓力差與流量間關(guān)系來測量流體的流量。具有結(jié)構(gòu)簡單、無可動部件,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量等優(yōu)點。在多年實際應(yīng)用過程中,常出現(xiàn)變送器零點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；導(dǎo)壓管走向不合理,差壓無法順利傳導(dǎo)；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(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量管內(nèi)壁相對粗糙的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn),使測量準(zhǔn)確度達(dá)不到要求。③測量范圍小,僅為3∶1。測量范圍一般在設(shè)計流量的30%～90%為正常測量。如果低于30%,則測量結(jié)果更低于實際量；而大于90%以上,則測量結(jié)果更高于實際量。另外,孔板測量的一個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超聲流量計的工作原理

目前常見的超聲技術(shù)分為兩種,時間差法和多普勒法。時間差法雖然出現(xiàn)稍晚,但其應(yīng)用廣泛,并且可以實現(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)展的主推動力[3]。

3.1　工作原理

時間差法超聲流量計是指通過測量超聲脈沖順流和逆流時往返于兩個換能器之間的時間,來確定管道內(nèi)流體流速的技術(shù)。每個換能器先后作為發(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。

計算公式如下：

超聲在液體中順流向與逆流向傳播的時間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,因此為了提高測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)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(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)積分的方法計算流量,公式如下：

Panther是全自動核酸檢測分析系統(tǒng)，其各個環(huán)節(jié)易控且干擾因素少，便于實驗室的過程控制和質(zhì)量控制。參照國內(nèi)外設(shè)備性能驗證的要求，并結(jié)合本實驗室實際工作的需要，對Panther系統(tǒng)的一系列操作性能和分析性能進(jìn)行了驗證。

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　多聲道超聲流量計的加權(quán)積分系數(shù)

對于多聲道超聲流量計,其每個聲道的積分加權(quán)系數(shù)是一個固定值,并且在國際電工委員會的IEC6041規(guī)程和美國國家規(guī)程ASME PTC18中作了明確的規(guī)定。為了滿足各種不同流態(tài)分布測量的需要,多聲道流量計具有多種聲道布置,對應(yīng)每種聲道布置,積分加權(quán)系數(shù)都有確定的值。表1是國際電工委員會IEC6041規(guī)程關(guān)于4/8聲道超聲流量計的聲道位置和加權(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,多聲道超聲測流技術(shù)亦在快速發(fā)展,近來市場上已出現(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因聲道高度偏差所引起的誤差,使得安裝工作簡單化。

4多聲道超聲流量計的構(gòu)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、電子線路及流量顯示和累積系統(tǒng)三部分構(gòu)成。超聲流量計的電子線路包括發(fā)射、接受、信號處理、顯示電路。測得的瞬時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)射到被測液體中,接收器接收到超聲信號,經(jīng)電子線路放大并轉(zhuǎn)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

工業(yè)流量測量普遍存在著大管徑、大流量測量的問題,并且隨著國家政策對能源網(wǎng)改造的提出,企業(yè)對各個二級單位考核的更細(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(tǒng)形式流量計隨著測量管徑的增大會帶來制造、運輸、安裝上的種種困難。多聲超聲流量計可以避免以上問題。它具有不停水在線安裝、維護(hù),并且無流阻、無壓力損失、量程寬、測量結(jié)果不受流體成分、壓力、溫度變化的影響,測量穩(wěn)定、準(zhǔn)確度高,可在線校驗等優(yōu)點,更重要的是它的性能價格比要比傳統(tǒng)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(tǒng)流量計產(chǎn)品無可比擬的優(yōu)越性、適應(yīng)性,才使得它越來越向產(chǎn)品的系統(tǒng)化、通用化發(fā)展,越來越多的使用在工業(yè)企業(yè)的各個場合。

6影響流量計測量準(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。但在實際使用過程中,還需要做好以下問題,才能得到較高的測量準(zhǔn)確度,更好地為客戶服務(wù)。

6.1　介質(zhì)要求

時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,超過某一范圍時,液體的密度不均勻?qū)⑹钩曅盘杺鞑ゲ环€(wěn)定,從而導(dǎo)致流量計不能準(zhǔn)確測量。

6.2　選型問題

選型問題是超聲流量計能夠正常工作的基礎(chǔ)。如果選型不當(dāng),會造成流量無法測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年穩(wěn)定運行,因此常用于便攜式流量測量,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；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(zhǔn)確度也較高(±0.5%～±1.0%),是一種較理想的超聲流量計類型。

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提高測量精度起很大作用。但不可忽視的一點是隨著聲道的增加,費用也將大幅提升,應(yīng)根據(jù)實際情況進(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,流量計的測量準(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所及換能器安裝方式對于超聲流量計的穩(wěn)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,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。即在換能器安裝點的上下游15D管線上無彎頭、閥門等引起介質(zhì)擾動的位置；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,因為管道的頂部易聚集氣體,影響測量的準(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

綜上所述,在我廠大口徑循環(huán)水計量中所采用的測量儀表的主要特點,匯總?cè)绫?所顯示,由此可見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匯總表

作為水資源消費大戶的石化企業(yè),運用先進(jìn)可靠的儀表設(shè)備,建立完善的水資源管理系統(tǒng),對此進(jìn)行合理的監(jiān)控和管理,對于節(jié)能降耗、實現(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,多聲道超聲流量計在大管徑循環(huán)水管道上使用的優(yōu)越性會更為顯現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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[3]朱德祥,張廷柱,朱福茂.流量儀表原理和應(yīng)用[M].上海：華東化工學(xué)院出版社.1992.

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

收稿日期：2015-04-10

中圖分類號：TQ056.15

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1003-3467(2015)07-0052-04