摘要：系(xi)統闡述(shu)了多種(zhong)傳統流(liu)量計的(de)測量原(yuan)理，對❗比(bi)各個測(ce)量裝置(zhi)的優缺(que)點，提出(chu)的超聲(sheng)波流量(liang)計 在高(gao)溫高壓(ya)大口徑(jing)管道中(zhong)精确計(ji)量。從經(jing)濟效益(yi)、精度👉偏(pian)㊙️差、安裝(zhuang)使用、節(jie)能減排(pai)、後期維(wei)護等多(duo)個方面(mian)诠釋超(chao)聲波流(liu)量計相(xiang)比傳統(tong)的機械(xie)式流量(liang)計的獨(du)特特點(dian)，以☀️及在(zai)我國工(gong)業生産(chan)和計量(liang)領域中(zhong)的重要(yao)應用。
1原(yuan)理概述(shu)
　　蒸汽作(zuo)爲廣泛(fan)的載熱(re)介質，在(zai)各行各(ge)業中有(you)着非常(chang)重要的(de)作用。在(zai)電廠中(zhong)使用蒸(zheng)汽推動(dong)汽輪機(ji)進行發(fa)🐇電。在食(shi)品行業(ye)中，可以(yi)使用蒸(zheng)汽對管(guan)路進行(hang)消毒，确(que)💋保食品(pin)安全衛(wei)🔞生無菌(jun)。在煉油(you)行業，使(shi)用高壓(ya)蒸汽對(dui)油井或(huo)者氣田(tian)進行壓(ya)裂開采(cai)。在石化(hua)化工行(hang)業的生(sheng)産過程(cheng)中，很多(duo)環節需(xu)要♊使用(yong)到蒸汽(qi)，比如汽(qi)提塔中(zhong)，蒸汽的(de)溫度和(he)壓力的(de)穩定對(dui)塔器中(zhong)的生産(chan)有着至(zhi)關重要(yao)✨的作用(yong)。在❌化工(gong)行業，某(mou)些易結(jie)晶的介(jie)質在生(sheng)♊産和運(yun)輸過程(cheng)中需要(yao)保持溫(wen)度，而蒸(zheng)汽往往(wang)就是給(gei)管道進(jin)行伴熱(re)和保溫(wen)的介質(zhi)。在管道(dao)的吹掃(sao)中，有時(shi)可以使(shi)用空氣(qi)，而有些(xie)場合就(jiu)需要使(shi)用蒸汽(qi)吹掃。當(dang)然更顯(xian)而易見(jian)的是，蒸(zheng)汽可以(yi)作爲建(jian)築或者(zhe)場所的(de)取暖用(yong)介質。
　　蒸(zheng)汽負載(zai)着能量(liang)，所以準(zhun)确的計(ji)量蒸汽(qi)意義重(zhong)大。對于(yu)生産廠(chang)💔區的内(nei)部計量(liang)，計量的(de)精度可(ke)以起到(dao)節能減(jian)排的作(zuo)用。對于(yu)貿易交(jiao)接的場(chang)合，無論(lun)是蒸汽(qi)的生産(chan)方還是(shi)使用方(fang)，計量的(de)精度直(zhi)接關系(xi)到⛷️雙方(fang)的費用(yong)結算，一(yi)定需要(yao)一個可(ke)靠的計(ji)量方式(shi)㊙️，才能避(bi)免費用(yong)上的糾(jiu)紛。傳統(tong)的蒸汽(qi)計量方(fang)式多采(cai)用差壓(ya)式流量(liang)計， 差壓(ya)式流量(liang)計 需要(yao)一個節(jie)流原件(jian)來實現(xian)壓力差(cha)，包括 孔(kong)闆流量(liang)計 、文丘(qiu)裏、噴嘴(zui)等方式(shi)。随着技(ji)術的發(fa)展，渦街(jie)流量計(ji)漸漸🙇🏻用(yong)于蒸汽(qi)測量。近(jin)幾年，采(cai)用時差(cha)法原理(li)并且适(shi)用溫度(du)較高的(de)超聲波(bo)流量計(ji)也開始(shi)進入蒸(zheng)汽測量(liang)的領域(yu)。下面簡(jian)單介紹(shao)一♉下這(zhe)幾💰種測(ce)量方式(shi)📞的原理(li)。
1.1差壓式(shi)儀表
　　流(liu)體在有(you)節流裝(zhuang)置的管(guan)道中流(liu)動時，在(zai)節流裝(zhuang)置🌈前📐後(hou)的管壁(bi)處，流體(ti)的靜壓(ya)力産生(sheng)差異的(de)現象稱(cheng)爲節流(liu)現象。節(jie)流裝🏃‍♂️置(zhi)包括節(jie)流元件(jian)和取壓(ya)裝置。節(jie)流元件(jian)是使管(guan)道中的(de)流體産(chan)生局部(bu)收縮的(de)元⁉️件，多(duo)達30多種(zhong)，常用的(de)節流元(yuan)件有孔(kong)闆、噴嘴(zui)和文丘(qiu)利管等(deng)。流體流(liu)過節流(liu)元件時(shi)，會被加(jia)速，流體(ti)的加速(su)時期動(dong)能增加(jia)，按照能(neng)量守恒(heng)定律，在(zai)流體被(bei)加速處(chu)它的靜(jing)壓力會(hui)降低🌈一(yi)個相應(ying)的值，因(yin)此在節(jie)流原件(jian)兩側産(chan)生一個(ge)差壓，而(er)這一差(cha)壓與流(liu)速的🔴平(ping)方根成(cheng)正比。其(qi)原理的(de)計算公(gong)式如下(xia)：
Qv=CεΑ/sqr(2ΔP/(1-β＾4)/ρ1)(1)
其中：
C爲(wei)流出系(xi)數；
ε爲可(ke)膨脹系(xi)數
Α爲節(jie)流件開(kai)孔截面(mian)積，m2
ΔP爲節(jie)流裝置(zhi)輸出的(de)差壓，Pa;
β爲(wei)直徑比(bi)

ρ1爲被測(ce)流體在(zai)I-I處的密(mi)度，kg/m3;
Qv爲體(ti)積流量(liang)，m3/h
下圖爲(wei)一些常(chang)見節流(liu)原件的(de)示意圖(tu)

1.2渦街流(liu)量計
　　自(zi)然界的(de)很多現(xian)象都源(yuan)于渦街(jie)原理，比(bi)如迎風(feng)飄揚的(de)🏃🏻旗幟，旗(qi)杆作爲(wei)漩渦發(fa)生體,當(dang)風從旗(qi)杆一側(ce)吹來時(shi)，旗杆阻(zu)💯擋了風(feng)，分别從(cong)旗杆兩(liang)側吹過(guo)的氣流(liu)在其後(hou)形成了(le)漩渦，因(yin)此，旗幟(zhi)能夠随(sui)風飄揚(yang)。在 渦街(jie)流量計(ji) 中，正是(shi)采用了(le)“卡門渦(wo)街原理(li)”，測量管(guan)中有一(yi)個漩✊渦(wo)發生體(ti)，漩渦的(de)脫落頻(pin)率正比(bi)于流量(liang)，漩渦脫(tuo)落💛頻率(lü)通過傳(chuan)感器中(zhong)🐆的壓電(dian)晶體來(lai)測量，公(gong)式如下(xia)：
f=StV/d(2)
式中：
f－發(fa)生體一(yi)側産生(sheng)的卡門(men)旋渦頻(pin)率
St－斯特(te)羅哈爾(er)數（無量(liang)綱數）
V－流(liu)體的平(ping)均流速(su)
d－旋渦發(fa)生體的(de)寬度
通(tong)過壓電(dian)晶體測(ce)得頻率(lü)之後，就(jiu)可以算(suan)得流速(su)值，再乘(cheng)以流量(liang)👄計的截(jie)面積就(jiu)可以知(zhi)道流速(su)。

1.3超聲波(bo)流量計(ji)
　　相比前(qian)兩種測(ce)量原理(li)，超聲波(bo)時差法(fa)的原理(li)則更🧑🏽‍🤝‍🧑🏻加(jia)👣簡單🧑🏾‍🤝‍🧑🏼易(yi)🔞懂一些(xie)。與人們(men)劃船或(huo)者遊泳(yong)類似，超(chao)聲波在(zai)流動的(de)流體中(zhong)的傳播(bo)速度與(yu)流體的(de)流速有(you)關。順流(liu)而下的(de)超聲波(bo)的傳播(bo)速度大(da)于逆流(liu)而上的(de)傳播速(su)🤞度。隻要(yao)分🥵别測(ce)量出超(chao)聲波順(shun)流和逆(ni)流🙇‍♀️的傳(chuan)播時間(jian)，就可以(yi)依據下(xia)面的公(gong)式得到(dao)該路徑(jing)上瞬時(shi)流速☔。這(zhe)樣，介質(zhi)流量則(ze)可以通(tong)過流速(su)、管道截(jie)面積等(deng)🍓求得。
Vm＝L(TB?A-TA?B)/(2*COS?*TB?A*TA?B)(3)

Vm:瞬時流(liu)速 L:兩個(ge)超聲波(bo)換能器(qi)之間的(de)距離 TB?A:超(chao)聲波逆(ni)流而上(shang)的傳輸(shu)時間 TA?B:超(chao)聲波順(shun)流而下(xia)的傳輸(shu)時間 α:介(jie)質流向(xiang)與超聲(sheng)波傳輸(shu)方向之(zhi)間的夾(jia)角

　　超聲(sheng)波流量(liang)計用于(yu)液體測(ce)量已經(jing)有幾十(shi)年的曆(li)史了㊙️，随(sui)着🐇技✌️術(shu)的發展(zhan)，超聲波(bo)流量計(ji)也逐漸(jian)開始應(ying)用在氣(qi)體的領(ling)域，尤其(qi)高溫換(huan)能器的(de)開發，使(shi)其⛱️可以(yi)用于蒸(zheng)汽的領(ling)域。以高(gao)溫氣體(ti)超聲波(bo)流量計(ji)爲例，選(xuan)用高溫(wen)SS347材質的(de)換能器(qi)，溫度可(ke)以達到(dao)540度，耐🔆壓(ya)可達10Mpa。Inconel合(he)金材質(zhi)的換能(neng)器更可(ke)達到💋20Mpa的(de)壓力等(deng)級☔，可選(xuan)610度的高(gao)溫🤩。可适(shi)用于各(ge)種低壓(ya)/中壓/高(gao)壓蒸汽(qi)💋。
　　了解了(le)各種原(yuan)理之後(hou)，再來對(dui)比一下(xia)各個測(ce)量原理(li)的優缺(que)✨點，此處(chu)對比參(can)考超聲(sheng)波流量(liang)計産品(pin)樣本（液(ye)🛀🏻體OPTISONIC3400,蒸汽(qi)OPTISONIC8300）。

	差壓式(shi)流量計(ji)	渦街流(liu)量計	超(chao)聲波流(liu)量計
口(kou)徑範圍(wei)	孔闆：DN25~500 文(wen)丘裏：DN50~1200	DN15~300 更(geng)大口徑(jing)基本不(bu)可能生(sheng)産	液體(ti)DN25~3000 氣體DN50~1000 更(geng)大的口(kou)徑也可(ke)能生産(chan)
溫度範(fan)圍	根據(ju)材質和(he)壓力等(deng) 決定可(ke)用溫度(du)範圍	最(zui)高450度	最(zui)高610度
測(ce)量精度(du)(不确定(ding)度)	孔闆(pan)：1% 文丘裏(li)：1%，實流後(hou)可達0.5%	1%～2%	液(ye)體：0.3% 氣體(ti)：1%
是否有(you)阻流件(jian)	是	是	是(shi)
壓損情(qing)況	較大(da)，孔闆的(de)壓損達(da)到差壓(ya)值的60%，文(wen)丘裏是(shi)差壓值(zhi)的15%	較小(xiao)	無壓損(sun)
前後直(zhi)管段	孔(kong)闆：前20DN，後(hou)10DN 文丘裏(li)：前10DN，後5DN	前(qian)20DN後5DN	液體(ti)：前5DN後3DN氣(qi)體：前20DN後(hou)3DN
量程比(bi)	孔闆：1：3 文(wen)丘裏：1：3	1：10	1：10
維(wei)護量	節(jie)流元件(jian)高溫下(xia)容易 腐(fu)蝕，經常(chang)需要維(wei)護、 标定(ding)、更換	維(wei)護量小(xiao)于差壓(ya)式儀表(biao)	無需維(wei)護，沒有(you)磨損與(yu)腐蝕

從(cong)上表的(de)對比可(ke)以明顯(xian)看出，超(chao)聲波流(liu)量計有(you)幾個很(hen)重要的(de)優點：
　　量(liang)程比寬(kuan)：孔闆的(de)量程比(bi)隻有1：3，在(zai)實際應(ying)用過程(cheng)中🐉，如果(guo)最大和(he)最小流(liu)量的範(fan)圍較寬(kuan)，一台孔(kong)闆就無(wu)👈法适用(yong)，往往需(xu)要2～3台孔(kong)闆用于(yu)不同的(de)量程範(fan)圍，而2～3台(tai)表又會(hui)引入系(xi)統誤🌈差(cha)，造成測(ce)量可靠(kao)性進一(yi)步下降(jiang)。超聲波(bo)流量計(ji)超寬的(de)量😘程比(bi)，從0.3～30m/s都可(ke)以保證(zheng)精度，有(you)時可🛀測(ce)比30m/s更高(gao)。
　　長期穩(wen)定性好(hao)：使用過(guo)差壓式(shi)的儀表(biao)的操作(zuo)工可能(neng)都有☔感(gan)觸😄，節流(liu)元件是(shi)非常容(rong)易磨損(sun)的部件(jian)，在🔴高溫(wen)或者高(gao)磨損性(xing)的條件(jian)下，節流(liu)元件的(de)開口尺(chi)寸會越(yue)來越大(da)，從而造(zao)🏃‍♂️成計量(liang)✔️值偏小(xiao)。如果實(shi)在貿易(yi)交接的(de)場合，對(dui)于賣方(fang)來說🏃‍♀️，就(jiu)會造成(cheng)損失。而(er)超聲波(bo)流量計(ji)因爲沒(mei)有阻流(liu)部件，所(suo)以♈壓損(sun)幾乎爲(wei)零，也不(bu)會磨損(sun)，所以長(zhang)期穩定(ding)性非常(chang)好。
　　口徑(jing)範圍大(da)，最高溫(wen)度高：渦(wo)街流量(liang)計因爲(wei)口徑限(xian)制，隻能(neng)适用于(yu)小口徑(jing)、中低溫(wen)蒸汽，如(ru)果有大(da)于DN300的管(guan)徑或者(zhe)🌍高于450度(du)的應用(yong)，渦街就(jiu)無能爲(wei)力了，這(zhe)時候選(xuan)用超聲(sheng)波流量(liang)計更加(jia)合适
2. 節(jie)能減排(pai)經濟效(xiao)益對比(bi)
　　以上從(cong)理論角(jiao)度闡述(shu)了超聲(sheng)波的優(you)點，下面(mian)通過一(yi)👉個實例(li)的📱計算(suan)，來對比(bi)一下使(shi)用傳統(tong)差壓式(shi)流量計(ji)和新型(xing)超聲波(bo)👉流量計(ji)在經濟(ji)效益上(shang)的差異(yi)。
主要可(ke)以從三(san)方面來(lai)對比：
1.因(yin)磨損和(he)腐蝕造(zao)成差壓(ya)式流量(liang)計的精(jing)度偏差(cha)，從而影(ying)響計🚶‍♀️費(fei)的準确(que)性；
2.因差(cha)壓式流(liu)量計較(jiao)大的壓(ya)損而造(zao)成的無(wu)形中的(de)電力☔的(de)浪費；
3.因(yin)差壓式(shi)流量計(ji)需要維(wei)護和更(geng)換的後(hou)續維護(hu)成本。
2.1首(shou)先，先看(kan)一下因(yin)磨損和(he)腐蝕造(zao)成差壓(ya)式流量(liang)計的🚶精(jing)♻️度偏差(cha)🛀🏻，從而影(ying)響計費(fei)的準确(que)
　　以最常(chang)見的孔(kong)闆流量(liang)計爲例(li)，因爲孔(kong)闆的節(jie)流元件(jian)在高溫(wen)下很容(rong)易被腐(fu)蝕，造成(cheng)流通面(mian)積變大(da)，差壓變(bian)⚽小，最終(zhong)導緻測(ce)量值偏(pian)小。那麽(me)在蒸汽(qi)的貿易(yi)交接中(zhong)，測量值(zhi)🤞偏小，就(jiu)意味着(zhe)蒸汽生(sheng)産方的(de)收入變(bian)少，嚴重(zhong)的可能(neng)導🐕緻虧(kui)本經營(ying)。那麽下(xia)面來計(ji)算一下(xia)，因爲孔(kong)闆的計(ji)量偏差(cha)可以導(dao)緻多少(shao)收入上(shang)的損失(shi)。
　　假設某(mou)電廠給(gei)一個用(yong)戶供應(ying)過熱蒸(zheng)汽，口徑(jing)DN500，壓力2.0Mpa，溫(wen)度💞:310℃，流🏃量(liang)範圍：0-200t/h。按(an)一個月(yue)工作28天(tian)計算，那(na)麽一個(ge)月需要(yao)供應的(de)蒸汽總(zong)量在200*24*28=134400t/月(yue)，按蒸汽(qi)價格160元(yuan)/t計算，每(mei)🤞月的收(shou)入爲2150.4萬(wan)元。
爲了(le)簡化計(ji)算，假設(she)每個月(yue)孔闆流(liu)量計因(yin)爲磨損(sun)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼而産生(sheng)的精度(du)變化是(shi)線性的(de)，每月精(jing)度下降(jiang)0.01%，那麽通(tong)過🌍下表(biao)㊙️可以看(kan)出，第一(yi)年内損(sun)失的收(shou)益：

第二(er)年的收(shou)入損失(shi)可能高(gao)達45萬多(duo)。
　　采用超(chao)聲波流(liu)量計的(de)話，也許(xu)最初的(de)購置付(fu)費會💔高(gao)于孔闆(pan)流量計(ji)，但是因(yin)爲不存(cun)在孔闆(pan)的磨損(sun)造成的(de)計量偏(pian)差，因爲(wei)增加的(de)購置成(cheng)本基本(ben)上在1～2年(nian)就可以(yi)收回。
　　以(yi)上隻是(shi)簡單的(de)計算了(le)孔闆流(liu)量計因(yin)爲磨損(sun)造成的(de)收益損(sun)⚽失。其實(shi)，因爲孔(kong)闆的量(liang)程比很(hen)小，隻有(you)1：3，所以在(zai)管線剛(gang)剛啓🌍動(dong)的時候(hou)，因爲流(liu)量太小(xiao)，往往✔️無(wu)法精确(que)計量。而(er)當用戶(hu)蒸汽用(yong)量大💚的(de)時候，又(you)會造成(cheng)大流量(liang)無法計(ji)量，由此(ci)帶來巨(ju)大的損(sun)失。
2.2因差(cha)壓式流(liu)量計較(jiao)大的壓(ya)損而造(zao)成的無(wu)形中的(de)電力❓的(de)浪費
　　衆(zhong)所周知(zhi)，差壓式(shi)流量計(ji)必定會(hui)造成永(yong)恒的壓(ya)力損失(shi)。還是以(yi)上面的(de)孔闆流(liu)量計爲(wei)例，口徑(jing)DN500，壓力2.0Mpa，溫(wen)度:310℃，流量(liang)範圍：0-200t/h。此(ci)時蒸🔅汽(qi)密度約(yue)爲8.28kg/m3，所以(yi)體積流(liu)量約爲(wei)0-24000m3/h。若使用(yong)差壓式(shi)流量計(ji)，可以讓(rang)廠家計(ji)算永久(jiu)壓🔞力損(sun)失，按🚶‍♀️照(zhao)流速和(he)節流元(yuan)件的不(bu)同，壓力(li)損失可(ke)以在5～40Kpa不(bu)等。如按(an)較小的(de)10Kpa壓損來(lai)計算，按(an)🆚最大流(liu)量的🚩一(yi)半流量(liang)時，能🔞量(liang)損失在(zai)27.78kW。還是按(an)每月28天(tian)計算，一(yi)年能耗(hao)的損失(shi)是22.4萬KWh。如(ru)果一度(du)電按0.5元(yuan)計算，那(na)麽電費(fei)約需11萬(wan)元。也就(jiu)是說✊，如(ru)果更換(huan)成沒有(you)壓損的(de)超聲波(bo)流量計(ji)，可以減(jian)少泵送(song)的能量(liang)，節省電(dian)費11萬元(yuan)。
2.3因差壓(ya)式流量(liang)計需要(yao)維護和(he)更換的(de)後續維(wei)護成本(ben)
　　從前面(mian)第一點(dian)可以看(kan)出，使用(yong)2年後，孔(kong)闆的磨(mo)損會🧑🏾‍🤝‍🧑🏼非(fei)🤩常厲害(hai)，所以這(zhe)就是爲(wei)何差壓(ya)式流量(liang)計都建(jian)議2～3年更(geng)換一次(ci)。這就意(yi)味着用(yong)戶需要(yao)重新購(gou)買新的(de)節流元(yuan)件，重新(xin)标定，重(zhong)新安裝(zhuang)。這裏面(mian)所涉及(ji)的采🚶購(gou)成本，人(ren)員安裝(zhuang)成本，停(ting)産的成(cheng)本都是(shi)相當可(ke)觀的。
3安(an)裝維護(hu)
　　在蒸汽(qi)管道的(de)安裝上(shang)，因爲蒸(zheng)汽管道(dao)都需要(yao)包裹保(bao)溫層，所(suo)以一般(ban)法蘭連(lian)接或者(zhe)外夾式(shi)超聲波(bo)的🐇形式(shi)不都不(bu)是🛀🏻太适(shi)合。法♻️蘭(lan)連接的(de)部分會(hui)造成保(bao)溫層的(de)💛突起，施(shi)工不方(fang)便。而外(wai)夾式超(chao)聲波流(liu)量計🔴安(an)裝的管(guan)道不能(neng)做保溫(wen)，會造成(cheng)巨大的(de)能量浪(lang)費💃🏻。蒸汽(qi)流量計(ji)可以提(ti)供焊🆚接(jie)式安裝(zhuang)，管👉材和(he)焊接内(nei)徑也可(ke)以根據(ju)現場的(de)管道定(ding)🆚制，保證(zheng)匹配性(xing)👌，如下圖(tu)所示。安(an)🚶‍♀️裝完成(cheng)後基本(ben)與管道(dao)一💯體化(hua)，方便了(le)保溫層(ceng)的鋪設(she)。而且儀(yi)🈲表本身(shen)是免維(wei)護的，焊(han)接在管(guan)道上也(ye)無需後(hou)期維護(hu)。

4結論
　　綜(zong)上所述(shu)，超聲波(bo)流量計(ji)相比傳(chuan)統的機(ji)械式流(liu)量✍️計具(ju)有很多(duo)獨特的(de)優點，無(wu)壓損、精(jing)度高、低(di)維護量(liang)等，其适(shi)用範圍(wei)廣，一些(xie)高溫高(gao)壓的場(chang)合也可(ke)适用，尤(you)其對于(yu)大口徑(jing)流量的(de)正确測(ce)量有其(qi)不可比(bi)拟的優(you)勢，而且(qie)超聲波(bo)流量計(ji)的📧測量(liang)原理和(he)優點逐(zhu)♍漸被最(zui)終用戶(hu)所認可(ke)。除了測(ce)量蒸汽(qi)💚之外，超(chao)聲波流(liu)量計也(ye)适合應(ying)用于一(yi)些非導(dao)電的介(jie)質的測(ce)量，因此(ci)它會成(cheng)我國👨‍❤️‍👨工(gong)業生産(chan)和計量(liang)領域的(de)新标準(zhun)。

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