摘要：系(xì)統闡述(shu)了多種(zhong)傳統流(liu)量計的(de)測量原(yuán)理，對比(bi)各個測(ce)🔞量裝置(zhi)的優缺(que)點，提出(chū)的超聲(sheng)波流量(liàng)計 在高(gao)溫高壓(yā)大口徑(jìng)管道中(zhong)精确計(jì)量。從經(jing)濟效益(yì)、精度偏(pian)♌差、安裝(zhuang)使用、節(jie)能減排(pai)、後期維(wéi)護等多(duō)個方⁉️面(miàn)诠釋超(chāo)聲波流(liu)量計相(xiàng)比傳統(tong)的機械(xiè)式流量(liang)計的獨(dú)特特點(diǎn)，以及在(zài)我國工(gong)業生産(chǎn)和計量(liàng)領域中(zhong)的重要(yào)應用。
1原(yuan)理概述(shu)
　　蒸汽作(zuò)爲廣泛(fàn)的載熱(rè)介質，在(zài)各行各(ge)業中有(yǒu)着非📞常(chang)重要的(de)作用。在(zai)電廠中(zhong)使用蒸(zhēng)汽推動(dòng)汽輪機(ji)進行發(fa)電。在食(shí)品行業(yè)🌐中，可以(yǐ)使用蒸(zheng)汽對管(guǎn)路進行(hang)消毒，确(què)🈲保食品(pǐn)安全衛(wèi)✏️生無菌(jun)♈。在煉油(yóu)行業，使(shǐ)用高壓(ya)蒸汽對(duì)油井或(huò)者👨‍❤️‍👨氣田(tian)進行壓(yā)裂開采(cai)。在石化(hua)化工行(hang)業的生(sheng)産過程(cheng)中，很多(duō)環節需(xū)要使用(yong)到蒸汽(qì)😍，比如汽(qi)提塔中(zhōng)，蒸汽的(de)溫度和(he)壓力的(de)穩定對(dui)塔器🐉中(zhōng)的生産(chǎn)有着至(zhì)關重要(yào)的作用(yòng)。在化工(gong)行業，某(mou)些易📧結(jie)晶的介(jiè)質在生(sheng)産和運(yùn)輸過程(chéng)中需要(yao)保持溫(wēn)🛀🏻度，而蒸(zhēng)汽往往(wǎng)就是給(gěi)管道進(jìn)行伴熱(rè)和保溫(wen)的介質(zhi)。在管道(dao)的吹掃(sǎo)中，有時(shí)可以使(shǐ)用空氣(qì)，而有些(xiē)場合就(jiu)需要使(shǐ)用蒸汽(qì)吹掃🐇。當(dāng)然更顯(xiǎn)而易見(jian)的是，蒸(zhēng)💃🏻汽可以(yi)作爲建(jiàn)築或者(zhě)場所的(de)取暖用(yong)介質。
　　蒸(zheng)汽負載(zǎi)着能量(liang)，所以準(zhun)确的計(ji)量蒸汽(qì)意義重(zhòng)大。對于(yu)🥵生産廠(chang)區的内(nei)部計量(liàng)，計量的(de)精度可(ke)以起到(dào)節能減(jiǎn)排的作(zuò)🔅用。對于(yu)貿易交(jiāo)接的場(chang)合，無論(lun)是蒸汽(qi)的生産(chan)方還是(shì)使用方(fāng)，計量的(de)精度直(zhí)接關系(xì)到雙方(fāng)的費用(yong)結算，一(yī)定需要(yao)一個可(ke)靠的計(jì)量方式(shì)，才能避(bì)免費用(yong)上的糾(jiu)紛⭕。傳統(tǒng)的蒸汽(qì)計量方(fang)式多采(cǎi)用差壓(ya)式流量(liàng)計， 差壓(yā)式流量(liàng)計 需要(yào)一個節(jie)流原件(jian)來實現(xiàn)壓力差(cha)，包括 孔(kǒng)闆流量(liang)計 、文丘(qiu)裏、噴嘴(zui)等方式(shì)。随着技(ji)術的發(fā)展，渦街(jie)流量計(jì)漸漸用(yòng)于💋蒸汽(qì)測量。近(jin)幾年，采(cǎi)用時差(chà)法原理(li)并且适(shì)用溫度(dù)✨較高的(de)超🔞聲波(bō)流量計(ji)也開始(shǐ)進入蒸(zheng)汽測量(liàng)的領域(yu)。下🔅面簡(jian)單介紹(shao)一下這(zhe)幾種測(cè)量方式(shì)🏒的原理(li)。
1.1差壓式(shì)儀表
　　流(liu)體在有(yǒu)節流裝(zhuāng)置的管(guǎn)道中流(liú)動時，在(zai)節流裝(zhuāng)置前後(hòu)🥵的💋管壁(bi)處，流體(ti)的靜壓(yā)力産生(sheng)差異的(de)現象稱(chēng)爲節流(liú)現象。節(jiē)流裝⛹🏻‍♀️置(zhi)包括節(jiē)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(duō)達30多種(zhǒng)，常用的(de)節流元(yuán)件有孔(kong)闆、噴嘴(zuǐ)和文丘(qiū)利管等(děng)。流體流(liú)過節流(liu)元件時(shi)，會被加(jia)速，流體(tǐ)的加💞速(sù)時期動(dong)能增加(jiā)，按照能(néng)量守恒(héng)定律，在(zai)流體被(bèi)加速處(chu)它的靜(jing)壓力會(huì)降低一(yī)個相應(ying)的值，因(yīn)此在節(jie)流🌈原件(jiàn)兩側産(chǎn)生一♋個(gè)差壓，而(ér)這一差(cha)壓與流(liu)速的❗平(ping)方根成(chéng)正比。其(qí)原理的(de)計算公(gōng)式如下(xià)：
Qv=CεΑ/sqr(2ΔP/(1-β＾4)/ρ1)(1)
其中：
C爲(wei)流出系(xì)數；
ε爲可(kě)膨脹系(xì)數
Α爲節(jie)流件開(kāi)孔截面(mian)積，m2
ΔP爲節(jiē)流裝置(zhi)輸出的(de)差壓，Pa;
β爲(wei)直徑比(bi)

ρ1爲被測(cè)流體在(zai)I-I處的密(mì)度，kg/m3;
Qv爲體(ti)積流量(liàng)，m3/h
下圖爲(wèi)一些常(chang)見節流(liú)原件的(de)示意圖(tu)

1.2渦街流(liú)量計
　　自(zi)然界的(de)很多現(xiàn)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(wèi)漩渦發(fa)生體,當(dang)風從旗(qi)杆一側(cè)吹來時(shi)，旗杆阻(zu)擋了風(feng)，分别從(cóng)旗杆兩(liang)側吹過(guò)的氣流(liu)在其後(hòu)形成了(le)漩渦，因(yin)此，旗幟(zhì)能夠随(sui)風飄揚(yang)。在 渦街(jiē)流量計(ji) 中，正是(shi)采用了(le)“卡門渦(wo)街原理(li)”，測量管(guǎn)中有一(yi)個漩渦(wō)👣發生體(ti)❄️，漩渦的(de)脫落頻(pin)率正比(bǐ)于流量(liang)，漩渦脫(tuō)落頻率(lü)通過傳(chuan)感器中(zhōng)的壓電(diàn)晶體來(lai)測量，公(gong)式如下(xià)：
f=StV/d(2)
式中：
f－發(fa)生體一(yi)側産生(shēng)的卡門(men)旋渦頻(pín)率
St－斯特(te)羅哈爾(er)數（無量(liang)綱數）
V－流(liú)體的平(ping)均流速(su)
d－旋渦發(fā)生體的(de)寬度
通(tōng)過壓電(diàn)晶體測(ce)得頻率(lü)之後，就(jiu)可以算(suàn)得流速(sù)值，再乘(chéng)以流🧡量(liang)計的截(jie)面積就(jiù)可以知(zhi)道流速(sù)。

1.3超聲波(bō)流量計(ji)
　　相比前(qian)兩種測(ce)量原理(lǐ)，超聲波(bo)時差法(fa)的原理(lǐ)則更加(jia)簡單💚易(yì)🥰懂一些(xiē)。與人們(men)劃船或(huo)者遊泳(yǒng)類似，超(chao)聲波在(zai)流動的(de)流體中(zhong)的傳播(bō)速度與(yu)流體的(de)流速有(you)關。順流(liú)🔴而下的(de)超聲波(bō)的傳播(bō)速度大(dà)于逆流(liu)而上的(de)傳播速(sù)度。隻要(yào)分别測(cè)量出超(chāo)聲波順(shun)流和逆(nì)流的傳(chuan)播時間(jiān)，就可以(yǐ)依據🔅下(xia)面的公(gong)式得到(dao)該路徑(jìng)⛱️上瞬時(shí)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(chāo)聲波逆(ni)流而上(shang)的傳輸(shū)時間 TA?B:超(chao)聲波順(shun)流而下(xia)的傳輸(shū)時間 α:介(jiè)質流向(xiàng)與超聲(sheng)波傳輸(shū)方向之(zhi)間的夾(jia)角

　　超聲(shēng)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(jiàn)開始✍️應(ying)用㊙️在氣(qì)體的領(ling)域，尤其(qi)高溫換(huàn)能器的(de)開發，使(shi)其🌈可以(yi)用于蒸(zheng)汽的領(lǐng)域📱。以高(gao)溫氣體(tǐ)超聲波(bō)流量計(jì)爲例，選(xuǎn)用高溫(wēn)SS347材質的(de)換能器(qi)，溫度可(kě)以達到(dào)540度，耐壓(ya)可達10Mpa。Inconel合(he)金材質(zhì)的換能(néng)🌈器更可(kě)達到20Mpa的(de)壓力等(děng)級，可選(xuǎn)610度的高(gāo)溫。可适(shi)用于各(ge)種低壓(yā)/中壓/高(gāo)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(chù)對比參(cān)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(chāo)聲波流(liu)量計
口(kǒu)徑範圍(wei)	孔闆：DN25~500 文(wen)丘裏：DN50~1200	DN15~300 更(gèng)大口徑(jìng)基本不(bu)可能生(shēng)産	液體(ti)DN25~3000 氣體DN50~1000 更(gèng)大的口(kou)徑也可(kě)能生産(chǎn)
溫度範(fan)圍	根據(jù)材質和(he)壓力等(deng) 決定可(ke)用溫度(dù)範圍	最(zuì)高450度	最(zui)高610度
測(cè)量精度(dù)(不确定(dìng)度)	孔闆(pan)：1% 文丘裏(li)：1%，實流後(hou)可達0.5%	1%～2%	液(yè)體：0.3% 氣體(ti)：1%
是否有(yǒu)阻流件(jian)	是	是	是(shì)
壓損情(qíng)況	較大(dà)，孔闆的(de)壓損達(da)到差壓(yā)值的60%，文(wén)丘裏是(shì)差壓值(zhí)的15%	較小(xiǎo)	無壓損(sǔn)
前後直(zhi)管段	孔(kǒng)闆：前20DN，後(hòu)10DN 文丘裏(lǐ)：前10DN，後5DN	前(qián)20DN後5DN	液體(ti)：前5DN後3DN氣(qi)體：前20DN後(hòu)3DN
量程比(bǐ)	孔闆：1：3 文(wén)丘裏：1：3	1：10	1：10
維(wéi)護量	節(jie)流元件(jian)高溫下(xia)容易 腐(fu)蝕，經常(cháng)需要維(wei)護、 标定(dìng)、更換	維(wéi)護量小(xiao)于差壓(yā)式儀表(biao)	無需維(wei)護，沒有(you)磨損與(yǔ)腐蝕

從(cóng)上表的(de)對比可(kě)以明顯(xian)看出，超(chāo)聲波流(liu)量計有(yǒu)幾個很(hěn)重要的(de)優點：
　　量(liang)程比寬(kuān)：孔闆的(de)量程比(bǐ)隻有1：3，在(zai)實際應(yīng)用過程(chéng)中，如果(guǒ)最大和(he)最小流(liu)量的範(fàn)圍較寬(kuan)，一台孔(kong)闆就無(wú)🏃‍♀️法适用(yong)，往往需(xū)要2～3台孔(kǒng)闆用于(yú)不同的(de)量程範(fàn)圍，而2～3台(tai)表又會(hui)引入系(xì)統誤差(cha)，造成測(ce)量可靠(kào)性進一(yi)步下降(jiàng)。超聲波(bo)流量計(jì)超寬的(de)量程比(bi)，從0.3～30m/s都可(ke)以保證(zheng)🐇精度，有(yǒu)時可測(cè)比30m/s更高(gāo)。
　　長期穩(wen)定性好(hǎo)：使用過(guò)差壓式(shi)的儀表(biǎo)的操作(zuo)工可能(neng)都有🔱感(gan)觸，節流(liú)元件是(shi)非常容(róng)易磨損(sun)的部件(jian)，在高溫(wen)或者高(gao)磨損性(xìng)的條件(jiàn)下，節流(liu)元件的(de)開口尺(chi)寸會越(yuè)來越大(da)，從而造(zào)成計量(liàng)值偏小(xiǎo)。如果實(shi)在貿☀️易(yi)交接的(de)場合，對(duì)于賣方(fāng)來說，就(jiù)會造成(chéng)👌損失。而(ér)超聲波(bō)流量計(ji)因爲沒(méi)有阻🏒流(liu)部件，所(suǒ)以壓損(sǔn)幾乎爲(wèi)✏️零，也不(bu)會磨損(sun)，所以長(zhǎng)期穩定(ding)性非常(chang)好。
　　口徑(jing)範圍大(dà)，最高溫(wēn)度高：渦(wo)街流量(liàng)計因爲(wèi)口徑限(xiàn)制，隻❗能(neng)适💘用🔞于(yu)小口徑(jing)、中低溫(wēn)蒸汽，如(rú)果有大(da)于DN300的管(guǎn)徑或者(zhě)高于450度(dù)的應用(yong)，渦街就(jiu)無能爲(wèi)力了，這(zhe)時🈚候選(xuan)用超聲(sheng)波流量(liang)計更加(jiā)合适
2. 節(jie)能減排(pai)經濟效(xiao)益對比(bǐ)
　　以上從(cong)理論角(jiǎo)度闡述(shu)了超聲(sheng)波的優(yōu)點，下面(mian)通過一(yī)個實例(lì)的計算(suàn)，來對比(bi)一下使(shǐ)用傳統(tǒng)差壓式(shi)流量計(jì)和新型(xing)超聲波(bō)💁流量✉️計(jì)在經濟(ji)效益上(shang)的差異(yì)🚶‍♀️。
主要可(kě)以從三(san)方面來(lái)對比：
1.因(yīn)磨損和(hé)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(fèi)的準确(què)性；
2.因差(cha)壓式流(liú)量計較(jiào)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(jì)需要維(wei)護和更(geng)換的後(hou)續維護(hù)成本。
2.1首(shǒu)先，先看(kan)一下因(yīn)磨損和(he)腐蝕造(zào)成差壓(ya)式流量(liàng)計☁️的精(jīng)度偏差(cha)，從而影(yǐng)響計費(fei)的準确(què)
　　以最常(chang)見的孔(kong)闆流量(liàng)計爲例(lì)，因爲孔(kong)闆的節(jiē)流元件(jiàn)在高溫(wen)下很容(róng)易被腐(fǔ)蝕，造成(chéng)流通面(mian)積變大(da)，差壓變(biàn)小，最終(zhong)導緻測(ce)☁️量值偏(piān)小。那麽(me)在蒸汽(qi)的貿易(yi)交接中(zhong)，測量值(zhi)偏小，就(jiù)意味着(zhe)蒸汽生(shēng)産方的(de)收入變(biàn)少，嚴重(zhong)的可能(neng)導💋緻虧(kuī)本經營(ying)。那麽下(xia)⛹🏻‍♀️面來計(ji)算💜一下(xià)，因爲孔(kǒng)闆的計(ji)量偏💯差(chà)可以導(dao)緻♌多少(shao)收入上(shang)☂️的損失(shi)。
　　假設某(mǒu)電廠給(gei)一個用(yong)戶供應(yīng)過熱蒸(zhēng)汽，口徑(jing)DN500，壓力2.0Mpa，溫(wen)度:310℃，流量(liang)範圍：0-200t/h。按(àn)一個月(yuè)工作28天(tian)計算，那(nà)麽一個(ge)月需要(yao)供應的(de)蒸🐕汽總(zǒng)🔞量在200*24*28=134400t/月(yuè)，按蒸汽(qì)價格160元(yuán)/t計算，每(měi)月的收(shōu)入爲2150.4萬(wan)⭕元。
爲了(le)簡化計(ji)算，假設(she)每個月(yuè)孔闆流(liu)量計因(yin)爲磨損(sun)🔅而産生(sheng)的精度(dù)變化是(shì)線性的(de)，每月精(jing)度下降(jiang)0.01%，那麽通(tong)過下表(biǎo)🔅可以☔看(kàn)出，第一(yi)年内損(sun)失的收(shōu)益：

第二(er)年的收(shōu)入損失(shī)可能高(gao)達45萬多(duo)。
　　采用超(chāo)聲波流(liú)量計的(de)話，也許(xǔ)最初的(de)購置付(fù)費會✨高(gāo)🔴于孔闆(pǎn)流量計(ji)，但是因(yin)爲不存(cun)在孔闆(pǎn)的磨損(sun)造成的(de)計量偏(pian)差，因爲(wèi)增加的(de)購置成(chéng)本基本(ben)上在1～2年(nián)就可以(yi)收回。
　　以(yi)上隻是(shì)簡單的(de)計算了(le)孔闆流(liu)量計因(yīn)爲磨損(sǔn)造成的(de)收益損(sun)失。其實(shi)，因爲孔(kǒng)闆的量(liang)程比很(hěn)小，隻有(you)1：3，所以📧在(zài)管線剛(gāng)剛啓✍️動(dòng)的時候(hòu)，因爲流(liu)量太小(xiao)，往往無(wu)法精🥰确(què)計量。而(ér)當用戶(hù)蒸汽用(yong)量大♉的(de)時候，又(yòu)會💜造成(chéng)大流量(liàng)無法計(jì)量，由此(cǐ)帶來巨(ju)大的損(sǔn)失。
2.2因差(chà)壓式流(liú)量計較(jiao)大的壓(yā)損而造(zao)成的無(wú)形中的(de)電🌏力💁的(de)🈲浪費
　　衆(zhōng)所周知(zhi)，差壓式(shi)流量計(ji)必定會(huì)造成永(yong)恒的壓(ya)力損失(shī)。還❄️是以(yǐ)上面的(de)孔闆流(liú)量計爲(wei)例，口徑(jing)DN500，壓力2.0Mpa，溫(wēn)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(liú)量約爲(wei)0-24000m3/h。若使用(yòng)差壓式(shì)流量計(jì)，可以🌈讓(rang)廠家計(ji)算永久(jiu)壓力損(sǔn)失，按照(zhào)流速和(he)節流元(yuan)件的不(bu)同，壓力(li)損失可(kě)以在5～40Kpa不(bú)等。如按(an)較小的(de)10Kpa壓損來(lai)計算，按(àn)最大流(liu)量的❓一(yī)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(yī)年💰能耗(hào)的損失(shī)是22.4萬KWh。如(rú)果一度(dù)電按0.5元(yuán)計算，那(na)麽電費(fèi)㊙️約需11萬(wan)元。也就(jiù)是說🌈，如(rú)果更換(huàn)成沒有(yǒu)壓損的(de)超聲波(bo)流量計(jì)，可以減(jian)少泵送(song)的能量(liàng)，節省電(dian)費11萬元(yuan)。
2.3因差壓(yā)式流量(liang)計需要(yao)維護和(hé)更換的(de)後續維(wéi)護成本(běn)👅
　　從前面(mian)第一點(dian)可以看(kan)出，使用(yòng)2年後，孔(kong)闆的磨(mó)損會非(fei)常厲害(hài)，所以這(zhe)就是爲(wèi)何差壓(ya)式流量(liang)計都建(jiàn)議2～3年更(gèng)換一次(cì)。這就意(yi)💞味着用(yong)戶需要(yào)重新購(gòu)買新的(de)節流元(yuan)件，重新(xīn)标定，重(zhòng)新安裝(zhuang)。這裏面(miàn)所涉及(jí)的采購(gòu)成本，人(rén)員安裝(zhuāng)成本，停(ting)産的成(cheng)本都是(shì)相當可(ke)觀♍的。
3安(ān)裝維護(hù)
　　在蒸汽(qi)管道的(de)安裝上(shang)，因爲蒸(zheng)汽管道(dao)都需要(yào)包裹保(bǎo)溫層，所(suo)以一般(bān)法蘭連(lián)接或者(zhě)外夾式(shì)超聲波(bo)的形式(shi)不都不(bu)是太适(shi)⭐合。法📧蘭(lán)連接的(de)部分會(huì)造成保(bao)溫層的(de)突起，施(shī)工不方(fāng)♻️便。而外(wai)🌈夾式超(chāo)聲波流(liu)量計安(an)裝的管(guǎn)道不能(néng)做✂️保溫(wen)，會造成(chéng)巨大的(de)能量浪(lang)費💋。蒸汽(qi)流量計(jì)可以提(tí)供焊接(jiē)式安裝(zhuāng)，管😄材和(hé)焊接内(nèi)⁉️徑也可(kě)以根據(ju)現場的(de)管道定(dìng)制，保證(zhèng)匹配性(xing)，如下圖(tu)所示。安(ān)裝完成(cheng)後基本(běn)與管道(dao)一體化(hua)，方便了(le)保溫層(céng)的鋪設(shè)。而且儀(yi)表本身(shen)是免維(wéi)護的，焊(han)接在管(guan)道上也(ye)無需後(hòu)期維護(hù)。

4結論
　　綜(zong)上所述(shu)，超聲波(bō)流量計(jì)相比傳(chuán)統的機(ji)械式流(liu)量計具(jù)⁉️有很多(duo)獨特的(de)優點，無(wú)壓損、精(jing)度高、低(dī)維護量(liang)等，其适(shi)用👣範圍(wéi)廣，一些(xiē)高💛溫高(gāo)壓的場(chǎng)合也可(kě)适用，尤(you)其對于(yú)大口徑(jing)流量的(de)正确📞測(cè)量有其(qí)不可比(bi)拟的優(yōu)勢，而🏃‍♀️且(qie)超聲波(bō)流量計(jì)的測量(liang)原理和(he)優點逐(zhu)漸被最(zui)終用戶(hù)所認可(kě)。除了測(cè)量蒸汽(qi)之外，超(chao)聲波👄流(liu)量計也(ye)适合應(ying)用于一(yī)些非導(dao)電的介(jie)質的測(cè)量，因此(cǐ)它會成(cheng)我國工(gōng)業生❓産(chǎn)和計量(liang)領域的(de)新标準(zhǔn)㊙️。

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