摘要(yào)：系統闡述了多種(zhong)傳統流量計的測(ce)量原理，對比各個(gè)測量裝置的優缺(quē)點，提出的超聲波(bo)流量計
在高溫高(gao)壓大口徑管道中(zhōng)精确計量。從經濟(ji)效益、精度❤️偏差、安(ān)裝使用、節能減排(pai)、後期維護等多個(gè)方✏️面诠釋超聲波(bo)流量計相比傳統(tong)的機械式流量計(jì)的獨特特點，以🍓及(jí)在我國工業生産(chǎn)和計量領域中的(de)重要應用。
1原理概(gài)述
蒸汽作爲廣泛(fan)的載熱介質，在各(gè)行各業中有着非(fēi)常✊重要🔅的作用。在(zai)電廠中使用蒸汽(qi)推動汽輪機進行(hang)發電。在食品行業(yè)中，可以使用蒸汽(qì)對管路進行📞消毒(du)，确保食品安全衛(wei)生無菌。在煉油行(háng)業，使用高壓蒸汽(qì)對油井或者氣田(tian)進行壓裂開采。在(zai)石化化工行業的(de)生産過程中，很多(duō)環節需要使用到(dào)蒸汽💔，比如汽提塔(ta)♊中，蒸汽的溫度和(he)💰壓力的穩定對塔(ta)器中的生産有着(zhe)至關重要的作用(yòng)。在化工行業，某些(xiē)易結晶的介質在(zai)生産和運輸過程(chéng)中需⚽要保持溫度(du)，而蒸汽往往就是(shì)給管道進行伴熱(rè)和保溫的介質。在(zai)管道的吹掃中，有(you)時可以使用空氣(qì)，而有些場合就需(xū)要使用蒸汽吹掃(sao)。當然更顯而易見(jian)的是，蒸🔞汽可以作(zuò)爲建築或者場所(suo)的取暖用介質。
蒸(zhēng)汽負載着能量，所(suǒ)以準确的計量蒸(zhēng)汽意義重大。對♈于(yu)生🔴産廠區的内部(bù)計量，計量的精度(dù)可以起到節能減(jian)排🌈的作用。對于貿(mao)易交接的場合，無(wú)論是蒸汽的生産(chan)方還♊是使用方，計(jì)量的精度直接關(guan)系到雙方的費用(yòng)結算，一🤞定需要一(yi)個可靠的計量方(fāng)式♉，才能避免費用(yòng)上的糾紛。傳統的(de)蒸汽計量方式多(duo)采用差壓式流量(liàng)計，
差壓式流量計(ji)
需要一個節流原(yuán)件來實現壓力差(chà)，包括
孔闆流量計(ji)
、文丘裏、噴嘴等方(fāng)式。随着技術的發(fa)展，渦街流量計漸(jian)漸用于蒸汽測量(liang)。近幾年，采用時差(cha)法原理并且适用(yòng)✔️溫度較高的超📱聲(sheng)波流量計也開始(shǐ)進入蒸汽測量的(de)領域。下面簡單介(jie)紹一下這幾種測(cè)量方式的原理。
1.1差(cha)壓式儀表
流體在(zài)有節流裝置的管(guǎn)道中流動時，在節(jiē)流裝置前🔴後的管(guan)壁處，流體的靜壓(yā)力産生差異的現(xian)象稱⭐爲節流現象(xiàng)。節📞流裝☂️置包括節(jiē)流元件和取壓裝(zhuāng)置。節流元件是使(shi)管道中的流體産(chan)生局部收縮的元(yuan)🙇♀️件，多達30多種，常用(yòng)的節流元件有孔(kong)闆、噴嘴和文丘利(li)管等。流體流過節(jie)流元件時，會被加(jiā)速，流體的加速時(shí)期動能增加，按照(zhào)能量守恒定律，在(zai)流體🌈被加速處它(tā)的靜壓力會降低(dī)🈲一個相應的值，因(yin)此在節流原件兩(liǎng)側産生一個差壓(yā)，而這一差壓與流(liú)速的平方根成正(zheng)比。其原理的計算(suàn)公式如下：
Qv=CεΑ/sqr(2ΔP/(1-β＾4)/ρ1)(1)
其中：
C爲(wei)流出系數；
ε爲可膨(peng)脹系數
Α爲節流件(jiàn)開孔截面積，m2
ΔP爲節(jiē)流裝置輸出的差(cha)壓，Pa;
β爲直徑比
ρ1爲被(bèi)測流體在I-I處的密(mì)度，kg/m3;
Qv爲體積流量，m3/h
下(xia)圖爲一些常見節(jie)流原件的示意圖(tú)
1.2渦街流量計
自然(ran)界的很多現象都(dōu)源于渦街原理，比(bi)如迎風飄揚的旗(qi)幟，旗杆作爲漩渦(wo)發生體,當風從旗(qí)杆一側🐕吹來時，旗(qi)杆阻❓擋了風，分别(bie)從旗杆兩側吹過(guo)的氣流在其🔞後形(xing)成了漩渦🐇，因此，旗(qí)幟能夠随風飄揚(yang)。在
渦街流量計
中(zhong)，正是采用了“卡門(mén)渦街原理”，測量管(guan)中有一個漩渦發(fa)生體，漩渦的脫落(luò)頻率正比于流量(liang)，漩渦脫落📞頻率通(tong)過傳感🈚器中🍉的壓(yā)電晶體來測量，公(gōng)式如下：
f=StV/d(2)
式中：
f－發生(shēng)體一側産生的卡(kǎ)門旋渦頻率
St－斯特(tè)羅哈爾數（無量綱(gāng)數）
V－流體的平均流(liú)速
d－旋渦發生體的(de)寬度
通過壓電晶(jīng)體測得頻率之後(hòu)，就可以算得流速(sù)值，再乘以流量😍計(jì)的截面積就可以(yǐ)知道流速。
1.3超聲波(bō)流量計
相比前兩(liǎng)種測量原理，超聲(shēng)波時差法的原理(lǐ)則更加簡單易懂(dǒng)一些。與人們劃船(chuan)或者遊泳類似，超(chao)聲波在流動的流(liú)🆚體中的傳播速度(du)與流體的流速有(yǒu)關。順流而下的超(chāo)聲波的傳播速度(dù)大于逆流而上的(de)傳播速度。隻要分(fèn)别測量出超聲波(bō)順流和逆流㊙️的傳(chuán)播時間，就可以依(yī)據下面的公式得(de)到該路徑🏒上瞬時(shí)流速🈲。這樣，介質流(liú)量則可以通過流(liu)速、管道截面積等(deng)求得。
Vm＝L(TB?A-TA?B)/(2*COS?*TB?A*TA?B)(3)
超聲波流(liu)量計用于液體測(ce)量已經有幾十年(nián)的曆史了，随着技(jì)術的發展，超聲波(bō)流量計也逐漸開(kai)始應用在氣體的(de)領域，尤其高溫換(huan)能器的開發，使其(qi)可以用于蒸汽🌈的(de)領域。以高溫氣體(ti)超聲波流量計爲(wei)例，選用高溫SS347材質(zhi)❓的換能器，溫度可(kě)以達到540度，耐壓可(ke)達10Mpa。Inconel合金材質的換(huàn)能🤟器更可達到🏃🏻♂️20Mpa的(de)壓力等級，可選610度(du)的高溫。可适用于(yu)各種‼️低壓/中壓/高(gāo)壓蒸汽。
了解了各(ge)種原理之後，再來(lái)對比一下各個測(ce)量原理的優缺點(diǎn)，此處對比參考超(chao)聲波流量計産品(pǐn)樣本（液體OPTISONIC3400,蒸汽OPTISONIC8300）。
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差(chà)壓式流量計
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渦街(jie)流量計
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超聲波流(liu)量計
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口徑範圍
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孔(kǒng)闆：DN25~500
文丘裏：DN50~1200
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DN15~300
更大口(kou)徑基本不可能生(sheng)産
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液體DN25~3000
氣體DN50~1000
更大(dà)的口徑也可能生(sheng)産
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溫度範圍
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根據(ju)材質和壓力等
決(jue)定可用溫度範圍(wei)
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最高450度
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最高610度
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測(ce)量精度(不确定度(dù))
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孔闆：1%
文丘裏：1%，實流(liu)後可達0.5%
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1%～2%
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液體：0.3%
氣體(tǐ)：1%
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是否有阻流件
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是(shì)
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是
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是
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壓損情況
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較(jiao)大，孔闆的壓損達(dá)到差壓值的60%，文丘(qiū)裏是差壓值的15%
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較(jiao)小
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無壓損
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前後直(zhí)管段
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孔闆：前20DN，後10DN
文(wen)丘裏：前10DN，後5DN
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前20DN後5DN
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液(ye)體：前5DN後3DN氣體：前20DN後(hou)3DN
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量程比
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孔闆：1：3
文丘(qiu)裏：1：3
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1：10
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1：10
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維護量
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節流元(yuan)件高溫下容易
腐(fu)蝕，經常需要維護(hù)、
标定、更換
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維護量(liàng)小于差壓式儀表(biǎo)
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無需維護，沒有磨(mo)損與腐蝕
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從上表(biǎo)的對比可以明顯(xiǎn)看出，超聲波流量(liang)計有幾個很重要(yào)的優點：
量程比寬(kuan)：孔闆的量程比隻(zhī)有1：3，在實際應用過(guo)程中，如✉️果最大和(he)最小流量的範圍(wei)較寬，一台孔闆就(jiù)無法适用，往往需(xū)要2～3台🈲孔闆🏃♂️用于不(bú)同的量程範圍，而(ér)2～3台表又🏃♀️會引入系(xi)統誤差，造成測量(liàng)可靠性進一步下(xia)降。超聲波流量計(ji)超寬的量⚽程比，從(cong)0.3～30m/s都可以保證精度(dù)，有時可測比30m/s更高(gao)。
長期穩定性好：使(shi)用過差壓式的儀(yi)表的操作工可能(néng)都有感觸，節流元(yuan)件是非常容易磨(mó)損的部件，在高溫(wēn)或者高磨損性✂️的(de)條🌏件下，節流元件(jian)的開口尺寸會越(yue)⁉️來越大，從而造成(chéng)計量值偏小。如果(guǒ)實在貿易交接的(de)場合，對于賣方來(lai)說🈲，就會造成損失(shi)。而超聲波流量計(ji)因爲沒有阻流部(bu)件，所以❄️壓損幾乎(hu)爲☂️零，也不會磨損(sun)，所以長期穩定🛀🏻性(xing)非常好。
口徑範圍(wéi)大，最高溫度高：渦(wo)街流量計因爲口(kou)徑限制🧑🏽🤝🧑🏻，隻能适用(yong)于小口徑、中低溫(wēn)蒸汽，如果有大于(yú)DN300的管徑或者高于(yu)450度的應用🎯，渦街就(jiu)無能爲力了，這時(shi)候選用超聲波✂️流(liú)量計更加合适
2. 節(jiē)能減排經濟效益(yi)對比
以上從理論(lun)角度闡述了超聲(sheng)波的優點，下面通(tong)過一個實例的⛱️計(ji)算，來對比一下使(shǐ)用傳統差壓式流(liú)量計和新型超☂️聲(sheng)波流量計在經濟(jì)效益上的差異。
主(zhu)要可以從三方面(miàn)來對比：
1.因磨損和(he)腐蝕造成差壓式(shi)流量計的精度偏(pian)差，從而影響計費(fèi)💞的準确性；
2.因差壓(ya)式流量計較大的(de)壓損而造成的無(wú)形中的電🧑🏽🤝🧑🏻力的浪(làng)費；
3.因差壓式流量(liang)計需要維護和更(geng)換的後續維護成(cheng)本。
2.1首先，先看一下(xià)因磨損和腐蝕造(zào)成差壓式流量計(ji)的🏃🏻♂️精度偏差，從而(er)影響計費的準确(què)
以最常見的孔闆(pan)流量計爲例，因爲(wei)孔闆的節流元件(jiàn)在高☔溫下很容易(yi)被腐蝕，造成流通(tōng)面積變大，差壓變(bian)小，最終導🏃♀️緻測量(liang)值偏小。那麽在蒸(zhēng)汽的貿易交接中(zhōng)，測量值偏小，就意(yì)味着蒸汽生☁️産方(fang)的收入變少，嚴重(zhong)的可能導緻虧本(ben)經營。那麽下面來(lái)計算一下，因爲孔(kong)闆的計量偏差可(ke)以導緻🍉多少收入(rù)上💞的損失。
假設某(mǒu)電廠給一個用戶(hù)供應過熱蒸汽，口(kou)徑DN500，壓力2.0Mpa，溫度:310℃，流量(liang)範🏃♀️圍：0-200t/h。按一個月工(gōng)作28天計算，那麽一(yī)個月需要供應的(de)蒸汽總量在200*24*28=134400t/月，按(àn)蒸汽價格160元/t計算(suàn)，每月的收入爲2150.4萬(wàn)元。
爲了簡化計算(suan)，假設每個月孔闆(pan)流量計因爲磨損(sun)而産生的精度變(bian)化是線性的，每月(yuè)精度下降0.01%，那麽通(tong)過下表可以看出(chu)，第一年内損失的(de)收益：
第二年的收(shou)入損失可能高達(da)45萬多。
采用超聲波(bō)流量計的話，也許(xu)最初的購置付費(fèi)會高于孔闆流量(liang)計，但是因爲不存(cun)在孔闆的磨損造(zao)成的計量偏差，因(yīn)爲增加的購置成(chéng)本基本上在1～2年就(jiù)可以收回。
以上隻(zhī)是簡單的計算了(le)孔闆流量計因爲(wèi)磨損造成的收益(yi)損失。其實，因爲孔(kong)闆的量程比很小(xiǎo)，隻有❄️1：3，所以在管線(xian)剛🐪剛啓動的時候(hòu)，因爲流量太小，往(wǎng)往無法精确計量(liang)。而當用戶蒸汽用(yong)量大的時候，又會(hui)造成大流量無法(fǎ)計☁️量，由此帶🌈來巨(jù)大的損失。
2.2因差壓(yā)式流量計較大的(de)壓損而造成的無(wu)形中的🙇♀️電力的浪(làng)🏃🏻♂️費
衆所周知，差壓(ya)式流量計必定會(hui)造成永恒的壓力(li)損失。還是以上面(mian)的孔闆流量計爲(wei)例，口徑DN500，壓力2.0Mpa，溫度(du):310℃，流量範圍：0-200t/h。此時蒸(zhēng)汽密度約爲8.28kg/m3，所以(yi)體積流量約爲0-24000m3/h。若(ruò)使用差壓式流量(liang)計，可以讓廠家計(jì)算永久壓力損失(shi)，按照流速和節流(liu)元件的不同，壓力(lì)損失可✔️以在5～40Kpa不等(děng)。如按較小的10Kpa壓損(sun)來計算，按最大流(liu)量的一半流量時(shí)，能量損失在27.78kW。還是(shi)按每月28天計算🔅，一(yi)年能耗的損失是(shì)22.4萬KWh。如果一度電按(an)0.5元計算，那麽電費(fèi)約需11萬元。也就是(shi)說，如果更換成沒(mei)有壓損的超聲波(bo)流量計，可以減少(shǎo)泵送的能量，節省(shěng)電費11萬元。
2.3因差壓(yā)式流量計需要維(wéi)護和更換的後續(xu)維護成本
從前面(mian)第一點可以看出(chū)，使用2年後，孔闆的(de)磨損會非常厲害(hài)，所以這就是爲何(hé)差壓式流量計都(dou)建議🥰2～3年更換一次(cì)。這就意味着💚用戶(hù)需要重新購買新(xin)的節流元件，重新(xīn)标定，重新安裝。這(zhe)裏面所涉及的采(cai)購成本，人員安裝(zhuang)成本，停産的成本(ben)都是相當可觀的(de)。
3安裝維護
在蒸汽(qi)管道的安裝上，因(yīn)爲蒸汽管道都需(xū)要包裹保溫層👄，所(suǒ)💋以一般法蘭連接(jie)或者外夾式超聲(sheng)波的形式不都不(bu)是㊙️太适合。法蘭連(lián)接的部分會造成(cheng)保溫層的突起，施(shī)工不方便。而外夾(jiá)式超聲波流量計(ji)🥵安裝的管道不能(néng)做保溫，會造成巨(jù)大的🥵能量浪費。蒸(zheng)汽流量計可以提(ti)供焊❤️接式安裝，管(guǎn)材和焊接内徑也(yě)可以根據現場的(de)管道定制，保證匹(pi)配性，如下㊙️圖所示(shi)。安裝完成後基本(běn)與管道一體化，方(fang)便了保溫層的鋪(pu)設。而且儀表本身(shēn)是免維護的🐉，焊接(jie)在管道上也無需(xū)後期維護。
4結論
綜(zong)上所述，超聲波流(liu)量計相比傳統的(de)機械式流量計具(ju)有很多🌈獨特的優(yōu)點，無壓損、精度高(gao)、低維護量等，其适(shì)用範圍廣，一些高(gao)❓溫高壓的場合也(ye)可适用，尤其對于(yú)大口徑流量的正(zheng)确⭐測量有其不可(kě)比拟的優勢，而且(qie)超聲波🌈流量計的(de)測量原理和優點(diǎn)逐漸被最終用戶(hu)所認可。除🔞了測量(liang)蒸汽之外，超聲波(bō)流量計也适合應(ying)用于一些非導電(dian)的介質的測量，因(yin)此它會成我國工(gong)業生産和計量領(lǐng)域的新标準。
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