摘要：系(xi)統闡述(shù)了多種(zhong)傳統流(liu)量計的(de)測量原(yuán)理，對比(bǐ)各個測(cè)量裝置(zhi)的優缺(quē)點，提出(chu)的超聲(sheng)波流量(liàng)計 在高(gao)溫高壓(ya)大口徑(jìng)管道中(zhōng)精确計(ji)量。從經(jing)濟效益(yì)、精度偏(pian)差🛀、安裝(zhuāng)使用、節(jie)能減排(pai)、後期維(wéi)護等多(duō)個方面(mian)诠釋超(chao)聲波流(liú)量🏃🏻‍♂️計相(xiang)比傳統(tǒng)的機械(xie)式流量(liàng)計👌的獨(du)特特點(diǎn)，以及在(zài)我國工(gong)業😘生産(chan)和計量(liàng)領域中(zhong)的重要(yao)應用。
1原(yuán)理概述(shu)
　　蒸汽作(zuò)爲廣泛(fan)的載熱(re)介質，在(zai)各行各(gè)業中有(you)着非常(cháng)重要的(de)作用。在(zài)電廠中(zhōng)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(guǎn)路進行(háng)👅消毒，确(què)保食品(pin)安全衛(wei)💯生無菌(jun)。在煉油(yóu)行業，使(shǐ)用高壓(yā)蒸汽對(dui)油井或(huò)者氣田(tián)進行😘壓(yā)裂開采(cai)。在石化(huà)化工行(hang)業的生(sheng)産過程(cheng)中，很多(duō)環節需(xū)要使用(yòng)到蒸汽(qì)，比如汽(qi)提塔中(zhōng)，蒸汽的(de)溫度和(hé)壓力的(de)穩定對(dui)塔器🆚中(zhōng)的生産(chan)有着至(zhi)關重要(yao)的作用(yong)。在化工(gong)行業，某(mǒu)些🔞易結(jie)晶的介(jie)質在生(shēng)産和運(yùn)輸過程(chéng)中需要(yao)保持溫(wēn)度，而蒸(zheng)汽往往(wǎng)就是給(gěi)管道進(jin)行伴熱(re)和保溫(wēn)❄️的介質(zhì)。在管道(dao)的吹掃(sao)中，有時(shi)可以使(shi)用空氣(qì)，而有些(xiē)場合就(jiù)需要使(shi)🤟用蒸汽(qi)吹掃。當(dang)然更顯(xian)而易見(jian)的是，蒸(zhēng)🤞汽可🔞以(yǐ)作爲建(jiàn)築或者(zhě)場所的(de)取暖用(yòng)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(zhòng)大。對于(yú)生♋産🌈廠(chǎng)區的内(nèi)部計量(liàng)，計量的(de)精度可(kě)以起到(dào)節能🐇減(jian)排的作(zuo)用。對于(yú)貿易交(jiao)接的場(chǎng)合，無論(lùn)是蒸汽(qi)的生産(chan)方還是(shi)使用方(fāng)，計量的(de)精度直(zhi)接關系(xi)到雙方(fāng)的費😘用(yong)結算，一(yi)定需要(yào)一🙇‍♀️個可(kě)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(cai)用差壓(ya)式流量(liang)計， 差壓(yā)式流量(liàng)計 需要(yào)一個節(jiē)流原件(jiàn)來實現(xian)壓力差(chà)，包括 孔(kǒng)闆流量(liang)計 、文丘(qiu)裏、噴嘴(zuǐ)等方式(shì)。随着技(ji)術的發(fa)展，渦街(jiē)流量計(ji)🏒漸漸用(yòng)于蒸汽(qi)測量。近(jìn)幾年，采(cai)用時差(chà)法原理(li)并且适(shì)用㊙️溫度(du)較高的(de)超聲波(bō)流量計(jì)也開始(shǐ)進入蒸(zheng)汽測量(liàng)的領域(yù)。下🍉面簡(jiǎn)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(guan)道中流(liú)動時，在(zai)節流裝(zhuāng)置前後(hòu)的管壁(bi)處，流體(tǐ)的靜壓(ya)力産生(sheng)差異的(de)現象稱(chēng)💞爲節🏃‍♂️流(liu)現象。節(jie)流裝置(zhì)包括節(jiē)流元件(jiàn)和取壓(yā)裝置。節(jie)流元件(jian)是使管(guǎn)道中的(de)流體産(chǎn)生局⁉️部(bu)收縮的(de)元👅件，多(duō)達30多種(zhǒng)，常用的(de)節流元(yuan)件有孔(kong)闆、噴🆚嘴(zuǐ)和文丘(qiū)利管等(deng)。流體流(liu)過節流(liú)元件時(shi)，會被加(jiā)速，流體(ti)的加速(su)時期動(dong)能增加(jia)，按照能(néng)量守恒(heng)定律，在(zài)流體被(bèi)加速處(chu)它的🌂靜(jìng)壓力會(huì)降低一(yī)個相應(ying)的值，因(yin)此在節(jie)流💁原件(jiàn)兩側産(chǎn)生一個(ge)差壓，而(ér)這一差(cha)壓與流(liu)速的平(píng)方根成(cheng)正比。其(qí)原理的(de)計算公(gong)式如下(xià)：
Qv=CεΑ/sqr(2ΔP/(1-β＾4)/ρ1)(1)
其中：
C爲(wèi)流出系(xì)數；
ε爲可(kě)膨脹系(xi)數
Α爲節(jie)流件開(kāi)孔截面(miàn)積，m2
ΔP爲節(jie)流裝置(zhi)輸出的(de)差壓，Pa;
β爲(wei)直徑比(bǐ)

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

1.2渦街流(liú)量計
　　自(zì)然界的(de)很多現(xian)象都源(yuan)于渦街(jie)原理，比(bǐ)如迎風(fēng)飄揚的(de)旗幟🔞，旗(qí)杆作爲(wèi)漩渦發(fa)生體,當(dāng)風從旗(qi)杆一側(ce)吹來時(shí)，旗杆阻(zǔ)擋了風(fēng)，分别從(cong)旗杆兩(liǎng)側吹過(guo)的氣流(liú)在其後(hòu)形成了(le)漩渦✏️，因(yin)此，旗💋幟(zhi)能夠随(suí)風飄揚(yang)。在 渦街(jiē)流量計(ji) 中，正是(shì)采用了(le)“卡門渦(wo)街原理(li)”，測量管(guan)中有一(yi)個漩渦(wō)發生體(ti)，漩渦的(de)脫落頻(pín)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(lái)測量，公(gong)式如下(xia)：
f=StV/d(2)
式中：
f－發(fa)生體一(yī)側産生(sheng)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(sù)
d－旋渦發(fā)生體的(de)寬度
通(tōng)過壓電(dian)晶體測(ce)得頻率(lǜ)之後，就(jiù)可以算(suan)得流速(su)值，再乘(chéng)以流🏃‍♀️量(liàng)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(jì)
　　相比前(qian)兩種測(cè)量原理(li)，超聲波(bo)時差法(fa)的原理(li)則更加(jia)🏃🏻‍♂️簡單易(yì)懂一些(xie)。與人們(men)劃船或(huò)者遊泳(yong)類似，超(chao)聲波在(zài)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(bo)速度大(dà)于逆流(liú)而上的(de)傳播速(sù)度。隻要(yao)分别測(cè)量出超(chao)聲波順(shun)🔅流和逆(nì)流的傳(chuan)播時間(jian)，就可以(yi)依據下(xia)面的公(gōng)式得到(dào)該路徑(jìng)上瞬時(shi)流速。這(zhè)樣，介質(zhi)流量則(zé)可以通(tōng)過流速(su)、管道截(jié)面積等(děng)求得。
Vm＝L(TB?A-TA?B)/(2*COS?*TB?A*TA?B)(3)

Vm:瞬時流(liú)速 L:兩個(ge)超聲波(bō)換能器(qi)之間的(de)距離 TB?A:超(chao)聲波逆(nì)流而上(shàng)的傳輸(shū)時間 TA?B:超(chāo)聲波順(shùn)流而下(xià)的傳輸(shū)時間 α:介(jie)質流向(xiang)與超聲(sheng)波傳輸(shū)方向之(zhi)間的夾(jia)角

　　超聲(sheng)波流量(liang)計用于(yu)液體測(cè)量已經(jing)有幾十(shi)年的曆(lì)史了🏃🏻‍♂️，随(sui)着技術(shu)的發展(zhan)，超聲波(bō)流量計(ji)也逐漸(jian)開始💋應(yīng)用在氣(qì)體的領(ling)域，尤其(qi)高溫換(huan)能器的(de)開發，使(shǐ)其可以(yi)用于蒸(zheng)汽㊙️的領(lǐng)域♌。以高(gāo)溫氣體(ti)超聲波(bō)流量計(ji)爲例，選(xuan)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(ke)達到20Mpa的(de)壓力等(děng)級🔆，可選(xuan)610度的高(gao)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(duì)比一下(xià)各個測(cè)量原理(li)的📱優缺(quē)點，此處(chù)對比參(can)考超聲(shēng)波流量(liang)計産品(pǐn)樣本（液(ye)體OPTISONIC3400,蒸汽(qì)OPTISONIC8300）。

	差壓式(shi)流量計(ji)	渦街流(liú)量計	超(chāo)聲波流(liu)量計
口(kou)徑範圍(wéi)	孔闆：DN25~500 文(wén)丘裏：DN50~1200	DN15~300 更(gèng)大口徑(jìng)基本不(bú)可能生(sheng)産	液體(ti)DN25~3000 氣體DN50~1000 更(gèng)大的口(kǒu)徑也可(ke)能生産(chan)
溫度範(fan)圍	根據(ju)材質和(he)壓力等(děng) 決定可(ke)用溫度(du)範圍	最(zuì)高450度	最(zuì)高610度
測(ce)量精度(du)(不确定(ding)度)	孔闆(pan)：1% 文丘裏(lǐ)：1%，實流後(hou)可達0.5%	1%～2%	液(ye)體：0.3% 氣體(tǐ)：1%
是否有(you)阻流件(jiàn)	是	是	是(shì)
壓損情(qíng)況	較大(da)，孔闆的(de)壓損達(da)到差壓(yā)值的60%，文(wen)丘裏是(shi)差壓值(zhi)的15%	較小(xiǎo)	無壓損(sǔn)
前後直(zhí)管段	孔(kǒng)闆：前20DN，後(hòu)10DN 文丘裏(li)：前10DN，後5DN	前(qián)20DN後5DN	液體(ti)：前5DN後3DN氣(qì)體：前20DN後(hou)3DN
量程比(bi)	孔闆：1：3 文(wén)丘裏：1：3	1：10	1：10
維(wei)護量	節(jiē)流元件(jian)高溫下(xià)容易 腐(fǔ)蝕，經常(chang)需要維(wei)護、 标定(dìng)、更換	維(wei)護量小(xiao)于差壓(ya)式儀表(biao)	無需維(wéi)護，沒有(yǒu)磨損與(yǔ)腐蝕

從(cóng)上表的(de)對比可(kě)以明顯(xiǎn)看出，超(chāo)聲波流(liú)量計有(you)幾🌈個很(hen)重要的(de)優點：
　　量(liàng)程比寬(kuan)：孔闆的(de)量程比(bǐ)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(liú)量的範(fàn)圍較寬(kuān)，一台孔(kong)闆就無(wu)法适用(yong)，往往需(xu)要2～3台孔(kǒng)闆用于(yu)不同的(de)量程範(fàn)圍，而2～3台(tái)表又會(hui)引入系(xi)統誤差(chà)，造成測(cè)量可靠(kao)性進一(yi)步下降(jiàng)。超聲波(bo)流量計(ji)超寬的(de)量程比(bǐ)，從0.3～30m/s都可(kě)以保證(zheng)精度，有(yǒu)時可測(cè)比30m/s更高(gāo)。
　　長期穩(wěn)定性好(hao)：使用過(guo)差壓式(shì)的儀表(biao)的操作(zuò)工可💃能(néng)都有感(gǎn)觸，節流(liu)元件是(shì)非常容(rong)易磨損(sun)的部件(jiàn)，在高溫(wen)或者高(gāo)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(liàng)值偏小(xiao)。如果實(shi)在貿易(yì)交接的(de)場合，對(dui)于賣方(fang)來說，就(jiu)會造成(chéng)損失。而(er)超聲波(bō)流量計(ji)因爲沒(mei)有阻流(liu)部件，所(suo)以🌐壓損(sǔn)幾乎爲(wei)📞零，也不(bú)會磨損(sun)，所以長(zhǎng)期穩定(dìng)性非常(cháng)好。
　　口徑(jing)範圍大(da)，最高溫(wen)度高：渦(wō)街流量(liàng)計因爲(wei)口徑限(xian)制，隻能(néng)适用于(yú)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(yòng)，渦街就(jiu)無能爲(wei)力了，這(zhe)時候選(xuǎn)用超聲(shēng)波流量(liang)計更加(jiā)合适
2. 節(jie)能減排(pái)經濟效(xiao)益對比(bi)
　　以上從(cóng)理論角(jiao)度闡述(shu)了超聲(sheng)波的優(yōu)點，下面(miàn)通過一(yi)💚個✍️實例(li)🌐的計算(suàn)，來對比(bǐ)一下使(shǐ)用傳統(tǒng)差壓式(shì)流量計(jì)和新型(xing)超聲波(bō)流量計(ji)在經濟(ji)效益上(shàng)的差異(yì)。
主要可(kě)以從三(sān)方面來(lái)對比：
1.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(ying)響計☁️費(fei)的準确(que)性；
2.因差(cha)壓式流(liú)量計較(jiao)大的壓(ya)損而造(zào)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(gèng)換的後(hòu)續維護(hù)成本。
2.1首(shou)先，先看(kan)一下因(yin)磨損和(hé)腐蝕造(zào)成差壓(ya)式流量(liang)計的精(jing)度偏差(cha)💰，從而影(yǐng)響計費(fei)的準确(què)
　　以最常(chang)見的孔(kǒng)闆流量(liang)計爲例(lì)，因爲孔(kǒng)闆的節(jie)流元件(jiàn)在高溫(wen)下很容(rong)易被腐(fu)蝕，造成(cheng)流通面(miàn)積變大(dà)，差壓變(bian)小，最終(zhōng)導緻測(cè)量值偏(piān)小。那麽(me)在蒸汽(qì)的貿易(yì)交接中(zhong)，測量值(zhí)☁️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(kui)本經營(ying)。那麽下(xià)面來計(jì)算👨‍❤️‍👨一下(xià)，因爲孔(kong)闆的計(ji)量偏差(cha)可以導(dǎo)緻多少(shǎo)收入上(shàng)的損失(shī)。
　　假設某(mou)電廠給(gěi)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(àn)一個月(yuè)工作28天(tiān)計算，那(na)麽一個(gè)月需要(yào)供應的(de)蒸汽總(zong)量在㊙️200*24*28=134400t/月(yue)，按蒸汽(qi)價格160元(yuán)/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(shè)每個月(yuè)孔闆流(liú)量計因(yīn)爲磨損(sǔn)而産生(sheng)✍️的精度(dù)變化是(shì)線性的(de)，每月精(jīng)度下降(jiàng)0.01%，那麽💜通(tōng)過下表(biao)✊可以看(kan)出📐，第一(yi)年内損(sun)失的收(shōu)益：

第二(er)年的收(shou)入損失(shi)可能高(gao)達45萬多(duo)。
　　采用超(chāo)聲波流(liu)量計的(de)話，也許(xǔ)最初的(de)購置付(fù)費會高(gao)于孔⛱️闆(pan)流量計(jì)，但是因(yīn)爲不存(cún)在孔闆(pan)的磨損(sǔn)造成的(de)計量偏(piān)差，因爲(wei)增加的(de)購置成(cheng)本基本(ben)上在1～2年(nián)就可以(yi)收回。
　　以(yi)上隻是(shi)簡單的(de)計算了(le)孔闆流(liú)量計因(yin)爲磨損(sun)造成的(de)⭐收益損(sun)失。其實(shi)，因爲孔(kǒng)闆的量(liàng)程比很(hěn)小，隻有(yǒu)1：3，所以在(zai)管線剛(gāng)💁剛啓🥵動(dòng)的時候(hou)，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(you)會造成(chéng)大流量(liang)無法計(jì)量，由此(ci)帶來巨(jù)大的損(sǔn)失。
2.2因差(chà)壓式流(liu)量計較(jiào)大的壓(ya)損而造(zao)成的無(wú)形中的(de)🌈電😍力的(de)浪費
　　衆(zhōng)所周知(zhī)，差壓式(shì)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(jìng)DN500，壓力2.0Mpa，溫(wen)度:310℃，流🏃🏻量(liàng)範圍：0-200t/h。此(cǐ)時蒸汽(qì)密😍度約(yuē)爲8.28kg/m3，所以(yǐ)體積流(liu)量約✌️爲(wei)0-24000m3/h。若使用(yong)差壓式(shì)流量計(jì)，可以讓(ràng)廠家計(ji)算永久(jiǔ)壓力損(sǔn)失，按照(zhào)流速和(hé)節流元(yuan)件☀️的不(bú)同，壓力(lì)損失可(kě)以在5～40Kpa不(bú)等。如按(an)較小的(de)10Kpa壓損來(lái)計算，按(an)最大流(liu)量的一(yī)半流量(liang)時，能量(liang)損失在(zài)27.78kW。還是按(an)每月28天(tiān)計算，一(yi)年能耗(hào)的損失(shī)是22.4萬KWh。如(rú)果一度(du)電按0.5元(yuan)計算，那(na)麽電費(fei)約需11萬(wàn)元。也就(jiù)是說，如(ru)果更換(huàn)成沒有(you)壓損的(de)超聲波(bo)流量計(ji)，可以減(jian)少泵送(sòng)的能量(liàng)，節省電(dian)費11萬元(yuán)。
2.3因差壓(yā)式流量(liàng)計需要(yao)維護和(he)更換的(de)後續維(wéi)護成本(ben)
　　從前面(miàn)第一點(dian)可以看(kan)出，使用(yong)2年後，孔(kong)闆的磨(mó)損會非(fēi)🧡常厲害(hài)，所以這(zhè)就是爲(wei)何差壓(ya)式流量(liàng)計都建(jian)議2～3年更(gèng)換一次(ci)。這就意(yì)味着🆚用(yong)戶需要(yao)重新購(gou)買新的(de)節流元(yuan)件，重新(xīn)标定，重(zhòng)新安裝(zhuāng)。這裏面(miàn)所涉及(jí)的采購(gòu)成本，人(rén)員安裝(zhuang)成✏️本，停(ting)産的成(cheng)本都是(shì)相當可(kě)觀的。
3安(ān)裝維護(hu)
　　在蒸汽(qì)管道的(de)安裝上(shàng)，因爲蒸(zhēng)汽管道(dào)都需要(yào)包裹保(bao)⚽溫層，所(suo)以一般(ban)法蘭連(lián)接或者(zhe)外夾式(shi)超聲波(bō)的形式(shì)不都不(bu)是太适(shì)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(fang)便。而外(wài)㊙️夾式超(chao)♉聲波流(liu)量計安(ān)裝的管(guan)道不能(néng)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(tí)供焊接(jie)式安裝(zhuang)，管材和(hé)焊接内(nei)㊙️徑也可(ke)以根據(ju)現場的(de)管道定(dìng)制，保證(zheng)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(ceng)的鋪設(she)。而且儀(yi)表本身(shen)是免維(wei)護的，焊(hàn)接在管(guǎn)道上也(ye)無需後(hòu)期維護(hu)。

4結論
　　綜(zong)上所述(shù)，超聲波(bo)流量計(ji)相比傳(chuan)統的機(jī)械式流(liu)量⭕計具(ju)有📐很多(duō)獨特的(de)優點，無(wu)壓損、精(jīng)度高、低(dī)維護量(liang)等，其适(shì)用範圍(wei)廣，一些(xie)高溫高(gāo)壓的場(chang)合也可(kě)适用，尤(yóu)其對于(yú)大口徑(jing)流量的(de)正确測(ce)量有其(qi)不可比(bi)拟的優(yōu)勢，而且(qie)超聲波(bo)流量計(jì)的測量(liàng)原理♈和(hé)優點逐(zhú)漸被最(zui)終用戶(hù)所認可(kě)。除🈲了測(cè)量蒸汽(qì)之外，超(chāo)聲波❓流(liú)量計也(ye)适合應(ying)用于一(yi)些非導(dǎo)電的介(jiè)質的測(ce)量，因此(cǐ)它會成(cheng)我國🌈工(gong)業生産(chan)和計量(liàng)領域的(de)新标準(zhun)✨。

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