摘要：系統闡述(shù)了多種傳統流(liú)量計的測量原(yuán)理，對比😄各個測(ce)量裝置的優缺(que)點，提出的超聲(shēng)波流量計 在高(gao)溫高壓大口徑(jìng)管道中精确計(ji)量。從經濟效益(yi)、精度偏差、安😄裝(zhuang)使用、節能減排(pai)、後期維護等多(duo)個方🐕面诠釋超(chāo)聲波🆚流量計相(xiàng)比傳統的機械(xie)式流量計的獨(du)特特點，以📱及在(zai)我國工業生産(chǎn)和計量領域中(zhōng)❌的重要應用。
1原(yuan)理概述
　　蒸汽作(zuo)爲廣泛的載熱(re)介質，在各行各(ge)業中有着非常(chang)重要的作用。在(zài)電廠中使用蒸(zheng)汽推動汽輪機(ji)進行發電。在🏃🏻食(shi)品📞行業🌈中，可以(yi)使用蒸汽對管(guǎn)路進行消毒，确(què)保食品安全衛(wei)生無菌。在煉油(yóu)行業，使用高💯壓(yā)蒸汽對🌈油井或(huò)者📧氣田進行壓(ya)裂開采♊。在石化(hua)化🐪工行業的生(sheng)産過程中，很多(duo)環節需要📞使用(yong)到蒸汽，比如汽(qi)提塔中，蒸汽的(de)溫度和壓力的(de)穩定對塔器中(zhong)的生産😄有着至(zhi)關重要🌐的作用(yòng)。在化工行業，某(mou)些易結晶的介(jie)質在生⭐産和運(yun)輸過程中🏒需要(yào)保持溫度，而蒸(zheng)汽往往就是給(gěi)管道進🔞行伴熱(rè)和保溫⛹🏻‍♀️的介質(zhi)。在管道的吹掃(sǎo)中，有時🈲可以使(shi)用空氣，而有些(xiē)場合就需要使(shi)用蒸汽吹掃😍。當(dang)然更顯而易見(jiàn)的是，蒸🏒汽可以(yi)作爲建築或者(zhe)場所的取暖用(yong)介質。
　　蒸汽負載(zǎi)着能量，所以準(zhun)确的計量蒸汽(qi)意義重大。對于(yu)生産廠區的内(nei)部計量，計量的(de)精度可以起到(dào)節能🔞減排的作(zuò)用。對于貿易交(jiāo)接的場合，無論(lùn)是蒸汽的生産(chǎn)方還是使用🔆方(fāng)，計量的精度直(zhi)接關系到雙方(fāng)的費用結算，一(yī)定需要一個可(kě)靠的計量方式(shì)，才能避免費用(yong)上的糾紛🚩。傳統(tǒng)的蒸汽計量方(fang)式多采用差壓(ya)式流量計， 差壓(yā)式流量計 需要(yào)一個節流原件(jian)來實現壓力差(chà)，包括 孔闆流量(liang)計 、文丘裏、噴嘴(zui)等方式。随着技(ji)術的發展，渦街(jiē)流量計😍漸漸用(yong)于蒸汽測量。近(jìn)幾年，采用時差(cha)法原理并且🏃‍♀️适(shi)用溫度㊙️較高的(de)超聲波流量計(jì)也開始進入蒸(zhēng)汽🌈測量的領域(yu)。下面簡單介紹(shao)一⛹🏻‍♀️下這幾種測(cè)量方式的原理(lǐ)。
1.1差壓式儀表
　　流(liú)體在有節流裝(zhuāng)置的管道中流(liú)動時，在節流裝(zhuāng)置前後的管壁(bi)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼處，流體的靜壓(yā)力産生差異的(de)現象稱爲節流(liu)現象。節流裝🌈置(zhi)包括節流元件(jiàn)和取壓裝置。節(jiē)流元件是使管(guan)道中的流體産(chǎn)生局部收縮的(de)元件，多達30多種(zhong)，常用的節流元(yuan)件有孔闆、噴嘴(zui)和文丘利管等(deng)。流體流過節流(liu)元件時，會被加(jia)速，流體的加㊙️速(sù)時期動能增加(jia)，按照能量守恒(heng)定律，在流體被(bei)加速處它的靜(jìng)壓力會降低📱一(yi)個相應的值，因(yīn)此在節🔞流💃原件(jiàn)兩側産生一👅個(gè)差壓，而這一差(chà)壓🤩與流速的🌈平(ping)方根成⭐正比。其(qi)原理的計算公(gōng)式如下：
Qv=CεΑ/sqr(2ΔP/(1-β＾4)/ρ1)(1)
其中：
C爲(wei)流出系數；
ε爲可(kě)膨脹系數
Α爲節(jiē)流件開孔截面(miàn)積，m2
ΔP爲節流裝置(zhi)輸出的差壓，Pa;
β爲(wèi)直徑比

ρ1爲被測(cè)流體在I-I處的密(mi)度，kg/m3;
Qv爲體積流量(liang)，m3/h
下圖爲一些常(chang)見節流原件的(de)示意圖

1.2渦街流(liú)量計
　　自然界的(de)很多現象都源(yuan)于渦街原理，比(bǐ)如迎風飄揚的(de)旗幟，旗杆作爲(wei)漩渦發生體,當(dang)風從旗杆一側(ce)吹來時，旗杆阻(zu)擋了風，分别從(cóng)旗杆兩側吹過(guo)的氣流在其📐後(hòu)形成了漩渦，因(yīn)此，旗📱幟能夠随(suí)風飄揚。在 渦街(jiē)流量計 中，正是(shì)采用了“卡門渦(wō)街原理”，測量管(guǎn)中有一個漩渦(wo)發🐆生體，漩渦的(de)脫落頻率正比(bi)于流量，漩渦脫(tuo)落🌂頻率通過傳(chuan)感🚶‍♀️器中的壓電(dian)晶體來測量，公(gong)式如下🏒：
f=StV/d(2)
式中：
f－發(fā)生體一側産生(sheng)的卡門旋渦頻(pin)率
St－斯特羅哈爾(ěr)數（無量綱數）
V－流(liú)體的平均流速(su)
d－旋渦發生體的(de)寬度
通過壓電(dian)晶體測得頻率(lü)之後，就可以算(suan)得流速值，再乘(cheng)以流💃🏻量計的截(jie)面積就可以知(zhi)道流速。

1.3超聲波(bo)流量計
　　相比前(qian)兩種測量原理(li)，超聲波時差法(fa)的原理則更加(jia)簡單易懂一些(xie)。與人們劃船或(huo)者遊泳類似，超(chāo)聲波在流動♈的(de)流體中的傳播(bo)速度與流體的(de)流速有關。順流(liú)而下的超聲波(bō)的傳播速度大(da)于逆流而上👨‍❤️‍👨的(de)傳播速度。隻要(yào)分别測量出超(chao)聲波順流和逆(ni)流的傳播時間(jian)，就可以依據下(xià)面的公式得到(dào)該路徑🥰上瞬時(shí)流速。這樣，介質(zhì)流量則可以通(tong)過流速、管道截(jie)面積等求得。
Vm＝L(TB?A-TA?B)/(2*COS?*TB?A*TA?B)(3)

Vm:瞬時流速 L:兩個(gè)超聲波換能器(qì)之間的距離 TB?A:超(chāo)聲波逆流而上(shang)的傳輸時間 TA?B:超(chāo)聲波順流而下(xià)的傳輸時間 α:介(jie)質流向與超聲(sheng)波傳輸方向之(zhī)間的夾角

　　超聲(sheng)波流量計用于(yú)液體測量已經(jīng)有幾十年的曆(li)史了，随着技術(shù)的發展，超聲波(bō)流量計也逐漸(jian)開始應用在氣(qì)體的領域，尤其(qí)高溫換能器的(de)開發，使其可以(yi)用于蒸汽的領(ling)域✔️。以高溫㊙️氣體(ti)超聲波流量計(jì)爲例，選用高溫(wen)SS347材質的換能器(qi)，溫度可以達到(dào)540度，耐🙇‍♀️壓可達10Mpa。Inconel合(he)金材質的換能(néng)器更可達到20Mpa的(de)壓力等級🍉，可選(xuan)610度的高溫。可适(shi)用于各種低壓(yā)/中壓/高壓蒸汽(qi)。
　　了解了各種原(yuán)理之後，再來對(dui)比一下各個測(ce)量原🈲理的優❄️缺(que)點，此處對比參(cān)考超聲波流量(liang)計産品樣本（液(yè)體OPTISONIC3400,蒸汽OPTISONIC8300）。

	差壓式(shì)流量計	渦街流(liú)量計	超聲波流(liu)量計
口徑範圍(wéi)	孔闆：DN25~500 文丘裏：DN50~1200	DN15~300 更(gèng)大口徑基本不(bú)可能生産	液體(tǐ)DN25~3000 氣體DN50~1000 更大的口(kou)徑也可能生産(chan)
溫度範圍	根據(jù)材質和壓力等(děng) 決定可用溫度(dù)範圍	最高450度	最(zui)高610度
測量精度(du)(不确定度)	孔闆(pan)：1% 文丘裏：1%，實流後(hòu)可達0.5%	1%～2%	液體：0.3% 氣體(ti)：1%
是否有阻流件(jiàn)	是	是	是
壓損情(qíng)況	較大，孔闆的(de)壓損達到差壓(ya)值的60%，文丘裏是(shì)差壓值的15%	較小(xiao)	無壓損
前後直(zhí)管段	孔闆：前20DN，後(hòu)10DN 文丘裏：前10DN，後5DN	前(qián)20DN後5DN	液體：前5DN後3DN氣(qì)體：前20DN後3DN
量程比(bǐ)	孔闆：1：3 文丘裏：1：3	1：10	1：10
維(wei)護量	節流元件(jian)高溫下容易 腐(fǔ)蝕，經常需要維(wéi)護、 标定、更換	維(wéi)護量小于差壓(yā)式儀表	無需維(wéi)護，沒有磨損與(yǔ)腐蝕

從上表的(de)對比可以明顯(xiǎn)看出，超聲波流(liú)量計有幾個很(hen)重要的優點：
　　量(liang)程比寬：孔闆的(de)量程比隻有1：3，在(zài)實際應用過程(cheng)中，如果最大和(hé)最小流量的範(fàn)圍較寬，一台孔(kong)闆就無🏃🏻‍♂️法适用(yong)，往往需🤟要2～3台孔(kǒng)闆用于不同的(de)量程範圍，而2～3台(tai)表又㊙️會引入系(xì)統誤差，造成測(ce)量可靠性進一(yi)步㊙️下降。超聲波(bo)流量計超寬的(de)量程比，從0.3～30m/s都可(ke)以保證精度，有(yǒu)時可☂️測比30m/s更高(gāo)。
　　長期穩定性好(hao)：使用過差壓式(shì)的儀表的操作(zuò)工可🈚能都🛀🏻有感(gǎn)觸，節流元件是(shì)非常容易磨損(sǔn)的部件，在高溫(wen)或者高磨🌂損性(xing)的條件下，節流(liu)元件的開口尺(chǐ)寸會越來越大(da)♊，從而造成計量(liang)值偏小。如果實(shi)在貿❄️易交接的(de)場合，對于賣方(fāng)來說，就會造成(cheng)💚損失。而超👌聲波(bo)流量計因爲沒(mei)有阻流部件，所(suo)以壓損幾乎爲(wei)☎️零，也不會磨損(sǔn)，所以長期穩定(dìng)性非常好。
　　口徑(jìng)範圍大，最高溫(wēn)度高：渦街流量(liang)計因爲口徑限(xian)🈲制，隻📱能♍适用⛷️于(yú)小口徑、中低溫(wēn)蒸汽，如果有大(da)于DN300的管徑🈲或者(zhě)高于450度的應用(yòng)，渦街就無能爲(wei)力了，這時✍️候選(xuan)用超聲波流量(liàng)計更加合适
2. 節(jiē)能減排經濟效(xiao)益對比
　　以上從(cong)理論角度闡述(shù)了超聲波的優(you)點，下面通過一(yi)㊙️個實💚例的計算(suàn)，來對比一下使(shi)用傳統差壓式(shi)流量計和新型(xing)超聲波流量計(ji)在經濟效益上(shàng)的差異。
主要可(kě)以從三方面來(lái)對比：
1.因磨損和(hé)腐蝕造成差壓(ya)式流量計的精(jīng)度偏差，從而影(yǐng)♉響計費🔞的準确(que)性；
2.因差壓式流(liu)量計較大的壓(ya)損而造成的無(wu)形中的電力的(de)浪費；
3.因差壓式(shi)流量計需要維(wéi)護和更換的後(hou)續維護成本✂️。
2.1首(shǒu)先，先看一下因(yīn)磨損和腐蝕造(zào)成差壓式流量(liàng)計的精度偏差(cha)，從而影響計費(fèi)的準确
　　以最常(chang)見的孔闆流量(liàng)計爲例，因爲孔(kǒng)闆的節流元件(jian)㊙️在高溫下🌈很容(rong)易被腐蝕，造成(cheng)流通面積變大(dà)，差壓變小，最😍終(zhōng)導💁緻測㊙️量值偏(pian)小。那麽在蒸汽(qì)的貿易交接中(zhong)，測量值偏小，就(jiù)意味着蒸汽生(sheng)🥵産方的收入變(bian)少，嚴重💋的可能(néng)導緻虧本經營(ying)。那麽下⛱️面來計(ji)算一下，因爲孔(kong)闆的計量偏差(chà)可以導緻多少(shao)收入上的損失(shī)。
　　假設某電廠給(gei)一個用戶供應(yīng)過熱蒸汽，口徑(jìng)DN500，壓力💁2.0Mpa，溫度:310℃，流量(liàng)範圍：0-200t/h。按一個月(yuè)工作28天計算，那(na)麽一個月👈需要(yào)🌐供應的蒸汽總(zǒng)量在200*24*28=134400t/月，按蒸汽(qì)價格160元/t計算，每(mei)月的收入爲2150.4萬(wan)元。
爲了簡化計(jì)算，假設每個月(yuè)孔闆流量計因(yin)爲磨損而産生(sheng)的精度變化是(shi)線性的，每月精(jīng)度下降0.01%，那麽通(tōng)過下表可以看(kan)出，第一年内損(sun)失的收益：

第二(èr)年的收入損失(shi)可能高達45萬多(duō)。
　　采用超聲波流(liu)量計的話，也許(xu)最初的購置付(fu)費會☔高于💔孔闆(pan)流量計，但是因(yin)爲不存在孔闆(pǎn)的磨損造成的(de)計量偏差，因爲(wei)🌂增加的購置成(cheng)本基本上在1～2年(nian)就可以收回。
　　以(yi)上隻是簡單的(de)計算了孔闆流(liu)量計因爲磨損(sun)造成的收益損(sun)失。其實，因爲孔(kǒng)闆的量程比很(hen)小，隻有1：3，所以在(zai)管線剛剛啓🥰動(dong)的時候，因爲流(liú)量太小，往往無(wú)法精🐕确計量。而(ér)當用戶蒸汽用(yòng)量大的時候，又(yòu)會🛀造成大流量(liàng)無法計量，由此(cǐ)帶來巨大的損(sun)失。
2.2因差壓式流(liu)量計較大的壓(ya)損而造成的無(wu)形中的電力的(de)❌浪費
　　衆所周知(zhi)，差壓式流量計(ji)必定會造成永(yǒng)恒的壓力損失(shi)。還是以上面的(de)孔闆流量計爲(wèi)例，口徑DN500，壓力2.0Mpa，溫(wen)度:310℃，流量範圍：0-200t/h。此(ci)時蒸汽密度約(yuē)爲8.28kg/m3，所以體積流(liu)量約爲0-24000m3/h。若使用(yòng)差壓式流量計(ji)，可以讓廠家計(ji)算永久壓🛀🏻力損(sǔn)失，按照流速和(hé)節流元件的不(bu)同，壓力損失可(kě)以在5～40Kpa不等。如按(àn)較小的10Kpa壓損來(lái)計算，按最大流(liu)量的一半流量(liang)時，能量損失在(zài)27.78kW。還是按每月28天(tian)計算，一年能耗(hao)的損失是22.4萬👨‍❤️‍👨KWh。如(rú)果一度電按0.5元(yuan)⚽計算，那麽電費(fèi)📧約🔞需11萬元。也就(jiu)是說㊙️，如果更換(huan)成沒有壓🔞損的(de)超聲波流量計(jì)，可以減少泵送(song)的能⁉️量，節省電(dian)費11萬元。
2.3因差壓(yā)式流量計需要(yao)維護和更換的(de)後續維護成本(ben)
　　從前面第一點(diǎn)可以看出，使用(yòng)2年後，孔闆的磨(mo)損會非常厲害(hai)，所以這就是爲(wèi)何差壓式流量(liàng)計都建議2～3年更(geng)換一次。這⭐就意(yi)味着☀️用戶需要(yao)重新購買新的(de)🌍節流元🍉件，重新(xin)标定，重新安裝(zhuang)。這裏面所涉及(ji)的采購成本，人(ren)員安裝成本，停(tíng)産的成本都是(shi)相當可觀的。
3安(ān)裝維護
　　在蒸汽(qi)管道的安裝上(shàng)，因爲蒸汽管道(dao)都需要包裹♋保(bao)溫層👌，所以一般(ban)法蘭連接或者(zhě)外夾式超聲波(bo)的形式📱不都🙇🏻不(bú)是太适合。法蘭(lan)連接的部分會(hui)造成保溫層的(de)突起，施工不方(fang)便。而外夾式超(chao)聲波流量計❤️安(an)裝的管🔴道不能(neng)做保溫，會造成(cheng)巨大的能量浪(lang)費🐕。蒸汽流量計(ji)👅可以提供焊接(jie)式安裝，管材和(he)焊接内🔞徑也可(kě)以根據現場的(de)管道定制，保證(zheng)匹配性，如下圖(tú)所示。安裝完成(cheng)後基本與管道(dào)一體化，方便了(le)保溫層的鋪設(she)。而且儀💜表本身(shen)是免維護的🔱，焊(hàn)接在管道上也(ye)無☀️需後期維護(hù)。

4結論
　　綜上所述(shù)，超聲波流量計(ji)相比傳統的機(ji)械式流量計具(jù)有很🈲多獨特的(de)優點，無壓損、精(jīng)度高、低維護量(liàng)等，其适用範圍(wei)廣，一些高溫高(gāo)壓的場合也可(ke)适用✂️，尤其對于(yu)大口徑流量的(de)正确測量有其(qí)不可比拟📱的優(you)勢，而且超聲波(bo)流量計的測量(liang)原理和優點逐(zhu)漸被最終用♻️戶(hu)所認可。除了測(ce)量蒸汽之外，超(chao)聲波🈚流量計也(ye)适合應用于一(yi)些非導電的介(jiè)質的🐅測量，因此(cǐ)它會成我國工(gōng)業生産和計量(liang)領域的新标準(zhǔn)。

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