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超声波流量计与孔板流量计的比较 |
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作者：田辉伦 张望 熊小龙 |
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在我国长输和集输管道的工程实践中，孔板流量计特别是高级孔板阀长期占据统治地位。而随着我国石油天然气事业的大规模发展，在高压、大流量计量方面，孔板流量计越来越受到自身结构的限制而显示出其局限性。近年来一些新型的流量计在国外取得理论和实践成功的基础上，也积极投身国内市场，取得一系列成功经验。特别是超声波流量计在高压、大流量场合具有明显优势，大有取代高级孔板阀之势。由于认识的误区很多人认为超声波流量计性能好但价格昂贵，事实是不是如此呢？我们通过一系列比较可以得到更正确的结论。
1 孔板流量计的使用要求
孔板流量计（流量与差压的平方成正比）的使用条件、使用范围和对管道的要求：
(1) 流体：应是单相、均质的牛顿流体，在通过节流装置时不发生相变和析出杂质，在节流装置中不得有任何形式的物质黏附或聚集。
(2) 管道：仅适用于圆管，管径大小有一定限制，上下游有很长的直管段，而且节流件上游10D、下游4D直管段的内表面粗糙度、圆度要严格符合具体规定。
(3) 流态：流动应是连续、稳定的，不是脉动流；在受到节流元件影响前已形成典型的、充分发展的流速分布（紊流速度分布），流线与管轴线平行，不得为旋转流。
2 技术性能的比较表1 超声波流量计与孔板流量计技术性能的比较
技术性能 | 孔板流量计 | 超声波流量计 | 量程比 | 1：3-10 | 1:40-200 | 压损 | 很大 | 无 | 精度 | 理论上1%；现场一般2% | 一般0.5% | 测脉动流 | 不合适 | 适合 | 测双向流 | 不可以 | 可以 | 测湿气体 | 不可以 | 可以 | 清洗管路 | 不可以 | 可以 | 涡流影响 | 敏感 | 不敏感 | 流速分布影响 | 敏感 | 不敏感 | 重复性 | 低 | 高 | 工艺管路复杂程度 | 高 | 低 | 维修维护率 | 高 | 低 | 一次性投资 | 高 | 低 | 安全性 | 低 | 高 |
2.1 量程比
由于结构特点，孔板流量计是通过节流元件来完成测量的，所以其量程比通常只有1：3，最高可达1：10，而超声波流量计没有任何阻流件，其量程比可达1 ：200。
这两个数据表明：如果实现一种测量方案，假定其流量范围是从1m3/h ~ 40m3/h, 使用超声波流量计只需要一路工艺计量回路就可以实现，如果采用孔板流量计，需要多路才能实现。
2.2 压损
由于孔板流量计的结构有阻流件，超声波流量计没有阻流件，那么显而易见：孔板流量计的压损很大，超声波流量计压损实际可以忽略不计。节流装置能耗计算如下：
以下以1 个典型用户用气参数进行能耗计算：用气量160× 104m3/d，用气压力0.6MPa。
节流装置压力损失计算式：（最大刻度差压50kPa、β =0.68）
δP=（1-0.24 β -0.52 β2-0.16 β3）Δ P
=0.5486×50
=27.43kPa
节流装置能耗计算式：（压缩机效率η =0 .8 ）
W= δ p ×QV/ η
= 27430×18.5185/0.8
=634953W
2.3 精度
孔板流量计的计量精度理论上可以达到1%，但是通过大量的实践证明，由于孔板流量计抗干扰能力较差，现场精度最高能达到2%，一般情况下在3% 左右。超声波流量计的精度则可以达到0.5% 甚至更高。
2.4 测脉动流
由于孔板流量计是靠孔板前后的差压信号来实现流量测量的，脉动流会使孔板前后的差压不准， 所以孔板流量计不适合测脉动流， 而超声波流量计可以测量脉动流的强度并消除其干扰，所以它适合测脉动流。
2.5 测双向流
孔板流量计依据一个节流元件来实现测量目的， 这个节流元件具有严格的方向性，因此孔板流量计无法测双向流。超声波流量计只与超声信号在流体中的传播时间有关，因此可以测双向流。
2.6 测湿气体
孔板流量计不适合测量湿气体；若被测气体为湿气体，那么在孔板流量计的前端容易积液，使得上下游差压产生变化，而孔板流量计正是根据上下游的压差来测量流量的，如果差压产生变化，则孔板流量计不可能准确测量气体的流量。超声波流量计具有自检测功能，如果所测量气体为湿气体，对超声波流量计产生影响时，仪表本身可以修正，因此超声波流量计适用于湿气体的测量（湿气体体积组分含量低于5%）。
2.7 清洗计量管路
孔板流量计本身有阻流件， 清洗球无法通过，因此孔板流量计安装在管线上时无法在线清洗计量管路，只有拆除孔板流量计才能清洗管路。而对超声波流量计来说，不存在这样的问题。
2.8 涡流影响
孔板流量计采用差压法测量气体的流量，涡流直接影响孔板两端的差压， 因此孔板流量计对涡流很敏感， 要求有很长的直管段才能满足测量精度的要求。 新的国际标准ISO 5167已经对孔板流量计上游直管段的长度作了更高的规定：孔板流量计上游直管段至少要有44D，若孔板流量计上游有汇管存在，则上游直管段的长度至少要有145D。（详见《国际流量计量学术动态及发展趋势》（《中国计量》2002 年）或ISO 5167-2）。英国烃源公司下属的南莫克姆天然气计量站改造时， 请英国国家工程实验室（NEL）做了详细的流体动力学分析， NEL经过大量试验得出结论：原ISO5167规定的上游18D直管段确实无法满足对计量精度的要求，修改后的ISO5167-2对直管段的长度规定是必须的。
而大多多声道的超声波流量计本身具有对涡流强度的分析能力，可以消除涡流对流量测量的影响，对涡流不敏感。
2.9 流速分布的影响
孔板流量计由于结构原理的限制，要求测量时流速分布均匀，但是由于现场计量管路的复杂性，气体在管路的流速分布是不可能均匀对称的，因此孔板流量计对流速分布不对称非常敏感。
超声波流量计可以修正流速分布不对称的现象。
2.10 重复性
对于孔板流量计而言，随着使用过程中孔板边缘的磨损，孔板流量计的精度和重复性都会下降，而超声波流量计无压损、无示值漂移现象，重复性高。
2.11 工艺管路复杂性比较
对于孔板流量计，由于量程比窄，计量管路多，而且上、下游直管段长，现场工艺管路复杂。
超声波流量计量程比宽，上、下游直管段短，工艺管路简单。
2.12 维修维护率比较
孔板流量计有阻流件，上游易积液、对高含硫的天然气，其孔板磨损快，维修维护率高。
超声波流量计无可动部件，特殊材料的超声探头可以抗H2S 的腐蚀，维护简单。
2.13 一次性投资比较
孔板流量计由于量程比窄，对于相同的流量计量要求，其计量管路多，虽然直接的计量仪表投资少，但是相关的阀门、温度变送器、压力变送器、直管段、汇管等一次性投资多。
超声波流量计单表价格高于孔板流量计，但是由于量程比宽，整个计量回路少，实际现场一次性投资少。
3 现场安装使用的比较（见表2）表2 现场安装使用比较
| 孔板流量计 | 超声流量计 | 直管段要求 | 要求直管段长度44D以上 | 前10D，后5D | 安装影响 | 对同心度要求严格，安装复杂 | 要求不高，法兰连接，安装简单 | 使用条件 | 使用条件必须符合设计条件 | 可过载145%，适应性强 |
(1) 直管段的长度
孔板流量计上有直管段至少要有44D，若孔板流量计上游有汇管存在，则上游直管段的长度至少要有145D。（详见《国际流量计量学术动态及发展趋势》（《中国计量》2002 年）或ISO 5167-2）。
超声波流量计上、下游直管段要求为10D、5D（《用气体超声波流量计测量天然气的流量》— 国标GB/T 18604-2001）。
(2) 安装的影响
对于孔板流量计，安装条件直接影响其计量精度，对现场安装的同心度要求很高。
(3) 使用条件
由于孔板流量计的原理决定其现场使用条件必须与设计条件相符，压力、流量的适应性差。
超声波流量计对现场的适应性极强，对压力、流量的波动不敏感，有较强的过载能力。
4 长期使用的比较
(1) 精度变化
孔板流量计由于长期使用，孔板入口边缘磨损，孔板弯曲变形，都会使精度丧失。
超声波流量计由于无磨损、无示值漂移现象，可以长期保持较高的精度。
(2) 脏污的影响
由于孔板流量计由节流件，长期使用时，脏污物将堆积在孔板的上游，造成差压信号不准，直接影响计量精度。脏污和孔板钝化可造成计量偏差2～10% 以上。
超声波流量计为中空管段，探头在仪表上部，脏污不易影响探头工作，不会影响计量精度，而且流量计可以检测脏污情况并修正和报警提示、及时进行清洗。
(3) 故障排除
由于孔板流量计的仪表特性取决于节流件的几何形状和尺寸，需要经常检查节流件，一旦节流件发生变化就必须更换，节流件的寿命取决于气体的组分、流量及压力。
超声波流量计本身具有很强的自诊断功能，一旦不在正常状况就会报警，并自动记录报警期间的数据，超声探头的使用寿命至少为8年，并可在线更换。
(4) 备品备件
孔板流量计由于节流件经常磨损、变形，因此需要备多套节流件；超声波流量计只需要备一套探头，可替换使用。
(5) 日常维护
孔板流量计需要经常维护，并检查节流件的几何尺寸等参数。在线更换孔板后很难保证不泄漏，使压差不准，难以保证计量精度。超声波流量计则可免维护，自检功能强大。
(6) 强检周期
孔板流量计一年一检，一般采用几何检定法。超声波流量计3年一检，可以实现在线标定。
5 经济性的比较
5.1 一次性投资
由于气体超声波流量计有量程比宽的特点，相对于孔板流量计可以简化工艺管路， 相关的调压设备、阀门、变送器等都相应减少，大大节省了投资。
另外，由于超声波流量计要求的前后直管段短，因此大大减少了占地面积。
图1 孔板流量计与超声波流量计占空(占地)及费用比较
如图1 所示，若孔板流量计的直管段按44D 计算，要完成Q=48000m3/h ， T= 40°C，Pmin=30Bar 这样条件的测量任务，孔板流量计需要四路24 英寸的工艺管线，8 个阀门，占地面积为333 平米，而使用超声波流量计只需要2 路30 英寸的工艺管线，4 个阀门，占地面积为94 平米。英国烃源有限公司（HRL ）下属的南莫克姆（S o u t h Morecambe）日输气量高达5000 万N m3/h，该站采用6 路孔板流量计最初1985 年投运，1998改造时用3路超声替代孔板，实践证明无论从计量精度、维护费用还是日常操作上，超声波流量计比孔板流量计都有很大优势。
5.2 长期运行费用
由于流量计长期运行时，有以下几方面的费用：设备维护费，标定费用，更换部件费用以及操作人员人工费用等。
(1) 设备维护费
由于超声波流量计为免维护仪表，而孔板流量计需要经常维护，因此后者的维护费用大大高于前者。
(2) 标定费用
孔板流量计仅为标定差压变送器就花费很大的人力物力，再加上孔板流量计需要配密度计， 每年一次标密度计也要增加标定费用。此外，孔板流量计虽然可以采用几何检定的干标模式进行检定，但是检定完重新安装回去时很难保证同心度。
(3) 孔板流量计需要经常更换节流件，成本因而增加；超声波流量计无需更换部件，探头可以带压更换并清洗，其它部件基本不用更换。
(4) 由于孔板流量计压损很大，增加了压缩机的负荷，经多年实践证明，运行费用随压损的增加而上升。
(5) 操作人员人工费孔板流量计需要维护、切换等操作，人工费用很多，而超声波流量计无人值守，基本不需要维护，因此用于超声波流量计运行维护的费用将远远低于孔板流量计。
6 超声波流量计在石油化工计量中的应用
6.1 时差法超声波流量计测量成品油
超声流量计是一种推导式流量计，它的基本原理如图2所示。高频声脉冲从上游换能器A传送到下游换能器B的时间为
T1=L/(C+Vcosθ)
而从下游换能器B传送到上游接收换能器A的时间为
T2=L/(C-Vcosθ)
式中，L—声道距离；C—液体中的声速；θ—声道和管道轴向的夹角；V—管道中的平均轴向流速。
由上式可以推导出
V=(L/2cosθ)*[(T2-T1)/(T1*T2)]
图2 时差法超声波流量计基本原理图
这种测量方法从理论上讲，只能测得在声道上的流体速度。我们希望得到管道被测截面的平均流速，但在实际管道运行中总会存在有汇管、大小变径管、三通和弯头等，实际运行中不可避免的会产生在被测截面上的不对称流、横向流和旋涡流，这将大大降低平均流速的测量准确度。智能化的超声波流量计采用多声道测量，并通过智能检定软件的诊断和报警功能监测流量计运行状态；调节各声道的自动增益；测量各声道的流速分布及每一个声道的声速计算，以便校正横向流、旋涡流和不对称流；当被测液体密度、粘度变化时，可以通过测量声速反推出不同油品的密度、粘度，这样就可以用超声波流量计代替密度计，解决处理混油段技术。
6.2 标准体积管实流标定超声波流量技术
双向标准体积管是一种标准容积式机械设备，在U型标准管段进出口上装有两个(或四个)检测开关，一个排液球或者活塞。当触动第一个检测开关时，排液球进入标准段，当这个球触动U型管另一端第二个检测开关时，排液球离开标准段。
超声波流量计的测量原理决定了脉冲和真实流速(流量)有一个固定延时。而管道中的流体扰动是很复杂的，它包括多次扰动涡流和非轴向速度成分，超声波流量计沿着一个或多个采样声道，通过超声波发射器和接收器上的正反向时差，检测并推导计算出流体流速。上述原因，检定一台超声波流量计性能是否稳定，应该有如下特点需要设计工程师注意：
(1)为了使被检测超声波流量计仪表系数的不准确度控制在±0.027%，建议设计工程师在计量系统设计中应该考虑超声波流量计的公称通径和标定运行次数来选择双向标准体积管的标准容积其关系如表3所示：
双向体积管标准容积和流量计公称通径 | 超声波流量计的公称通径(mm) | 双向体积管标准容积(L) | 当标定5次重复性为0.05%时 | 当标定8次重复性为0.09%时 | 当标定10次重复性为0.12%时 | DN400(16``) | 82832.227 | 38315.867 | 25119.946 | DN350(14``) | 63435.813 | 29253.608 | 19237.427 | DN300(12``) | 46583.161 | 21463.245 | 14149.843 | DN250(10``) | 32274.361 | 14944.778 | 9857.194 | DN200(8``) | 20668.310 | 9539.220 | 6359.480 | DN150(6``) | 11606.051 | 5405.558 | 3497.714 | DN100(4``) | 5246.571 | 2384.805 | 1589.870 |
(2) 在每次的标定过程中，排液球在触发第一个检测开关之前，开始记录被检超声波流量计发出的脉冲信号，应该保持介质流速稳定在被检超声波流量计的这个流量点上，否则有可能造成超声波流量计较差的重复性或者流量计增益的系统误差。
(3) 换向四通阀在换向介质进入U型管段时应该处于流量和压力稳定状态下。如果驱动排液球进入标准体积管检测开关时，排液球触发检测开关之前直接产生扰动流。这将大大降低超声波流量计的仪表系数和重复性。
7 结论
综上所述，使用气体超声波流量计比使用孔板流量计无论从安全性能、技术性能还是从一次性投资以及长期运行费用上都有很大的优势。由于说明问题的需要，本文中计算和实例均选用较大用气量进行比较，实际通过比较计算一般DN200口径以上流量计选用气体超声波流量计具有较大优势，DN150特别是以下流量计的选取由于气体超声波流量计本身价格因素使用孔板流量计更为经济，但从保证计量精度出发也推荐选用更精确的计量仪表。(end)
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(12/2/2010) |
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