多声道超声流量计在大口径循环水管道中的应用
针对大口径循环水管道的计量仪表设计、选型具有一定的局限性。日常工作中存在测量难度大、准确度难以保证、直管段不满足要求、现场校验手段不多等问题。本文从超声流量计的原理及性能入手详细阐述多声道超声流量计测量原理、流量计算数学模型及应用探讨。
0.引言
循环水作为冷却器的冷却介质在石油化工企业应用广泛，其输送管道一般管径较大，通常为 600 ～ 1 000 mm，甚至 1 000 mm 以上。过去曾采用过多种流量计进行测量，如电磁流量计、涡轮流量计、涡街流量计等，但由于循环水杂质多，在实际应用中常出现传感器被杂物覆盖或缠绕而影响正常使用，从而无法提供准确的流量数据。
随着大多数企业对能源计量更新的认识以及需求的提高，在一些大口径或是直管段不足的循环水流量的稳定计量，成为亟需解决的问题。近几年，随着多声道超声流量计技术的不断发展和成熟，超声流量计以其安装方便、维护量小、测量范围宽，适应较为复杂的管道结构和流态分布等优点，较好地解决了大口径循环水流量测量的技术难题 。
1.大口径循环水管道计量的特点
由于循环水管道口径较大，流量也很大，仪表运行中稍有偏差，就会带来很大测量误差。为使其得到准确的流量数据，需要在测量过程中达到如下要求: ①压力损失小。由于能量损失与压损和流量的乘积成正比，如果压力损失过大，在流量计长期运行中会使流体动能损失巨大，造成能源浪费。为使大口径管道计量，需在测量过程中压力损失足够小。②能实现在线维修。因大口径管道安装处较潮湿且又不易断流维护，一般很难为装设流量计而安排旁通，即使装有旁通及阀门，启闭困难，且难以保证阀门的严密，因此选用的测量仪表应维护量小且便于维修。③受介质内杂物影响小。因循环水管道内介质含有的杂质较多，管道内经常会含有泥土、油污、杂物等，应注意机械强度和水内杂质对测量元件的污染、缠绕、覆盖等问题。因此应选用无可动机械部件或传感器不易受影响的测量仪表。④能够实现在线标定。管道口径大，流量也大，标定时会有许多麻烦与困难，因此只能在运行中在线标定。
2.其他类型流量计应用中存在的问题
大口径循环水计量仪表大致有以下几种: 超声波流量计，电磁流量计，涡街流量计，差压式流量计等 各种流量计主要存在问题如下.
2． 1 电磁流量计
电磁流量计是利用电磁感应原理测出导管中导电液体的平均流速，进一步求得液体的体积流量。它具有压力损失小，不受被测液体的温度、压力、黏度等影响，可测量含杂质液体，量程宽、口径大、反应灵敏、前后直管段要求不高、耐腐蚀、寿命长等显著优点，因此在循环水计量中广泛采用。但实际工作中仍存在一定问题: ①测量误差受外界电磁场影响。因此安装时应特别注意避免剧烈震动和交直流强磁场。②受流速分布影响，在流速轴对称分布的情况下，流量信号与平均流速成正比，由于流速分布和涡流的影响，流量计上游直管段应有一定的长度，一般可取5 D 。③电极表面易污染。在测量有附着沉淀物的流体时，电极表面将受到污染，常常引起零点漂移，因此在使用中，需注意电极的定期清洗。
2． 2 涡街流量计
涡街流量计是利用“卡门涡街”原理进行流量测量。由涡街流量传感器和流量显示仪表两部分构成。表内部无可动部件，构造简单，使用寿命长。线性测量范围宽达 30 ∶ 1。在一定的雷诺数范围内漩涡产生的频率只与液体流速有关，几乎不受被测液体参数( 如温度、压力、密度、成分及黏度等) 变化的影响。仪表输出频率信号，易于实现数字化测量及与计算机联用等优势，在小管径循环水中应用较多，大管径上应用较少，原因如下: ①漩涡发生体易受污染。涡街流量计比较适用于测量净水、凝结水等杂质较少的液体，在介质较脏污的情况下，漩涡发生体容易结垢甚至被水中含有的其他杂质缠绕，产生假信号，影响正常测量。②受管道震动影响较大。管线震动较大则容易引起测量误差，使得测量结果与实际发生严重偏离。在安装时需在管线上加装支架，防止震动干扰。③直管段要求较高。直管段要求为前 20D、后 5D。在流速较低情况下，测量偏差较大。一般在 0． 4 m / s 以下，不能准确测量。④存在整体拆卸标定麻烦、维修困难等问题，无法保证数据的真实性。
2． 3 孔板流量计
孔板流量计根据流体流经节流件所产生的压力差与流量间关系来测量流体的流量。具有结构简单、无可动部件，可靠性较高，复现性能好，适应性广，可适用于大管径流量测量等优点。在多年实际应用过程中，常出现变送器零点漂移和引压管被脏污介质堵塞等现象，具体分析如下: ①安装精度要求严格。尽管安装规范一般都能够掌握，但有些细节往往没有引起重视，导致较大的计量误差。如密封垫片内孔未按环室尺寸加工，垫片伸出环室，干扰流体稳定流动; 导压管走向不合理，差压无法顺利传导; 平衡器不水平，直接产生计量误差等。②受介质影响较大。循环水管道中的介质易聚集在孔板截面收缩、流速突变的孔口锐边上，甚至对孔板产生冲刷和腐蚀，特别是对孔板直角入口边缘和测量管内壁的冲刷腐蚀特别严重，这将影响到孔板直角入口边缘圆弧半径和测量管内壁相对粗糙的规定标准，使测量准确度达不到要求。③测量范围小，仅为 3 ∶ 1。测量范围一般在设计流量的 30% ～ 90% 为正常测量。如果低于 30% ，则测量结果更低于实际量;而大于 90% 以上，则测量结果更高于实际量。另
外，孔板测量的一个主要欠缺在于存在较大的压力损失，系统准确度不高。
3.超声流量计的工作原理
目前常见的超声技术分为两种，时间差法和多普勒法。时间差法虽然出现稍晚，但其应用广泛，并且可以实现较高的准确度和较好的稳定性，也是今后超声产品发展的主推动力 。
3． 1 工作原理
时间差法超声流量计是指通过测量超声脉冲顺流和逆流时往返于两个换能器之间的时间，来确定管道内流体流速的技术。每个换能器先后作为发射器和接收器，在流体充满管道并且静止的条件下，理论上超声脉冲往返于换能器的时间是一致的。因为在静止的流体中，向不同方向传播的超声声速是不变的。如果流体流经管道，超声波脉冲顺流传播的速度比逆流传播的速度要快，这两者的时间差与管道内流体的流速成比例。其中，超声波在静止流体中的传播速度为 C，管道直径为 D，流体在管道横截面上流速为 V，夹角为 θ。
计算公式如下:
超声在液体中顺流向与逆流向传播的时间 t1与 t2 分别为
3． 2 流量计算数学模型
通过以上数据可以清楚的得知单声道流量计截面平均流速与该声道速度( 如图 1 管道内水流态分布) 存在特定关系，容易受到流速分布廓形的影响，因此为了提高测量的准确性和稳定性，只有在测量截面上平行地布置多条声道并获得各相应平行条带内的平均速度，再依据各条带所占的权重系数，用加权积分的方法计算流量，公式如下:
式中，A 为管道横截面面积; Ki 为声道加权积分系数; n 为声路数; vi 为沿声道的平均轴向流速。
3． 3 多声道超声流量计的加权积分系数
对于多声道超声流量计，其每个声道的积分加权系数是一个固定值，并且在国际电工委员会的IEC6041 规程和美国规程 ASME PTC18 中作了明确的规定。为了满足各种不同流态分布测量的需要，多声道流量计具有多种声道布置，对应每种声道布置，积分加权系数都有确定的值。表 1 是国际电工委员会 IEC6041 规程关于 4 /8 声道超声流量计的声道位置和加权积分系数的规定值。
随着科学技术的不断发展，多声道超声测流技术亦在快速发展，近来市场上已出现了二重积分数学模型，该技术彻底摆脱了修正系数。
采用对流速分布函数和面积分布函数的插值并积分的数学模型，流量计算不受雷诺数和摩擦系数的影响，彻底摆脱了修正系数( 加权指数) ，消除了换能器安装时因声道高度偏差所引起的误差，使得安装工作简单化。
4.多声道超声流量计的构成
多声道超声流量计是由 3 对、4 对、5 对 /6 对、8对、10 对 /16 对、18 对超声换能器、电子线路及流量显示和累积系统三部分构成。超声流量计的电子线路包括发射、接受、信号处理、显示电路。测得的瞬时流量和累积流量值用数字量或模拟量显示。超声发射换能器将电能转换为声能量，并将其发射到被测液体中，接收器接收到超声信号，经电子线路放大并转换为代表流量的电信号供给显示器。
5.多声超声流量计的特点
工业流量测量普遍存在着大管径、大流量测量的问题，并且随着政策对能源网改造的提出，企业对各个二级单位考核的更细节化，要求能够在降低生产成本的前提下采购性能更好、操作更方便的产品显得更为迫切。这是因为传统形式流量计随着测量管径的增大会带来制造、运输、安装上的种种困难。多声超声流量计可以避免以上问题。它具有不停水在线安装、维护，并且无流阻、无压力损失、量程宽、测量结果不受流体成分、压力、温度变化的影响，测量稳定、准确度高，可在线校验等优点，更重要的是它的性能价格比要比传统大口径流量计高很多。正是由于多声道超声流量计具有其它传统流量计产品无可比拟的优越性、适应性，才使得它越来越向产品的系统化、通用化发展，越来越多的使用在工业企业的各个场合。
6.影响流量计测量准确度的因素
根据前文介绍，比起常规仪表，超声流量计的智能化程度更高，应用的技术更先进，也带给用户更大方便。但在实际使用过程中，还需要做好以下问题，才能得到较高的测量准确度，更好地为客户服务。
6． 1 介质要求
时间差法超声流量计主要用于密度均匀液体，如果液体中含有悬浮颗粒和气泡，超过某一范围时，液体的密度不均匀将使超声信号传播不稳定，从而导致流量计不能准确测量。
6． 2 选型问题
选型问题是超声流量计能够正常工作的基础。如果选型不当，会造成流量无法测量或用户使用不便等后果。
6． 2． 1 安装方式的选择
超声波流量计分为插入式、管段式和外夹式三种。其中外夹式由于容易受到环境及管道内壁附着物的影响和耦合剂问题使其难以长年稳定运行，因此常用于便携式流量测量，即装即用; 管段式的准确
度***高( 可达 ± 0． 5% ) ，适用于流量准确度要求较高的现场; 插入式界于二者中间，可以不断流安装，其测量不受材质和管衬材料限制，测量准确度也较高( ± 0． 5% ～ ± 1． 0% ) ，是一种较理想的超声流量计类型。
6． 2． 2 声道数的选择
采用多少声道的主要依据是测量准确度要求和安装仪表管道迎流状况( 取决于上游阻流件组成和直管段条件) 以及管径大小。常用的有单声道、双声道、四声道和八声道 4 种，近年又出现三声道、五声道和六声道。一般而言，管径越大的管道其横截面的流速分布越复杂，采用四声道及以上的多声道配置对提高测量精度起很大作用。但不可忽视的一点是随着声道的增加，费用也将大幅提升，应根据实际情况进行选择。
6． 3 安装问题
在管道和流体介质已经确定的情况下，流量计的测量准确度主要取决于换能器的安装位置和方式，因此正确选择安装场所及换能器安装方式对于超声流量计的稳定运行非常关键。
6． 3． 1 安装位置
为保证换能器前流体沿管轴平行流动，必须在换能器前设置一定的直管段。一般而言，应保证上游直管段长度大于 10D( D 为被测管道的通径) ，下游大于 5D。即在换能器安装点的上下游 15D 管线上无弯头、阀门等引起介质扰动的位置; 管道应充满流体，即满管流。超声换能器尽量避免垂直安装，因为管道的顶部易聚集气体，影响测量的准确性; 换能器安装处和管壁反射处必须避开接口和焊缝。
6． 3． 2 换能器的安装方式
声道布置的发送和接收方式采用直射的 Z 法还是反射的 V 法或 W 法，选择的原则是要有足够的声道和介质吸收声波的程度，还要考虑管道内壁的粗糙度。一般小管径( 25 ～ 75 mm) 采用 W 型，中管径( 75 ～ 250 mm) 采用 V 型，大管径( ＞ 250 mm) 采用 Z 型。
7.结束语
综上所述，在我厂大口径循环水计量中所采用的测量仪表的主要特点，汇总如表 2 所显示，由此可见超声流量计在测量大口径流量方面具有十分突出的优势。
