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超聲波流量計和孔板流量計的區別及其各自優勢

2011-07-08

超聲波流量計和孔板流量計的區別及其各自優勢
編輯：123儀器商城

      在我國長輸和集輸管道的工程實踐中，孔板流量計特別是高級孔板閥長期占據統治地位。而隨著我國石油天然氣事業的大規模發展，在高壓、大流量計量方面，孔板流量計越來越受到自身結構的限制而顯示出其局限性。近年來一些新型的流量計在國外取得理論和實踐成功的基礎上，也積極投身國內市場，取得一系列成功經驗。特別是超聲波流量計在高壓、大流量場合具有明顯優勢，大有取代高級孔板閥之勢。由于認識的誤區很多人認為超聲波流量計性能好但價格昂貴，事實是不是如此呢？我們通過一系列比較可以得到更正確的結論。
      1、孔板流量計的使用要求
      孔板流量計（流量與差壓的平方成正比）的使用條件、使用范圍和對管道的要求：
      (1)　流體：應是單相、均質的牛頓流體，在通過節流裝置時不發生相變和析出雜質，在節流裝置中不得有任何形式的物質黏附或聚集。
      (2)　管道：僅適用于圓管，管徑大小有一定限制，上下游有很長的直管段，而且節流件上游 10D、下游 4D直管段的內表面粗糙度、圓度要嚴格符合具體規定。
      (3)　流態：流動應是連續、穩定的，不是脈動流；在受到節流件影響前已形成典型的、充分發展的流速分布（紊流速度分布），流線與管軸線平行，不得為旋轉流。
      2、技術性能的比較
      2.1量程比低
      由于結構特點，孔板流量計是通過節流件來完成測量的，所以其量程比通常只有1：3，更高可達1：10，而超聲波流量計沒有任何阻流件，其量程比可達 1：200。這兩個數據表明：如果實現一種測量方案，假定其流量范圍是從1m3/h~40m3/h,使用超聲波流量計只需要一路工藝計量回路就可以實現，如果采用孔板流量計，需要多路才能實現。
      2.2壓損
      由于孔板流量計的結構有阻流件，超聲波流量計沒有阻流件，那么顯而易見：孔板流量計的壓損很大，超聲波流量計壓損實際可以忽略不計。節流裝置能耗計算如下：
      以下以 1 個典型用戶用氣參數進行能耗計算：用氣量160× 104m3/d，用氣壓力 0.6MPa。
      節流裝置壓力損失計算式：（大刻度差壓50kPa、β=0.68）
      δ P=（1-0.24 β -0.52 β2-0.16 β3）Δ P
           =0.5486×50
           =27.43kPa
      節流裝置能耗計算式：（壓縮機效率η =0.8）
      W= δp ×QV/η
         = 27430×18.5185/0.8
         =634953W
      計算耗能費：能源價 0.4 元 /kWh
      耗能費(年)=(W/1000)×(運行時數/年)×(元/ kWh)
                    =(634953/1000) ×365×24×0.4
                    =2224876(元/年)
      該計算僅只是能耗損失，不包括壓縮機運行等費用。
      2.3精度
      孔板流量計的計量精度理論上可以達到1%，但是通過大量的實踐證明，由于孔板流量計抗干擾能力較差，現場精度更高能達到2%，一般情況下在3%左右。超聲波流量計的精度則可以達到0.5% 甚至更高。由此可見選擇兩種不同的計量儀表，對于測量的影響會有多大。
       2.4測脈動流
      由于孔板流量計是靠孔板前后的差壓信號來實現流量測量的，脈動流會使孔板前后的差壓不準，所以孔板流量計不適合測脈動流，而超聲波流量計可以測量脈動流的強度并消除其干擾，所以它適合測脈動流。
      2.5測雙向流
      孔板流量計依據一個節流元件來實現測量目的，這個節流元件具有嚴格的方向性，因此孔板流量計無法測雙向流。超聲波流量計只與超聲信號在流體中的傳播時間有關，因此可以測雙向流。
      2.6測濕氣體
孔板流量計不適合測量濕氣體；若被測氣體為濕氣體，那么在孔板流量計的前端容易積液，使得上下游差壓產生變化，而孔板流量計正是根據上下游的壓差來測量流量的，如果差壓產生變化，則孔板流量計不可能準確測量氣體的流量。超聲波流量計具有自檢測功能，如果所測量氣體為濕氣體，對超聲波流量計產生影響時，儀表本身可以修正，因此超聲波流量計適用于濕氣體的測量（濕氣體體積組分含量低于5%）。
      2.7清洗計量管路
      孔板流量計本身有阻流件，清洗球無法通過，因此孔板流量計安裝在管線上時無法在線清洗計量管路，只有拆除孔板流量計才能清洗管路。而對超聲波流量計來說，不存在這樣的問題。
      2.8渦流影響
      孔板流量計采用差壓法測量氣體的流量，渦流直接影響孔板兩端的差壓，因此孔板流量計對渦流很敏感，要求有很長的直管段才能滿足測量精度的要求。新的國際標準ISO5167已經對孔板流量計上游直管段的長度作了更高的規定：孔板流量計上游直管段至少要有44D，若孔板流量計上游有匯管存在，則上游直管段的長度至少要有145D。
      2.9流速分布的影響
      孔板流量計由于結構原理的限制，要求測量時流速分布均勻，但是由于現場計量管路的復雜性，氣體在管路的流速分布是不可能均勻對稱的，因此孔板流量計對流速分布不對稱非常敏感。超聲波流量計可以修正流速分布不對稱的現象。
      2.10重復性
      對于孔板流量計而言，隨著使用過程中孔板邊緣的磨損，孔板流量計的精度和重復性都會下降，而超聲波流量計無壓損、無示值漂移現象，重復性高。
      2.11工藝管路復雜性比較
      對于孔板流量計，由于量程比窄，計量管路多，而且上、下游直管段長，現場工藝管路復雜。超聲波流量計量程比寬，上、下游直管段短，工藝管路簡單。
      2.12維修維護率比較
      孔板流量計有阻流件，上游易積液、對高含硫的天然氣，其孔板磨損快，維修維護率高。超聲波流量計無可動部件，特殊材料的超聲探頭可以抗H2S 的腐蝕，維護簡單。
      2.13一次性投資比較
      孔板流量計由于量程比窄，對于相同的流量計量要求，其計量管路多，雖然直接的計量儀表投資少，但是相關的閥門、溫度變送器、壓力變送器、直管段、匯管等一次性投資多。超聲波流量計單表價格高于孔板流量計，但是由于量程比寬，整個計量回路少，實際站場一次性投資少。3.現場安裝比較
       (1) 直管段的長度
       孔板流量計上有直管段至少要有44D，若孔板流量計上游有匯管存在，則上游直管段的長度至少要有145D。（詳見《國際流量計量學術動態及發展趨勢》（《中國計量》2002年）或ISO 5167-2）。
       超聲波流量計上、下游直管段要求為10D、5D（《用氣體超聲波流量計測量天然氣的流量》— 國標GB/T 18604-2001）。
      (2) 安裝的影響
      對于孔板流量計，安裝條件直接影響其計量精度，對現場安裝的同心度要求很高。
      (3) 使用條件
      由于孔板流量計的原理決定其現場使用條件必須與設計條件相符，壓力、流量的適應性差。超聲波流量計對現場的適應性極強，對壓力、流量的波動不敏感，有較強的過載能力。
     ３長期使用的比較
      (1) 精度變化
      孔板流量計由于長期使用，孔板入口邊緣磨損，孔板彎曲變形，都會使精度喪失。超聲波流量計由于無磨損、無示值漂移現象，可以長期保持較高的精度。
      (2) 臟污的影響
由于孔板流量計由節流件，長期使用時，臟污物將堆積在孔板的上游，造成差壓信號不準，直接影響計量精度。臟污和孔板鈍化可造成計量偏差 2～10% 以上。超聲波流量計為中空管段，探頭在儀表上部，臟污不易影響探頭工作，不會影響計量精度，而且流量計可以檢測臟污情況并修正和報警提示、及時進行清洗。
      (3) 故障排除
      由于孔板流量計的儀表特性取決于節流件的幾何形狀和尺寸，需要經常檢查節流件，一旦節流件發生變化就必須更換，節流件的壽命取決于氣體的組分、流量及壓力。超聲波流量計本身具有很強的自診斷功能，一旦不在正常狀況就會報警，并自動記錄報警期間的數據，超聲探頭的使
用壽命至少為 8 年，并可在線更換。
      (4) 備品備件
孔板流量計由于節流件經常磨損、變形，因此需要備多套節流件；超聲波流量計只需要備一套探頭，可替換使用。
      (5) 日常維護
      孔板流量計需要經常維護，并檢查節流件的幾何尺寸等參數。在線更換孔板后很難保證不泄漏，使壓差不準，難以保證計量精度。
超聲波流量計則可免維護，自檢功能強大。
      (6) 強檢周期
      孔板流量計一年一檢，一般采用幾何檢定法。超聲波流量計3 年一檢，可以實現在線標定。
     ４、結論
      綜上所述，使用氣體超聲波流量計比使用孔板流量計無論從安全性能、技術性能還是從一次性投資以及長期運行費用上都有很大的優勢。由于說明問題的需要，本文中計算和實例均選用較大用氣量進行比較，實際通過比較計算一般DN200口徑以上流量計選用氣體超聲波流量計具有較大優勢，DN150特別是以下流量計的選取由于氣體超聲波流量計本身價格因素使用孔板流量計更為經濟，但從保證計量精度出發也推薦選用更精確的計量儀表。

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