[导读] 随着企业生产节奏的加快，孔板安装、清洗、维护受到不能停产的限制而无法进行，工业流量测量还普遍存在着大管径、大流量测量的困难，因为孔板流量计随着测量管径的增大会带来制造、运输和安装上的困难，造价提高、能损加大，于是我们引入了能便于在线安装、维护的插入式涡街流量计、插入式涡轮流量计、测管流量计、均速管流量计等。
一、概述
重庆钢铁股份有限公司是一个耗能大户，能源品种多达二十余种，主要能源流体有高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气、天然气、氧气、氮气、压缩空气等，能源计量问题一直是公司节能降耗降成本的一件大事。公司是一个大型的老企业，计量设施以前主要采用节流孔板进行流体计量，由于孔板流量计简单牢固，性能稳定可靠，使用寿命长，价格低廉等优点被广泛使用。但孔板也存在测量范围窄，测量上限和测量下限之比一般仅3：1~4：1；压力损失大，对于低压力的自产煤气测量影响较大，低压力流体测量信号弱，测量误差大，现场安装条件要求较高，安装、清洗必须停产，维护困难，高流速和脏污介质及腐蚀性介质对孔板冲刷，腐蚀影响严重，管道内壁流体介质结晶，孔板前后积液等因素都将严重影响其测量精度。
随着企业生产节奏的加快，孔板安装、清洗、维护受到不能停产的限制而无法进行，工业流量测量还普遍存在着大管径、大流量测量的困难，因为孔板流量计随着测量管径的增大会带来制造、运输和安装上的困难，造价提高、能损加大，于是我们引入了能便于在线安装、维护的插入式涡街流量计、插入式涡轮流量计、测管流量计、均速管流量计等。
二、测管流量计和均速管流量计的应用
测管流量计、均速管流量计等由于其结构简单、重量轻、安装维护方便、压力损失小等优点被很多企业使用于大管径流量计量上，其原理采用皮托静压管的速度面积法测量原理，通过安装在管道内的测量装置的全压取压孔测出管道中全压取压孔所在点的流体的全压（总压），测量装置背流面的静压取压孔测出流量的静压，测量管将全压和静压得出差压△P：
式中：V：为测头处流速。m/s
△P：测出的差压：Pa
ρ：被测介质密度，kg/m3
K：测管仪表的校正系数
再根据测得流速后计算出管道内的流量。
不论是测管流量计或者是均速管流量计都是点流速型，是通过测量管道截面上一点的流速从而推算出管道内整个截面上的平均流速，为得到稳定的流态，仪表安装要求有较长的直管段，在现实生产环境中是很难达到的。而流体在管道中流速的分布受流体介质、温度、粘度、重度及管道内壁粗糙度等因素影响都将发生变化，同时点流速与插入点的位置关系也很大，因此安装要求非常高，要通过一点的流速来测算整个管道内的流速，其测量精度必将是很差的。
三、超声波气体流量计的引入
为避免孔板给计量带来的安装、维护、精度和价格上问题，避免测管流量计、均速管流量计等带来的直管段要求高、易堵塞和点不能带面的问题，我们通过超声波计量表得到启示：
1、超声波计量仪表的原理
超声波流量计是一种流体流动对超声波束在流体中传播速度的改变来测量满管液体体积流量的仪表。
2、超声波流量计的分类
超声波流量计根据对信号检测原理的不同可分为时差式、多普勒式和声束偏移式流量计，根据超声换能器的配置方式不同可分为单声道、双声道和多声道；根据换能器供电方式不同，可分为外贴式、管段式和插入式；插入式超声波流量计可以在不断流的情况下，利用专用工具在管道上打孔，将换能器插入管道内进行测量。
时差式超声波流量计的原理是当声波沿流体流动方向传播时，其传播时间比逆向短。
它与流体的流速有关，时差式超声波流量计就是利用声波在流体中顺流和逆流传播的时间差与流体流速成正比这一原理来测量流体流量的。超声波流量计测量元件安装在管道直径上的两端，测得的是管道内直径上的平均流速，相对于点流速就较充分的反映了管道内介质的流动状态，精度相对较高。安装维护方便，因而得以广泛使用。
3、超声波的组成
超声波流量计由超声波换能器、数据处理及流量显示和累积系统三部分组成。
4、超声波气体流量计的引用
我公司炼铁厂5#高炉煤气煤气发生总管，直径为Ф2200，在2000年安装了均速管流量计，由于该计量设施经常堵塞，维护难度相当大，造成长时间无法准确计量，现场及生产状况也无法安装孔板和文丘里流量表等其它计量装置，于是我们通过超声波流量表的原理和广泛使用情况，决定在高炉煤气发生量总管上试用时差插入式超声波气体流量计。由于超声波气体流量计造价基本上与被测管道口径大小无关，而其它类型的流量计随着口径增加，造价大幅度增加，故口径越大超声波流量计比相同功能其它类型流量计的功能价格比越优越。因此被认为是较好的大管径流量测量仪表。
超声波测量仪表的流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响。但超声波在气体中传播由于衰减过大，对于大管道流量测量，生产厂家往往不能将两换能器安装在管道直径的两端，而是将两换能器插入管道内测得是管道内某一段的平均流速来测算管道截面上的总流速，这样的测量方式必将对测量精度带来较大影响，因此气体超声波流量计在安装中就注意安装方式以及安装中插入深度及尺寸，以便计算修正。
四、超声波气体流量计的安装
换能器安装不合理是超声波流量计不能正常工作或计量误差大的主要原因。确定位置时除保证足够的上、下游直管段外，尤其要注意换能器尽量避开有变频调速器、电焊机等干扰电源的地方。另外就是插入深度，气体在管道中流动时，由于气体自身粘滞性和管壁对流体的作用，管道横截面上气体的流速分布是不均匀的，在截面上的流速分布可表示为：
管道气体流速分布图
在截面上的流速分布可表示为：
K：为比例因子，它与管道阻力系数、管道内径等有关。
U：管道截面上的平均流速
δ：修正系数：
A图
1、当两换能器分别安装于管壁处进行测量时（A图），超声波扫描整个管道截面直径上流体流速情况，但由于管道大超声波信号强度不够，往往不能实现。
2、当换能器插入管道的不同位置安装，其测量的结果也是不同的，如下图：
B图所示：两换能器在管道内对称安装。
C图所示：两换能器在管道内不对称安装。
D图所示：两换能器一个安装在中心点，一个安装在管壁上。
如B图、C图所示的安装，根据流速分布情况，其超声波扫描的只是位于管道流速较快的一段，因此不能充分代表整个截面的流速。2004年7月公司在炼铁厂5#高炉煤气发生总管（Ф2200）上的安装超声波流量计由于该管道直径较大无法采用A图和D图安装，后采用C图方式安装，其安装尺寸如E图。
E图
安装完成后，经过运行我们根据5#高炉入炉风量和以前均速管流量计正常时的计量数据进行比较，认为超声波气体流量计计量数据偏大，于是我们根据换能器的安装位置，插入深度进行分析，对流量修正系数进行重新计算为：
厂家给出量程为30万m3/h，探头总长为2000mm，仪表固化的修正值为0.9541，探头直径为57mm：
（1）求上游处探头插入深度：
a、求上游外露部分长度：
97+54+180+235+124-57/2=661.5（mm）
b、求上游插入部分长度：
探头总长-外露部分长度-壁厚=插入深度（A上）
c、求上游插入深度（距管内壁垂直距离）
（2）求下游探头插入深度：
a、求下游外露部分长度：
147+53+183+228+112-57/2=694.5（mm）
b、求下游插入部分长度：
c、求下游插入深度（距管内壁垂直距离）
（3）求两探头的距离L2：
（4）求探头处流速修正系数K：
设：r为管道内测试点距轴中心的距离
R为管道半径
U为管道截面上的平均流速
根据厂家提供的数据例表查出：
当r/R为0.151时，比例因子K1为1.1305
r/R为0.152时，比例因子K2为1.1303
求出
根据厂家提供的资料轴中心最大流速K0为1.1464U
（5）求修正值δ：
考虑到仪表出厂时厂家已根据流体介质、压力、温度和直径上的平均流速与截面上的平均流速进行了修正，其修正值为0.9541，因此修正值应为：
（6）求仪表实际量程：
原量程为30万m3/h
修正后的量程为Q/=30万×δ＇=27.6204万
取整为27.6万m3/h
由此看出：超声波探头插入深度不同对计量数据影响很大，以满量程计算误差为（30-27.6）/27.6×100%=8.7%。经生产厂家确认，我们对仪表量程进行修改后，仪表运行正常。
2005年9月我们在公司炼铁厂老四高炉煤气发生总管（Ф1600）安装时考虑超声波测量值应能充分代表管道内流体的平均流速，我们建议厂家一个换能器安装在管壁上，另一个安装在轴心上：如图D，这样流体超声波测量值是管道半径上的平均流速，比较真实的反应了管道内流体的总的流速，投入运行后未作大的修正就运行正常了。
五、结束语
我司近年来在大管道流量计的使用中，我们认为：
1、超声波流量计测得的是管道截面上某面上某线段的平均流速，相对于测点流速的涡街流量计、均速管流量计、测管流量计等测量精度较高（当然低于测量全截面平均流速的电磁流量计，但电磁流量计不能测气体流量）。
2、超声波流量计最好换能器安装在管道直径的两端测管道直径上的平均流速，次之可将换能器一个安装在管壁上一个安装在管道中心点，这样测得半径上的平均流速，以上两种安装方式均不能选用时才采用B图或C图安装，但安装后应精确测量安装尺寸，仔细计算修正系数，以保证测量的准确。
3、不论是测点流速或是测线段流速的仪表，都应保证测量装置前后直管段要足够长，才能保证流体在管道中的流速分布尽量符合理想的流速分布。