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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(jié)流裝置時不發(fā)生相變和析出雜質,在節(jié)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(jié)流件上游10D、下游4D直管段的內(nèi)表面粗糙度、圓度要嚴格符合具體規(guī)定。
(3) 流態(tài):流動應是連續(xù)、穩(wěn)定的,不是脈動流;在受到節(jié)流元件影響前已形成典型的、充分發(fā)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
表1 超聲波流量計與孔板流量計技術性能的比較
技術性能 | 孔板流量計 | 超聲波流量計 |
量程比 | 1:3-10 | 1:40-200 |
壓損 | 很大 | 無 |
精度 | 理論上1%;現(xiàn)場一般2% | 一般0.5% |
測脈動流 | 不合適 | 適合 |
測雙向流 | 不可以 | 可以 |
測濕氣體 | 不可以 | 可以 |
清洗管路 | 不可以 | 可以 |
渦流影響 | 敏感 | 不敏感 |
流速分布影響 | 敏感 | 不敏感 |
重復性 | 低 | 高 |
工藝管路復雜程度 | 高 | 低 |
維修維護率 | 高 | 低 |
一次性投資 | 高 | 低 |
安全性 | 低 | 高 |
2.1 量程比
由于結構特點,孔板流量計是通過節(jié)流元件來完成測量的,所以其量程比通常只有1:3,zui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(shù)據(jù)表明:如果實現(xiàn)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(xiàn),如果采用孔板流量計,需要多路才能實現(xiàn)。
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。 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(xiàn)場精度zui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。
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(xiàn)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(jù)一個節(jié)流元件來實現(xiàn)測量目的, 這個節(jié)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(chǎn)生變化,而孔板流量計正是根據(jù)上下游的壓差來測量流量的,如果差壓產(chǎn)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(chǎn)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。 新的標準ISO 5167已經(jīng)對孔板流量計上游直管段的長度作了更高的規(guī)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。(詳見《流量計量學術動態(tài)及發(fā)展趨勢》(《中國計量》2002 年)或ISO 5167-2)。英國烴源公司下屬的南莫克姆天然氣計量站改造時, 請英國國家工程實驗室(NEL)做了詳細的流體動力學分析, NEL經(jīng)過大量試驗得出結論:原ISO5167規(guī)定的上游18D直管段確實無法滿足對計量精度的要求,修改后的ISO5167-2對直管段的長度規(guī)定是必須的。
而大多多聲道的超聲波流量計本身具有對渦流強度的分析能力,可以消除渦流對流量測量的影響,對渦流不敏感。
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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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,實際現(xiàn)場一次性投資少。
3 現(xiàn)場安裝使用的比較(見表2)
表2 現(xiàn)場安裝使用比較
| 孔板流量計 | 超聲流量計 |
直管段要求 | 要求直管段長度44D以上 | *D,后5D |
安裝影響 | 對同心度要求嚴格,安裝復雜 | 要求不高,法蘭連接,安裝簡單 |
使用條件 | 使用條件必須符合設計條件 | 可過載145%,適應性強 |
(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《流量計量學術動態(tài)及發(fā)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)場的適應性*,對壓力、流量的波動不敏感,有較強的過載能力。
4 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(xiàn)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(jié)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(jié)流件的幾何形狀和尺寸,需要經(jīng)常檢查節(jié)流件,一旦節(jié)流件發(fā)生變化就必須更換,節(jié)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(shù)據(jù),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(jié)流件經(jīng)常磨損、變形,因此需要備多套節(jié)流件;超聲波流量計只需要備一套探頭,可替換使用。
5超聲波流量計在石油化工計量中的應用
51 時差法超聲波流量計測量成品油
超聲流量計是一種推導式流量計,它的基本原理如圖2所示。高頻聲脈沖從上游換能器A傳送到下游換能器B的時間為
T1=L/(C+Vcosθ)
而從下游換能器B傳送到上游接收換能器A的時間為
T2=L/(C-Vcosθ)
式中,L—聲道距離;C—液體中的聲速;θ—聲道和管道軸向的夾角;V—管道中的平均軸向流速。
由上式可以推導出
V=(L/2cosθ)*[(T2-T1)/(T1*T2)]
圖2 時差法超聲波流量計基本原理圖
這種測量方法從理論上講,只能測得在聲道上的流體速度。我們希望得到管道被測截面的平均流速,但在實際管道運行中總會存在有匯管、大小變徑管、三通和彎頭等,實際運行中不可避免的會產(chǎn)生在被測截面上的不對稱流、橫向流和旋渦流,這將大大降低平均流速的測量準確度。智能化的超聲波流量計采用多聲道測量,并通過智能檢定軟件的診斷和報警功能監(jiān)測流量計運行狀態(tài);調節(jié)各聲道的自動增益;測量各聲道的流速分布及每一個聲道的聲速計算,以便校正橫向流、旋渦流和不對稱流;當被測液體密度、粘度變化時,可以通過測量聲速反推出不同油品的密度、粘度,這樣就可以用超聲波流量計代替密度計,解決處理混油段技術。
5.2 標準體積管實流標定超聲波流量技術
雙向標準體積管是一種標準容積式機械設備,在U型標準管段進出口上裝有兩個(或四個)檢測開關,一個排液球或者活塞。當觸動*個檢測開關時,排液球進入標準段,當這個球觸動U型管另一端第二個檢測開關時,排液球離開標準段。
超聲波流量計的測量原理決定了脈沖和真實流速(流量)有一個固定延時。而管道中的流體擾動是很復雜的,它包括多次擾動渦流和非軸向速度成分,超聲波流量計沿著一個或多個采樣聲道,通過超聲波發(fā)射器和接收器上的正反向時差,檢測并推導計算出流體流速。上述原因,檢定一臺超聲波流量計性能是否穩(wěn)定,應該有如下特點需要設計工程師注意:
(1)為了使被檢測超聲波流量計儀表系數(shù)的不準確度控制在±0.027%,建議設計工程師在計量系統(tǒng)設計中應該考慮超聲波流量計的公稱通徑和標定運行次數(shù)來選擇雙向標準體積管的標準容積其關系如表3所示:
雙向體積管標準容積和流量計公稱通徑 | |||
超聲波流量計的公稱通徑(mm) | 雙向體積管標準容積(L) | ||
當標定5次重復性為0.05%時 | 當標定8次重復性為0.09%時 | 當標定10次重復性為0.12%時 | |
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 |
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