技术文章

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

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，zui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。                                                                                                                                                                         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zui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《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

(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《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*，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超声波流量计在石油化工计量中的应用

51 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。

5.2 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*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：