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超声波流量计与孔板流量计的比较
发布时间:2019-06-25

摘要:本文通过大量详实的理论推导、可信的应用实例,经过技术性能、现场安装使用、长期使用、经济性几个方面的比较详细论述了超声波流量计孔板流量计的优劣,提出高压、大流量计量优先选用超声波流量计的建议。
  在我国长输和集输管道的工程实践中,孔板流量计特别是高级孔板阀长期占据统治地位。而随着我国石油天然气事业的大规模发展,在高压、大流量计量方面,孔板流量计越来越受到自身结构的限制而显示出其局限性。近年来一些新型的流量计在国外取得理论和实践成功的基础上,也积极投身国内市场,取得一系列成功经验。特别是超声波流量计在高压、大流量场合具有明显优势,大有取代高级孔板阀之势。由于认识的误区很多人认为超声波流量计性能好但价格昂贵,事实是不是如此呢?我们通过一系列比较可以得到更正确的结论。
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(见表
1)2.1量程比低
  由于结构特点,孔板流量计是通过节流件来完成测量的,所以其量程比通常只有1:3,最高可达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。节流装置能耗计算如下:
  以下以1个典型用户用气参数进行能耗计算:用气量160×104m3/d,用气压力0.6MPa。
节流装置压力损失计算式:(最大刻度差压50kPa、β=0.68)
δP=(1-0.24β-0.52β2-0.16β3)ΔP
=0.5486×50
=27.43kPa
节流装置能耗计算式:(压缩机效率η=0.8)
W=δp×QV/η
=27430×18.5185/0.8
=634953W
计算耗能费:能源价0.4元/kWh
耗能费(年)=(W/1000)×(运行时数/年)×(元/kWh)
=(634953/1000)×365×24×0.4
=2224876(元/年)
该计算仅只是能耗损失,不包括压缩机运行等费用。
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,现场精度最高能达到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。假定某个计量站的输气量为350万Nm3/天,工业用气每标方的价格为0.6元,费用偏差比较见表2。

由此可见选择两种不同的计量仪表,对于测量的影响会有多大。
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。新的国际标准ISO5167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《国际流量计量学术动态及发展趋势》(《中国计量》2002年)或ISO5167-2)。
  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,实际站场一次性投资少。
3现场安装使用的比较(见表3)

(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《国际流量计量学术动态及发展趋势》(《中国计量》2002年)或ISO5167-2)。
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/T18604-2001)。
(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极强,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)日常维护
  孔板流量计需要经常维护,并检查节流件的几何尺寸等参数。在线更换孔板后很难保证不泄漏,使压差不准,难以保证计量精度。
超声波流量计则可免维护,自检功能强大。
(6)强检周期
孔板流量计一年一检,一般采用几何检定法。
超声波流量计3年一检,可以实现在线标定。
5经济性的比较
5.1一次性投资
  由于气体超声波流量计有量程比宽的特点,相对于孔板流量计可以简化工艺管路,相关的调压设备、阀门、变送器等都相应减少,大大节省了投资。
  另外,由于超声波流量计要求的前后直管段短,因此大大减少了占地面积。
  如图1所示,若孔板流量计的直管段按44D计算,要完成Q=48000m3/h,T=40°C,Pmin=30Bar这样条件的测量任务,孔板流量计需要四路24英寸的工艺管线,8个阀门,占地面积为333平米,而使用超声波流量计只需要2路30英寸的工艺管线,4个阀门,占地面积为94平米。
5.2长期运行费用
  流量计长期运行时,有以下几方面的费用:设备维护费,标定费用,更换部件费用以及操作人员人工费用等。

(1)设备维护费
  由于超声波流量计为免维护仪表,而孔板流量计需要经常维护,因此后者的维护费用大大高于前者。
(2)标定费用
  孔板流量计仅为标准差压变送器就花费600个人时,再加上孔板流量计需要配密度计,每年一次标密度计也要增加标定费用。此外,孔板流量计虽然可以采用几何检定的干标模式进行检定,但是检定完重新安装回去时很难保证同心度。
(3)孔板流量计需要经常更换节流件,成本因而增加;超声波流量计无需更换部件,探头可以带压更换并清洗,其它部件基本不用更换。
(4)由于孔板流量计压损很大,增加了压缩机的负荷,经多年实践证明,运行费用随压损的增加而上升。
(5)操作人员人工费孔板流量计需要维护、切换等操作,人工费用很多,而超声波流量计无人值守,基本不需要维护,因此用于超声波流量计运行维护的费用将远远低于孔板流量计。
6结论
  综上所述,使用气体超声波流量计比使用孔板流量计无论从安全性能、技术性能还是从一次性投资以及长期运行费用上都有很大的优势。由于说明问题的需要,本文中计算和实例均选用较大用气量进行比较,实际通过比较计算一般DN200口径以上流量计选用气体超声波流量计具有较大优势,DN150特别是以下流量计的选取由于气体超声波流量计本身价格因素使用孔板流量计更为经济,但从保证计量精度出发也推荐选用更精确的计量仪表。

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