超声波流量计与孔板流量计比较 点击：2164 | 回复：9
发表于：2007-07-26 11:20:00
楼主
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
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。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《国际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
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
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。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《国际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
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