[導讀] 隨著企業生產節奏的加快，孔板安裝、清洗、維護受到不能停產的限制而無法進行，工業流量測量還普遍存在著大管徑、大流量測量的困難，因為孔板流量計隨著測量管徑的增大會帶來制造、運輸和安裝上的困難，造價提高、能損加大，于是我們引入了能便于在線安裝、維護的插入式渦街流量計、插入式渦輪流量計、測管流量計、均速管流量計等。
一、概述
重慶鋼鐵股份有限公司是一個耗能大戶，能源品種多達二十余種，主要能源流體有高爐煤氣、焦爐煤氣、轉爐煤氣、天然氣、氧氣、氮氣、壓縮空氣等，能源計量問題一直是公司節能降耗降成本的一件大事。公司是一個大型的老企業，計量設施以前主要采用節流孔板進行流體計量，由于孔板流量計簡單牢固，性能穩定可靠，使用壽命長，價格低廉等優點被廣泛使用。但孔板也存在測量范圍窄，測量上限和測量下限之比一般僅3：1~4：1；壓力損失大，對于低壓力的自產煤氣測量影響較大，低壓力流體測量信號弱，測量誤差大，現場安裝條件要求較高，安裝、清洗必須停產，維護困難，高流速和臟污介質及腐蝕性介質對孔板沖刷，腐蝕影響嚴重，管道內壁流體介質結晶，孔板前后積液等因素都將嚴重影響其測量精度。
隨著企業生產節奏的加快，孔板安裝、清洗、維護受到不能停產的限制而無法進行，工業流量測量還普遍存在著大管徑、大流量測量的困難，因為孔板流量計隨著測量管徑的增大會帶來制造、運輸和安裝上的困難，造價提高、能損加大，于是我們引入了能便于在線安裝、維護的插入式渦街流量計、插入式渦輪流量計、測管流量計、均速管流量計等。
二、測管流量計和均速管流量計的應用
測管流量計、均速管流量計等由于其結構簡單、重量輕、安裝維護方便、壓力損失小等優點被很多企業使用于大管徑流量計量上，其原理采用皮托靜壓管的速度面積法測量原理，通過安裝在管道內的測量裝置的全壓取壓孔測出管道中全壓取壓孔所在點的流體的全壓（總壓），測量裝置背流面的靜壓取壓孔測出流量的靜壓，測量管將全壓和靜壓得出差壓△P：
式中：V：為測頭處流速。m/s
△P：測出的差壓：Pa
ρ：被測介質密度，kg/m3
K：測管儀表的校正系數
再根據測得流速后計算出管道內的流量。
不論是測管流量計或者是均速管流量計都是點流速型，是通過測量管道截面上一點的流速從而推算出管道內整個截面上的平均流速，為得到穩定的流態，儀表安裝要求有較長的直管段，在現實生產環境中是很難達到的。而流體在管道中流速的分布受流體介質、溫度、粘度、重度及管道內壁粗糙度等因素影響都將發生變化，同時點流速與插入點的位置關系也很大，因此安裝要求非常高，要通過一點的流速來測算整個管道內的流速，其測量精度必將是很差的。
三、超聲波氣體流量計的引入
為避免孔板給計量帶來的安裝、維護、精度和價格上問題，避免測管流量計、均速管流量計等帶來的直管段要求高、易堵塞和點不能帶面的問題，我們通過超聲波計量表得到啟示：
1、超聲波計量儀表的原理
超聲波流量計是一種流體流動對超聲波束在流體中傳播速度的改變來測量滿管液體體積流量的儀表。
2、超聲波流量計的分類
超聲波流量計根據對信號檢測原理的不同可分為時差式、多普勒式和聲束偏移式流量計，根據超聲換能器的配置方式不同可分為單聲道、雙聲道和多聲道；根據換能器供電方式不同，可分為外貼式、管段式和插入式；插入式超聲波流量計可以在不斷流的情況下，利用專用工具在管道上打孔，將換能器插入管道內進行測量。
時差式超聲波流量計的原理是當聲波沿流體流動方向傳播時，其傳播時間比逆向短。
它與流體的流速有關，時差式超聲波流量計就是利用聲波在流體中順流和逆流傳播的時間差與流體流速成正比這一原理來測量流體流量的。超聲波流量計測量元件安裝在管道直徑上的兩端，測得的是管道內直徑上的平均流速，相對于點流速就較充分的反映了管道內介質的流動狀態，精度相對較高。安裝維護方便，因而得以廣泛使用。
3、超聲波的組成
超聲波流量計由超聲波換能器、數據處理及流量顯示和累積系統三部分組成。
4、超聲波氣體流量計的引用
我公司煉鐵廠5#高爐煤氣煤氣發生總管，直徑為Ф2200，在2000年安裝了均速管流量計，由于該計量設施經常堵塞，維護難度相當大，造成長時間無法準確計量，現場及生產狀況也無法安裝孔板和文丘里流量表等其它計量裝置，于是我們通過超聲波流量表的原理和廣泛使用情況，決定在高爐煤氣發生量總管上試用時差插入式超聲波氣體流量計。由于超聲波氣體流量計造價基本上與被測管道口徑大小無關，而其它類型的流量計隨著口徑增加，造價大幅度增加，故口徑越大超聲波流量計比相同功能其它類型流量計的功能價格比越優越。因此被認為是較好的大管徑流量測量儀表。
超聲波測量儀表的流量測量準確度幾乎不受被測流體溫度、壓力、粘度、密度等參數的影響。但超聲波在氣體中傳播由于衰減過大，對于大管道流量測量，生產廠家往往不能將兩換能器安裝在管道直徑的兩端，而是將兩換能器插入管道內測得是管道內某一段的平均流速來測算管道截面上的總流速，這樣的測量方式必將對測量精度帶來較大影響，因此氣體超聲波流量計在安裝中就注意安裝方式以及安裝中插入深度及尺寸，以便計算修正。
四、超聲波氣體流量計的安裝
換能器安裝不合理是超聲波流量計不能正常工作或計量誤差大的主要原因。確定位置時除保證足夠的上、下游直管段外，尤其要注意換能器盡量避開有變頻調速器、電焊機等干擾電源的地方。另外就是插入深度，氣體在管道中流動時，由于氣體自身粘滯性和管壁對流體的作用，管道橫截面上氣體的流速分布是不均勻的，在截面上的流速分布可表示為：
管道氣體流速分布圖
在截面上的流速分布可表示為：
K：為比例因子，它與管道阻力系數、管道內徑等有關。
U：管道截面上的平均流速
δ：修正系數：
A圖
1、當兩換能器分別安裝于管壁處進行測量時（A圖），超聲波掃描整個管道截面直徑上流體流速情況，但由于管道大超聲波信號強度不夠，往往不能實現。
2、當換能器插入管道的不同位置安裝，其測量的結果也是不同的，如下圖：
B圖所示：兩換能器在管道內對稱安裝。
C圖所示：兩換能器在管道內不對稱安裝。
D圖所示：兩換能器一個安裝在中心點，一個安裝在管壁上。
如B圖、C圖所示的安裝，根據流速分布情況，其超聲波掃描的只是位于管道流速較快的一段，因此不能充分代表整個截面的流速。2004年7月公司在煉鐵廠5#高爐煤氣發生總管（Ф2200）上的安裝超聲波流量計由于該管道直徑較大無法采用A圖和D圖安裝，后采用C圖方式安裝，其安裝尺寸如E圖。
E圖
安裝完成后，經過運行我們根據5#高爐入爐風量和以前均速管流量計正常時的計量數據進行比較，認為超聲波氣體流量計計量數據偏大，于是我們根據換能器的安裝位置，插入深度進行分析，對流量修正系數進行重新計算為：
廠家給出量程為30萬m3/h，探頭總長為2000mm，儀表固化的修正值為0.9541，探頭直徑為57mm：
（1）求上游處探頭插入深度：
a、求上游外露部分長度：
97+54+180+235+124-57/2=661.5（mm）
b、求上游插入部分長度：
探頭總長-外露部分長度-壁厚=插入深度（A上）
c、求上游插入深度（距管內壁垂直距離）
（2）求下游探頭插入深度：
a、求下游外露部分長度：
147+53+183+228+112-57/2=694.5（mm）
b、求下游插入部分長度：
c、求下游插入深度（距管內壁垂直距離）
（3）求兩探頭的距離L2：
（4）求探頭處流速修正系數K：
設：r為管道內測試點距軸中心的距離
R為管道半徑
U為管道截面上的平均流速
根據廠家提供的數據例表查出：
當r/R為0.151時，比例因子K1為1.1305
r/R為0.152時，比例因子K2為1.1303
求出
根據廠家提供的資料軸中心最大流速K0為1.1464U
（5）求修正值δ：
考慮到儀表出廠時廠家已根據流體介質、壓力、溫度和直徑上的平均流速與截面上的平均流速進行了修正，其修正值為0.9541，因此修正值應為：
（6）求儀表實際量程：
原量程為30萬m3/h
修正后的量程為Q/=30萬×δ＇=27.6204萬
取整為27.6萬m3/h
由此看出：超聲波探頭插入深度不同對計量數據影響很大，以滿量程計算誤差為（30-27.6）/27.6×100%=8.7%。經生產廠家確認，我們對儀表量程進行修改后，儀表運行正常。
2005年9月我們在公司煉鐵廠老四高爐煤氣發生總管（Ф1600）安裝時考慮超聲波測量值應能充分代表管道內流體的平均流速，我們建議廠家一個換能器安裝在管壁上，另一個安裝在軸心上：如圖D，這樣流體超聲波測量值是管道半徑上的平均流速，比較真實的反應了管道內流體的總的流速，投入運行后未作大的修正就運行正常了。
五、結束語
我司近年來在大管道流量計的使用中，我們認為：
1、超聲波流量計測得的是管道截面上某面上某線段的平均流速，相對于測點流速的渦街流量計、均速管流量計、測管流量計等測量精度較高（當然低于測量全截面平均流速的電磁流量計，但電磁流量計不能測氣體流量）。
2、超聲波流量計最好換能器安裝在管道直徑的兩端測管道直徑上的平均流速，次之可將換能器一個安裝在管壁上一個安裝在管道中心點，這樣測得半徑上的平均流速，以上兩種安裝方式均不能選用時才采用B圖或C圖安裝，但安裝后應精確測量安裝尺寸，仔細計算修正系數，以保證測量的準確。
3、不論是測點流速或是測線段流速的儀表，都應保證測量裝置前后直管段要足夠長，才能保證流體在管道中的流速分布盡量符合理想的流速分布。