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超聲波流量計和孔板流量計的區別和優勢
孔板流量計在我國長輸和集輸管道的工程實踐中,孔板流量計特別是高級孔板閥長期占據統治地位。而隨著我國天然氣事業的大規模發展,在高壓、大流量計量方面,孔板流量計越來越受到自身結構的限制而顯示出其局限性。近年來一些新型的流量計在國外取得理論和實踐成功的基礎上,也積極投身國內市場,取得一系列成功經驗。特別是超聲波流量計在高壓、大流量場合具有明顯優勢,大有取代高級孔板閥之勢。由于認識的誤區很多人認為超聲波流量計性能好但價格昂貴,事實是不是如此呢?我們通過一系列比較可以得到更正確的結論。
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,在通過節流裝置時不發生相變和析出雜質,在節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,而且節流件上游 10d、下游 4d直管段的內表面粗糙度、圓度要嚴格符合具體規定。
(3) 流態:流動應是連續、穩定的,不是脈動流;在受到節流件影響前已形成典型的、充分發展的流速分布(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
2.1量程比低
由于結構特點,孔板流量計是通過節流件來完成測量的,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。這兩個數據表明:如果實現一種測量方案,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,如果采用孔板流量計,需要多路才能實現。
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。節流裝置能耗計算如下:
以下以 1 個典型用戶用氣參數進行能耗計算:用氣量160× 104m3/d,用氣壓力 0.6mpa。
節流裝置壓力損失計算式:(Zui大刻度差壓50kpa、β=0.68)
δ p=(1-0.24 β -0.52 β2-0.16 β3)δ p
=0.5486×50
=27.43kpa
節流裝置能耗計算式:(壓縮機效率η =0.8)
w= δp ×qv/η
= 27430×18.5185/0.8
=634953w
計算耗能費:能源價 0.4 元 /kwh
耗能費(年)=(w/1000)×(運行時數/年)×(元/ kwh)
=(634953/1000) ×365×24×0.4
=2224876(元/年)
該計算僅只是能耗損失,不包括壓縮機運行等費用。
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。由此可見選擇兩種不同的計量, 對于測量的影響會有多大。
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
孔板流量計依據一個節流元件來實現測量目的,這個節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,使得上下游差壓產生變化,而孔板流量計正是根據上下游的壓差來測量流量的,如果差壓產生變化,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。新的國際標準iso5167已經對孔板流量計上游直管段的長度作了更高的規定: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。
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,雖然直接的計量投資少,但是相關的閥門、溫度變送器、壓力、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,實際站場一次性投資少。3.現場安裝比較
(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《國際流量計量學術動態及發展趨勢》(《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。超聲波流量計對現場的適應性優秀,對壓力、流量的波動不敏感,有較強的過載能力。
3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、無示值漂移現象,可以長期保持較高的精度。
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(2) 臟污的影響
由于孔板流量計由節流件,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流件的幾何形狀和尺寸,需要經常檢查節流件,一旦節流件發生變化就必須更換,節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據,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
孔板流量計由于節流件經常磨損、變形,因此需要備多套節流件;超聲波流量計只需要備一套探頭,可替換使用。
(5) 日常維護
孔板流量計需要經常維護,并檢查節流件的幾何尺寸等參數。在線更換孔板后很難保證不泄漏,使壓差不準,難以保證計量精度。
超聲波流量計則可免維護,自檢功能強大。
(6) 強檢周期
孔板流量計一年一檢,一般采用幾何檢定法。超聲波流量計3 年一檢,可以實現在線標定。