[技术]超声波流量计在煤气计量中的应用

    在工业生产中，经常需要精确计量和控制液体的流速和流量。焦炉煤气由于冷却、净化等原因，总是含有一定的杂质，高炉煤气也含有较多的杂质。寻找适合于各类煤气的计量仪表始终是困扰企业的技术难题。随着现代化生产技术的发展和自动化管理水平的提高，企业对气体测量要求越来越高。
    济钢作为国内大型钢铁企业，能源计量的重要性十分突出。为了煤气的综合利用，经过多年论证实践，在济钢煤气流量测量中采用了WZ-2188超声波气体流量计，取得了较好的效果。
    1 超声波流量计的测量原理[1]
    目前，各工业部门普遍采用传统的接触式流量计，如孔板、涡街、涡轮和威力巴等流量计测量气体流量，均不同程度地受到压力、磨损、腐蚀、污染的影响，同时安装时要破坏管道，并不能很好地满足各工业部门对煤气流量的测量要求。而超声流量计具有安装方便、省时省力，尤其是非接触式测量方式具有诸多的优点。
    超声波流量计是利用超声波在管道中的传播时间原理而来实现流量测量的。气体流量则通过流速、管道截面积以及雷诺数等得到。根据信号检测的方式，大致可分为超声波传播速度法（脉冲时间差法、相位差法、频率差法）、超声多普勒法、波束偏移法等。WZ-2188超声波气体流量计工作原理如图1所示。
    在管道上斜装一对超声波换能器A和B，两个换能器之间的距离为超声波的传播声程。超声波在两个换能器之间的顺流传播时间和逆流传播时间分别为：

依据ts和tn表达式，求得沿声程上的线平均流速： 式中：c为超声波在静止气体中的传播速度，随气体性质变化而变化；v为气体的流速；θ为超声波声程L与管道轴线之间的夹角。
    可以看出，因采用直接的动力学原理进行测量，无任何假定条件，气体流速仅与测量参数（1/ts-1/tn）有关，与气体本身性质无关，即不受气体种类、成分、密度、温度等影响。
    2 超声波流量计的功能特性
    2.1 节约能源
    该仪表的换能器安装在流量管道的外表面（如图1），不接触流体，所以不干扰流场，没有压力损失，因此是一种比较理想的节能仪表。特别是在大流量计量时，节能效益更加显著。
    2.2 解决流量测量的难题
    由于超声波流量计是非接触式仪表，所以，除用于测量水、石油等一般介质外，还能对强腐蚀介质、非导电介质、易爆和放射性介质进行流量测量，而且不受流体的压力、温度、粘度、密度的影响。
    2.3 仪器性能
    WZ-2188超声波气体流量计是以先进的CPU为核心，辅以大规模集成电路和图形液晶显示器的新型智能仪表。其最大的优点是：高精度；高稳定性；耐用可靠；适用性强；维护简单；使用寿命长；它无活动部件，不影响气流运动，不会造成气体压力的损失。它的测量原理采用直接的物理计算公式，不受气体本身性质的影响。
    2.4 温度压力自动补偿方式
    无补偿：Q0=Qm
    温度自动补偿：
    Qt=[273.15K/（t+273.15K）]×Qm
    压力自动补偿：
    Qp=[（p+101.325kPa）/101.325kPa] ×Qm
    温度、压力自动补偿：
    Qtp=[（p+101.325kPa）/101.325kPa]×[273.15K/ （t+372.15K）] ×Qm
    式中：Qtp为当时工况下的气体体积流量，m3/h；t为温度，℃ （标准状态下为273.15K）；p为压力，kPa（一个标准大气压为101.325kPa）。
    2.5 安装质量的影响
    安装地点的选择必须保证转换器前的流体是沿管轴平行流动，最好安装在水平管道上，所以应保证转换器前有一定长度的直管段，所需直管段长度与流道上阻力件形式有关；安装超声波换能器直管段要求：前直管段长度为5~20D（D为管径），后直管段为2~5D；安装换能器时要注意保持平行，否则误差会超出范围。流量计前后直管段长度要求见表1。
表1 流量计前后直管段长度要求表    mm

 流量计两侧的工艺管道内壁要光滑，不应有堆焊；带测量管的超声波流量计安装时密封垫圈的内径应比流量计的内径大4~5mm，以防在法兰紧固后伸入管道内，造成有效流通面积减少，影响测量精度。夹装式超声波流量计可以安装管道支撑以减小管道震动对测量精度的影响。流量计的接地线要可靠接地。电缆屏蔽层也要可靠接地，以防止外界的各类电磁干扰。
    3 超声波流量计的应用
    测量信号通过变送器传至积算仪，进行补偿运算。流量检测系统图如图2所示。目前，济钢使用的超声波流量计采用插入传感器，插入式传感器采用专用安装工具，可在不停产状态下进行安装。对于钢管可在管路上焊接由厂家提供的连接体，对于铸铁管可采用厂家提供的专用夹具。插入式传感器属于接触式测量，安全可靠，解决了管内壁结垢问题，信号强度高，大大提高了测量的稳定性、可靠性及准确性。无论是安装，还是维修，都不需要切断流体，不会影响管道内流体的正常流通。
    4 应用效果
    超声波气体流量计的应用，在测量管路内无可动部件或突出于管路内部的部件，因此不但压力损失小，而且不存在堵塞管路的现象。济钢所采用的WZ-2188型超声波气体流量计，应用于煤气方面的计量，提高了煤气能源计量的精度，测量精度可达±0.5%，减少了生产单位之间的计量异议，为各二级单位的成本核算提供了准确的依据。