主要的流量計類型以及優(yōu)點和缺點介紹

無論是制造工廠還是建筑業(yè)主都在努力設(shè)法使其設(shè)施更節(jié)能，對環(huán)境的影響更小。

在當(dāng)今的商業(yè)環(huán)境中，控制能源成本從未像現(xiàn)在這樣重要。能源已成為企業(yè)、機構(gòu)和消費者的熱門話題。對于許多人來說，尋找新的、更好的方法來減少能源使用并提高能源效率，是一個高度優(yōu)先的事項。因此，能源管理越來越受到重視。

測量是能源管理的基礎(chǔ)，因為要控制它，首先必須準確測量它。本文重點介紹了流量測量技術(shù)，因為它們主要用于天然氣。根據(jù)需要，也會涉及蒸汽和水的主題，用于比較和提供背景信息。此外，還討論了一些主要的流量計類型以及優(yōu)點和缺點，以幫助工程師在應(yīng)用時更好地進行選型。

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流量測量基礎(chǔ)

質(zhì)量流率可以根據(jù)被測物質(zhì)的密度、物質(zhì)流過的橫截面積以及物質(zhì)相對于目標(biāo)區(qū)域的速度來計算。如果密度恒定，這相當(dāng)簡單。流量測量是對通過管道的液體或氣體量的量化。流量可以量化為體積流量（如gal/min）或質(zhì)量流量（如lb/hr）。速率始終是某個時間單位內(nèi)對某個單位的度量。

當(dāng)溫度、壓力或成分發(fā)生變化時，某些流體的密度可能會發(fā)生變化。一些流體也可能具有組合相或夾帶氣泡。密度變化使質(zhì)量流量測量更復(fù)雜，但氣體測量比液體測量更復(fù)雜。

有許多用于測量流量的技術(shù)和設(shè)計，但并非每種流量測量技術(shù)都適用于能源監(jiān)測應(yīng)用。為了成為能源監(jiān)測應(yīng)用中的候選技術(shù)，流量測量必須具有成本效益、無創(chuàng)性、易于安裝且成本低廉。該技術(shù)還必須具有適合于應(yīng)用的可靠性和準確性。

在制造業(yè)中，流量測量對于使用原材料制造產(chǎn)品或為產(chǎn)品增加價值的運營至關(guān)重要。對精確流量測量儀表的需求，是由業(yè)務(wù)需求或環(huán)境限制驅(qū)動的，例如需要更嚴格的過程控制，以減少排放和提高效率。

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流量計類型

每種流量傳感技術(shù)和每種流量計都有優(yōu)缺點。在市場上廣泛使用的流量計中，所用的流量傳感技術(shù)主要包括：差壓（DP）、容積式、科里奧利（或質(zhì)量流）、渦街和渦輪。

差壓裝置包括節(jié)流孔、文丘里管、流量噴嘴、皮托管、均速皮托管和V形錐。容積式裝置包括旋轉(zhuǎn)凸輪、隔膜和渦輪機。請注意，市場上還有更多類型的流量計。不過，本文討論的重點不包括主要用于流體的設(shè)備。

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差壓流量計

差壓流量計的運行需要在液體、氣體或蒸汽流道中放置節(jié)流裝置，如孔板、流量噴嘴、皮托管或文丘里管，并測量其上的壓差。孔板是使用最廣泛的節(jié)流裝置，通常會產(chǎn)生最大的壓力損失。蒸汽流速隨通過該節(jié)流孔的壓降的平方根而變化。差壓變送器測量通過節(jié)流孔的壓降。

盡管孔板式差壓流量計通常具有較低的初始成本，沒有移動部件，并且安裝成本也較低，但它們具有壓力損失高、量程低的缺點，并且隨著時間的推移測量準確性降低?？装遄罱K可能因磨損而導(dǎo)致影響流量計的校準。

現(xiàn)在安裝的許多流量測量儀表，都基于差壓傳感技術(shù)。在每年發(fā)貨的所有流量測量變送器中，差壓變送器約占一半。智能多變量壓力變送器在測量范圍、精度、重復(fù)性和進行多次測量的能力方面的改進，為這項成熟但仍然可行的技術(shù)增添了生命力。

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容積式流量計

容積式流量計通過機械移動流量計中的移動部件來測量流量，然后計算單位時間內(nèi)的位移數(shù)量。用每個計數(shù)表示流體的體積量。每次計數(shù)時，流體都會通過流量計。流量計運動部件，由被計量的流體壓力驅(qū)動。

旋葉式流量計（rotary lobe flowmeters）。該流量計可直接測量在實際工作壓力下通過它的流體的實際體積。兩個反向旋轉(zhuǎn)的葉輪在殼體內(nèi)旋轉(zhuǎn)。流經(jīng)流量計的氣體或液體驅(qū)動葉輪，葉輪將已知體積的氣體困在空隙中。流量與旋轉(zhuǎn)速度成比例。

通過計算轉(zhuǎn)數(shù)并將計數(shù)乘以每轉(zhuǎn)所置換的已知體積來測量體積。計數(shù)可以通過機械或電子方式完成。最常見的布置是在葉輪中嵌入磁鐵。由安裝在儀表外殼中的接近開關(guān)感應(yīng)。由磁鐵驅(qū)動的開關(guān)，激活就地數(shù)字顯示器，或輸入到一個完整的電子系統(tǒng)，用于處理、校正和遠程通信。

旋葉式流量計主要用于商業(yè)和工業(yè)客戶的天然氣計費：負荷超過每小時1000立方英尺。它們主要用于工業(yè)和油氣生產(chǎn)中的氣體和液體。它們還被用于能源管理的工業(yè)分項計量應(yīng)用中。使用它們的主要原因是高精度和堅固性，且維護成本低。ANSI/ASC B 109.3批準這些計量表可用于監(jiān)護轉(zhuǎn)移。

在使用旋葉式流量計時需要注意，在校準范圍外的流體溫度和壓力下工作時，必須將體積流量校正到標(biāo)準條件。當(dāng)計量表用于計費時，此功能可以自動完成。如果出現(xiàn)機械故障，建議使用配置手動隔離閥的旁路。

隔膜流量計（diaphragm flowmeters）。它包括一個充滿天然氣（或其他氣體）的外殼，并包含兩個氣體波紋管（隔膜）。每個隔膜都有一個滑閥，可以交替打開和關(guān)閉每個隔膜的進口閥和出口閥。當(dāng)氣體流入流量計時，波紋管通過滑閥交替充滿和排空，滑閥充當(dāng)計數(shù)器。

當(dāng)每個閥門關(guān)閉后打開時，計算一個已知體積的氣體。機械連桿將每個閥門連接到一個計數(shù)器，該計數(shù)器記錄計數(shù)，并在表盤上顯示計數(shù)。氣體被排放到儀表外殼和儀表出口。兩組波紋管和閥門交替運行，以提供連續(xù)的氣流。該機構(gòu)由波紋管上的氣體壓力驅(qū)動，其結(jié)果是儀表上的壓降很小。

在天然氣計費應(yīng)用中，隔膜流量計的上游安裝有壓力調(diào)節(jié)器，可以保持恒定壓力。這樣就不需要壓力校正變送器。溫度變化可能會導(dǎo)致偏差。然而，在實踐中，當(dāng)通過地下管道供氣時，溫度變化很小。

隔膜流量計的優(yōu)點包括：價格便宜且準確，適用于小型能源管理項目。具備脈沖輸出和通信能力。它的缺點包括：只能用于清潔氣體；大尺寸、重且昂貴。

渦輪流量計（turbine flowmeters）。渦輪流量計有各種尺寸、類型和價格。適用于很多工業(yè)應(yīng)用，以及水和天然氣公用事業(yè)公司的計費項目。用于計量氣體和水的公用事業(yè)型渦輪機，被批準用于監(jiān)管轉(zhuǎn)移。它們通常具有經(jīng)校正的質(zhì)量流量讀數(shù)電子輸出和通信能力。渦輪流量計的一個突出用途是對大量客戶進行計量和計費。

工業(yè)渦輪流量計也有在線式和插入式兩種。插入式渦輪流量計的尺寸和材料范圍很廣，從0.5英寸到36英寸甚至更大。由于其能夠測量大型管道流量，因此通常用于煙囪氣體監(jiān)測。在工業(yè)領(lǐng)域，它廣泛應(yīng)用于測量蒸汽、水、空氣和其它氣體的流量。工業(yè)渦輪流量計直接測量流體或氣流的速度。在流量計上需要一個流量計算機或多變量智能變送器。

帶有附加葉片的轉(zhuǎn)子懸浮在自由運行軸承的流體或氣流中。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速（RPM）與液體或氣體速度成正比。有幾種方法可以計算渦輪機的旋轉(zhuǎn)，包括嵌入到轉(zhuǎn)子或葉片中的磁性和電氣傳感器。這些傳感器產(chǎn)生微弱的脈沖或正弦波電子輸出，通過電子方式將其轉(zhuǎn)換為流速，然后在變送器中將其轉(zhuǎn)換為4-20 mA輸出信號。通過將體積流量乘以流體密度來計算質(zhì)量流量。質(zhì)量流量等于流速乘以密度乘以管道面積。

校正后的質(zhì)量流量需要額外的輸入，包括壓力和溫度。在線式工業(yè)渦輪流量計適用于能源管理，因為其直徑范圍廣泛，成本較低。

在線式工業(yè)渦輪流量計的優(yōu)勢包括：良好的準確性和重復(fù)性；尺寸范圍廣；管道所需上游直線長度最??；以及成本相對較低。其缺點主要是安裝成本較高，以及運動部件易受污染物的影響。

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科里奧利流量計

科里奧利流量計技術(shù)提供直接質(zhì)量流量測量，不受壓力、溫度、密度和流體粘度變化的影響?？评飱W利流量計有多種配置，包括U形管、雙U形管、彎管和直管設(shè)計，所有這些流量計都根據(jù)以下原理工作：

■?待測量的液體或氣體進入流量管的一端，流量管受到外部振蕩驅(qū)動，機電振蕩器根據(jù)管設(shè)計和液體或氣體密度以管的固有頻率（約10 kHz）振動。流量管通常由316不銹鋼或其它金屬（如鈦）制成，具體取決于應(yīng)用。

■?當(dāng)液體或氣體流經(jīng)流量管時，它會受到外部振蕩驅(qū)動器引起的向上或向下的力?？评飱W利力與驅(qū)動力相反，從流入側(cè)向上推動管子，從流出側(cè)向下推動管子，導(dǎo)致管子扭曲。

■?位于流量管各支腿上的傳感器檢測管道扭曲時的位置和頻率。隨著質(zhì)量流量的變化，兩個傳感器之間存在相移。該相移與液體或氣體的質(zhì)量流量成正比。

■?科里奧利流量計配備了基于微處理器的信號處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)解釋來自傳感器的原始信號和正在測量的頻移，將其轉(zhuǎn)換為可由標(biāo)準儀表和數(shù)據(jù)系統(tǒng)使用的信號，如4-20 mA、脈沖和電壓輸出。

科里奧利流量計有著廣泛的應(yīng)用。最初的應(yīng)用是在石油和化學(xué)工業(yè)中測量多種液體，主要用于過程控制目的。由于精度高，它還用于石油和天然氣行業(yè)的監(jiān)管轉(zhuǎn)移。科里奧利流量計已用于測量高粘度流體、泥漿和混合相流體，如油和水、帶氣泡的水、空氣中的煤粉等。

最近，設(shè)計改進和精度提高使科里奧利流量計成為計量氣體的候選流量計。它們能夠計量工業(yè)氣體，并已用于天然氣大客戶的監(jiān)管轉(zhuǎn)移。它們也可用于低溫氣態(tài)或液態(tài)氧、氮和二氧化碳。

科里奧利質(zhì)量流量計有很多優(yōu)點：直接質(zhì)量流量讀數(shù)，無需校正壓力或溫度；高調(diào)節(jié)比：標(biāo)準為20:1，需要時可達100:1；無需在上游和下游鋪設(shè)直管；能夠計量多種液體、氣體、泥漿和混合相流；不銹鋼流管是標(biāo)準配置；某些型號可以計量低溫氣體；非常高的精度和重復(fù)性；低維護和監(jiān)管轉(zhuǎn)移批準。它的一個缺點是與大多數(shù)其它計量表相比，成本相對較高。

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渦街流量計

渦街流量計的運行，是基于一種被稱為“馮卡門效應(yīng)”的原理。馮卡門效應(yīng)利用：在通過放置在流體中的非流線型或“鈍”體時，流體會產(chǎn)生在體后部脫落的漩渦。這些渦流可以被檢測、計數(shù)和顯示。漩渦的頻率與液體或氣體的流速成正比。在理想條件下，脫落頻率和流體速度呈近似線性關(guān)系。

典型的渦街流量計應(yīng)用包括鍋爐和用戶處的直接蒸汽測量，以及作為鍋爐燃料的天然氣測量。蒸汽是最難測量的流體，因為涉及高溫高壓，并且測量參數(shù)因蒸汽類型而異。渦街流量計是蒸汽流量測量的首選，因為它能夠承受高壓和高溫。

渦街流量計非常可靠。它們還具有廣泛的測量范圍，這意味著它們可以測量不同速度下的蒸汽流量。渦街流量計的其它優(yōu)點包括易于安裝、維護成本低、安裝成本適中和精度高。然而，它們對振動和進口流量有些敏感。

多變量渦街流量計包括壓力和溫度傳感器。除了流速、溫度和壓力外，流量計還使用這些傳感器來確定體積流量、流體密度和質(zhì)量流量。多變量渦街流量計無需單獨的流量計算機即可執(zhí)行必要的質(zhì)量流量補償。

編輯：黃飛

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