超聲波流量計在工業鍋爐能效測試中的應用
發布時間：2023-07-29 10:32:50來源：hseauto.cn來源：..
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近二十年以來，我國工業鍋爐設計和制造水平取得了長足的發展，但鍋爐效率與世界先進國家相比仍然存在一定差距。國家質檢總局2010年8月頒布了TSG G0003-2010《工業鍋爐能效測試與評價規則》標準，提出了工業鍋爐能效測試方法。
工業鍋爐能效測試是鍋爐節能減排的基礎，是計算工業鍋爐熱效率、鍋爐出力的重要手段，而鍋爐給水流量及循環水流量則直接決定了鍋爐出力，進而影響鍋爐熱效率，因此精確測量鍋爐給水流量對鍋爐能效測試至關重要。測量給水流量通常采用渦輪、渦街、孔板等流量計，但這些流量計在安裝前需要鍋爐停爐，安裝過程中容易導致介質泄露等不安全因素。因此，目前較為普遍的是采用超聲波流量計測量給水流量。
1 流量計概述
流量計是指可以計量管道內液體流量的裝置，能夠測量瞬時流量和總流量。按照設計結構和原理的不同，流量計主要可分為機械式、電磁式、超聲波式三類，基本原理分別為：
1.1 機械式流量計
機械式流量計利用水流流經流量計的葉輪時，推動葉輪旋轉，水的流速越大，葉輪的轉速越高，通過測量葉輪的轉速即可得出水的流速。由于機械式流量計存在轉動部件葉輪，若設計不當，使用壽命和測量精度將低于電磁式和超聲波流量計。但機械式流量計克服了電磁式流量計耗電量大且對水流導電率有要求的缺點，特別是機械式流量計的造價遠低于電磁式和超聲波流量計。
1.2 電磁式流量計
電磁式流量計根據法拉第定律，當具有導電性的水流通過電磁場時，會產生感應電動勢，水的流速越高，產生的感應電動勢就越大，通過測量感動電動勢即可得出管道內水流速度，然后由水的密度和管徑即可確定管道內水的流量。電磁式流量計因無轉動部件，即無磨損部件，使用壽命長，且測量精度高。但也存在缺點，它對水流的導電率有要求，水溫的變化引起水流導電率變化，從而影響對水流流速的測量精度。
1.3 超聲波流量計
超聲波流量計利用超聲波在管道內順水流與逆水流的傳播速率不同，測量管道內水的流速，水的流速越高，超聲波在管道內順水流與逆水流的傳播速率相差就越大，在相同長度內，測量超聲波順水流和逆水流的傳播時間差，就可以得出管道內水流的流速。
2 時差法超聲波流量計工作原理
超聲波流量計是一種非接觸式儀表，它既可測量不同管徑介質流量，又可測量各種不宜接觸的介質流量。超聲波流量計按其測量原理又可分為：傳播速度差法、多普勒法、噪聲法、法束偏移法等幾種。傳播速度差法又包括時差法、相差法和頻差法。其中，時差法是目前超聲波流量計所采用的技術方法，和傳統的機械式流量計和電磁式流量計相比，其計量精度高，幾乎不受被測介質的各種參數的干擾。對管徑的適應性強，各種尺寸的管徑只要選用合適的夾具都可適用。非接觸流體，可以解決其它儀表所不能的強腐蝕性、非導電性、放射性及易燃易爆介質的流量測量問題。
時差法超聲波流量計是利用流體的流動對超聲波在管道中傳播時間的影響，計算流體的流速和流量的一種方法。當超聲波在液體管道中傳輸的方向與液體流動的方向相同，其聲波傳播速度會被液體輕微加速，反之會被輕微的降低。時差法超聲波流量計工作原理示意圖如圖1所示，超聲波路徑長度為L，超聲波的傳播方向與流體的流動方向夾角為θ。由于流體流動原因，超聲波傳輸相同的距離L而方向不同時，其所用的時間也不相同。兩方向時間的差值正比于管道中液體流速。因此，通過觀測超聲波在介質中的順流和逆流傳播時間差來間接測量流體的流速，再通過流速來計算流量。
3 時差法超聲波流量計的影響因素
超聲波流量計主要受現場安裝質量和安裝環境、管道參數等因素的影響，有時可以產生較大誤差。因此，只有消除不穩定因素，才能提高測量準確性。
3.1 現場安裝質量和安裝環境的影響
超聲流量計在安裝時，最佳的測試效果是要求傳感器置于至少離上游的干擾源20倍管道直徑，離下游的干擾源10倍的管道直徑。一般要求流量計前直管段至少10倍管道直徑，后至少5倍管道直徑，流量計盡量安裝在垂直直管段上，且流體自下而上，避免出現非滿管狀態。但是，在工業鍋爐能效測試中，很難找到符合上述要求的測點位置。
另外，在工業鍋爐能效測試中，鍋爐給水泵、控制閥門、管道彎頭、上煤系統、除渣系統等引起的震動都會對超聲波流量計的測量精度產生影響，因此在流量計安裝時要避免上述噪聲源及震動源，選擇影響較小的直管段。在安裝中管道麗的氣泡也會反射超聲波信號，使測量產生誤差。一般氣泡存在于管道的上方，因此流量計要與水平面成45度角安裝，減少誤差。
3.2 管道參數輸入的影響
在超聲波流量計安裝時，需要在流量計的主機中輸入管道外徑、管道壁厚、液體溫度等所需參數。在測量管道不變的情況下，輸入不同的管道外徑，保持管道壁厚為3.5mm，液體溫度為15℃等參數不變，其測量的流量會有不同，見表2所示。
從表2可以看出，輸入管道外徑相對誤差為正值時，其流量值隨著相對誤差的增大而有增大趨勢;當輸入管道外徑相對誤差為負值時，其趨勢相同。也就是說，當管道外徑測量的誤差增大時，管道的橫截面積誤差也在增大，導致流量誤差增大。
按上述方法，在測量管道不變的情況下，分別改變Φ57×3.5管道的管道壁厚和液體溫度，同時保持其他參數不變，其測量的流量分別見表3和表4所示。
從表3可以看出，測量流量值隨著管道壁厚的增加而減少，但減少的數值不大。由此可以得出，管道壁厚對超聲波流量計的流量測量有一定影響。而表4則能表明，液體溫度對流量的影響比較小。
4 結語
目前，超聲波流量計隨著測量精度的不斷提高，已被廣泛應用于醫藥、石化、環保、造紙、電力等領域。在工業鍋爐能效測試中，要確保流量計的安裝質量和環境要求，正確輸入所需參數以降低測量誤差，保證上述的不確定因素，就能提高流量測量的準確性。
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