摘要：本文通過大量詳實的理論推導、可信的應用實例，經(jīng)過技術(shù)性能、現(xiàn)場安裝使用、長期使用、經(jīng)濟性幾個方面的比較詳細論述了超聲波流量計與孔板流量計的優(yōu)劣，提出高壓、大流量計量優(yōu)先選用超聲波流量計的建議，并闡述了時差法超聲波流量計測量成品油和標準體積管實流標定超聲波流量技術(shù)。
前言
      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(jù)統(tǒng)治地位。而隨著我國石油天然氣事業(yè)的大規(guī)模發(fā)展，在高壓、大流量計量方面，孔板流量計越來越受到自身結(jié)構(gòu)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(chǔ)上，也積極投身國內(nèi)市場，取得一系列成功經(jīng)驗。特別是超聲波流量計在高壓、大流量場合具有明顯優(yōu)勢，大有取代高級孔板閥之勢。由于認識的誤區(qū)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(jié)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(zhì)的牛頓流體，在通過節(jié)流裝置時不發(fā)生相變和析出雜質(zhì)，在節(jié)流裝置中不得有任何形式的物質(zhì)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(jié)流件上游10D、下游4D直管段的內(nèi)表面粗糙度、圓度要嚴格符合具體規(guī)定。
      (3) 流態(tài)：流動應是連續(xù)、穩(wěn)定的，不是脈動流；在受到節(jié)流元件影響前已形成典型的、充分發(fā)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(zhuǎn)流。
       2 技術(shù)性能的比較（見表1）

表1 超聲波流量計與孔板流量計技術(shù)性能的比較

      2.1 量程比
      由于結(jié)構(gòu)特點，孔板流量計是通過節(jié)流元件來完成測量的，所以其量程比通常只有1：3，最高可達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(shù)據(jù)表明：如果實現(xiàn)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(xiàn)，如果采用孔板流量計，需要多路才能實現(xiàn)。
      2.2 壓損
      由于孔板流量計的結(jié)構(gòu)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(jié)流裝置能耗計算如下：
      以下以1 個典型用戶用氣參數(shù)進行能耗計算：用氣量160× 104m3/d，用氣壓力0.6MPa。
      節(jié)流裝置壓力損失計算式：（最大刻度差壓50kPa、β =0.68）
δP=（1-0.24 β -0.52 β2-0.16 β3）Δ P
=0.5486×50
=27.43kPa
      節(jié)流裝置能耗計算式：（壓縮機效率η =0 .8 ）
W= δ p ×QV/ η
= 27430×18.5185/0.8
=634953W
     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(xiàn)場精度最高能達到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。
      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(xiàn)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(jù)一個節(jié)流元件來實現(xiàn)測量目的， 這個節(jié)流元件具有嚴格的方向性，因此孔板流量計無法測雙向流。超聲波流量計只與超聲信號在流體中的傳播時間有關(guān)，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(chǎn)生變化，而孔板流量計正是根據(jù)上下游的壓差來測量流量的，如果差壓產(chǎn)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(chǎn)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ISO 5167已經(jīng)對孔板流量計上游直管段的長度作了更高的規(guī)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。（詳見《國際流量計量學術(shù)動態(tài)及發(fā)展趨勢》（《中國計量》2002 年）或ISO 5167-2）。英國烴源公司下屬的南莫克姆天然氣計量站改造時， 請英國國家工程實驗室（NEL）做了詳細的流體動力學分析， NEL經(jīng)過大量試驗得出結(jié)論：原ISO5167規(guī)定的上游18D直管段確實無法滿足對計量精度的要求，修改后的ISO5167-2對直管段的長度規(guī)定是必須的。
      而大多多聲道的超聲波流量計本身具有對渦流強度的分析能力，可以消除渦流對流量測量的影響，對渦流不敏感。
      2.9 流速分布的影響
      孔板流量計由于結(jié)構(gòu)原理的限制，要求測量時流速分布均勻，但是由于現(xiàn)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?qū)ΨQ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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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，雖然直接的計量儀表投資少，但是相關(guān)的閥門、溫度變送器、壓力變送器、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，實際現(xiàn)場一次性投資少。
      3 現(xiàn)場安裝使用的比較（見表2）

表2 現(xiàn)場安裝使用比較

      (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(shù)動態(tài)及發(fā)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)場的適應性極強，對壓力、流量的波動不敏感，有較強的過載能力。
      4 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(xiàn)象，可以長期保持較高的精度。
      (2) 臟污的影響
      由于孔板流量計由節(jié)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，而且流量計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(jié)流件的幾何形狀和尺寸，需要經(jīng)常檢查節(jié)流件，一旦節(jié)流件發(fā)生變化就必須更換，節(jié)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(shù)據(jù)，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(jié)流件經(jīng)常磨損、變形，因此需要備多套節(jié)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(jīng)常維護，并檢查節(jié)流件的幾何尺寸等參數(shù)。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(xiàn)在線標定。
      5 經(jīng)濟性的比較
      5.1 一次性投資
      由于氣體超聲波流量計有量程比寬的特點，相對于孔板流量計可以簡化工藝管路， 相關(guān)的調(diào)壓設備、閥門、變送器等都相應減少，大大節(jié)省了投資。
       另外，由于超聲波流量計要求的前后直管段短，因此大大減少了占地面積。

圖1 孔板流量計與超聲波流量計占空(占地)及費用比較

      如圖1 所示，若孔板流量計的直管段按44D 計算，要完成Q=48000m3/h ， T= 40°C，Pmin=30Bar 這樣條件的測量任務，孔板流量計需要四路24 英寸的工藝管線，8 個閥門，占地面積為333 平米，而使用超聲波流量計只需要2 路30 英寸的工藝管線，4 個閥門，占地面積為94 平米。英國烴源有限公司（HRL ）下屬的南莫克姆（S o u t h Morecambe）日輸氣量高達5000 萬N m3/h，該站采用6 路孔板流量計最初1985 年投運，1998改造時用3路超聲替代孔板，實踐證明無論從計量精度、維護費用還是日常操作上，超聲波流量計比孔板流量計都有很大優(yōu)勢。
      5.2 長期運行費用
      由于流量計長期運行時，有以下幾方面的費用：設備維護費，標定費用，更換部件費用以及操作人員人工費用等。
      (1) 設備維護費
      由于超聲波流量計為免維護儀表，而孔板流量計需要經(jīng)常維護，因此后者的維護費用大大高于前者。
      (2) 標定費用
      孔板流量計僅為標定差壓變送器就花費很大的人力物力，再加上孔板流量計需要配密度計， 每年一次標密度計也要增加標定費用。此外，孔板流量計雖然可以采用幾何檢定的干標模式進行檢定，但是檢定完重新安裝回去時很難保證同心度。
      (3) 孔板流量計需要經(jīng)常更換節(jié)流件，成本因而增加；超聲波流量計無需更換部件，探頭可以帶壓更換并清洗，其它部件基本不用更換。
      (4) 由于孔板流量計壓損很大，增加了壓縮機的負荷，經(jīng)多年實踐證明，運行費用隨壓損的增加而上升。
      (5) 操作人員人工費孔板流量計需要維護、切換等操作，人工費用很多，而超聲波流量計無人值守，基本不需要維護，因此用于超聲波流量計運行維護的費用將遠遠低于孔板流量計。
      6 超聲波流量計在石油化工計量中的應用
      6.1 時差法超聲波流量計測量成品油
      超聲流量計是一種推導式流量計，它的基本原理如圖2所示。高頻聲脈沖從上游換能器A傳送到下游換能器B的時間為
T1=L/(C+Vcosθ)
      而從下游換能器B傳送到上游接收換能器A的時間為
T2=L/(C-Vcosθ)
式中，L—聲道距離；C—液體中的聲速；θ—聲道和管道軸向的夾角；V—管道中的平均軸向流速。
由上式可以推導出
V=(L/2cosθ)*[(T2-T1)/(T1*T2)]

  圖2 時差法超聲波流量計基本原理圖

      這種測量方法從理論上講，只能測得在聲道上的流體速度。我們希望得到管道被測截面的平均流速，但在實際管道運行中總會存在有匯管、大小變徑管、三通和彎頭等，實際運行中不可避免的會產(chǎn)生在被測截面上的不對稱流、橫向流和旋渦流，這將大大降低平均流速的測量準確度。智能化的超聲波流量計采用多聲道測量，并通過智能檢定軟件的診斷和報警功能監(jiān)測流量計運行狀態(tài)；調(diào)節(jié)各聲道的自動增益；測量各聲道的流速分布及每一個聲道的聲速計算，以便校正橫向流、旋渦流和不對稱流；當被測液體密度、粘度變化時，可以通過測量聲速反推出不同油品的密度、粘度，這樣就可以用超聲波流量計代替密度計，解決處理混油段技術(shù)。
      6.2 標準體積管實流標定超聲波流量技術(shù)
      雙向標準體積管是一種標準容積式機械設備，在U型標準管段進出口上裝有兩個(或四個)檢測開關(guān)，一個排液球或者活塞。當觸動第一個檢測開關(guān)時，排液球進入標準段，當這個球觸動U型管另一端第二個檢測開關(guān)時，排液球離開標準段。
      超聲波流量計的測量原理決定了脈沖和真實流速(流量)有一個固定延時。而管道中的流體擾動是很復雜的，它包括多次擾動渦流和非軸向速度成分，超聲波流量計沿著一個或多個采樣聲道，通過超聲波發(fā)射器和接收器上的正反向時差，檢測并推導計算出流體流速。上述原因，檢定一臺超聲波流量計性能是否穩(wěn)定，應該有如下特點需要設計工程師注意：
      (1)為了使被檢測超聲波流量計儀表系數(shù)的不準確度控制在±0.027%，建議設計工程師在計量系統(tǒng)設計中應該考慮超聲波流量計的公稱通徑和標定運行次數(shù)來選擇雙向標準體積管的標準容積其關(guān)系如表3所示：

表3 建議的體積管標準容積

      (2) 在每次的標定過程中，排液球在觸發(fā)第一個檢測開關(guān)之前，開始記錄被檢超聲波流量計發(fā)出的脈沖信號，應該保持介質(zhì)流速穩(wěn)定在被檢超聲波流量計的這個流量點上，否則有可能造成超聲波流量計較差的重復性或者流量計增益的系統(tǒng)誤差。
      (3) 換向四通閥在換向介質(zhì)進入U型管段時應該處于流量和壓力穩(wěn)定狀態(tài)下。如果驅(qū)動排液球進入標準體積管檢測開關(guān)時，排液球觸發(fā)檢測開關(guān)之前直接產(chǎn)生擾動流。這將大大降低超聲波流量計的儀表系數(shù)和重復性。
     7 結(jié)論
     綜上所述，使用氣體超聲波流量計比使用孔板流量計無論從安全性能、技術(shù)性能還是從一次性投資以及長期運行費用上都有很大的優(yōu)勢。由于說明問題的需要，本文中計算和實例均選用較大用氣量進行比較，實際通過比較計算一般DN200口徑以上流量計選用氣體超聲波流量計具有較大優(yōu)勢，DN150特別是以下流量計的選取由于氣體超聲波流量計本身價格因素使用孔板流量計更為經(jīng)濟，但從保證計量精度出發(fā)也推薦選用更精確的計量儀表。