超聲波流量計(jì)在工業(yè)鍋爐能效測(cè)試中的應(yīng)用
發(fā)布時(shí)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(yè)鍋爐設(shè)計(jì)和制造水平取得了長足的發(fā)展，但鍋爐效率與世界先進(jìn)國家相比仍然存在一定差距。國家質(zhì)檢總局2010年8月頒布了TSG G0003-2010《工業(yè)鍋爐能效測(cè)試與評(píng)價(jià)規(guī)則》標(biāo)準(zhǔn)，提出了工業(yè)鍋爐能效測(cè)試方法。
工業(yè)鍋爐能效測(cè)試是鍋爐節(jié)能減排的基礎(chǔ)，是計(jì)算工業(yè)鍋爐熱效率、鍋爐出力的重要手段，而鍋爐給水流量及循環(huán)水流量則直接決定了鍋爐出力，進(jìn)而影響鍋爐熱效率，因此精確測(cè)量鍋爐給水流量對(duì)鍋爐能效測(cè)試至關(guān)重要。測(cè)量給水流量通常采用渦輪、渦街、孔板等流量計(jì)，但這些流量計(jì)在安裝前需要鍋爐停爐，安裝過程中容易導(dǎo)致介質(zhì)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(jì)測(cè)量給水流量。
1 流量計(jì)概述
流量計(jì)是指可以計(jì)量管道內(nèi)液體流量的裝置，能夠測(cè)量瞬時(shí)流量和總流量。按照設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和原理的不同，流量計(jì)主要可分為機(jī)械式、電磁式、超聲波式三類，基本原理分別為：
1.1 機(jī)械式流量計(jì)
機(jī)械式流量計(jì)利用水流流經(jīng)流量計(jì)的葉輪時(shí)，推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，水的流速越大，葉輪的轉(zhuǎn)速越高，通過測(cè)量葉輪的轉(zhuǎn)速即可得出水的流速。由于機(jī)械式流量計(jì)存在轉(zhuǎn)動(dòng)部件葉輪，若設(shè)計(jì)不當(dāng)，使用壽命和測(cè)量精度將低于電磁式和超聲波流量計(jì)。但機(jī)械式流量計(jì)克服了電磁式流量計(jì)耗電量大且對(duì)水流導(dǎo)電率有要求的缺點(diǎn)，特別是機(jī)械式流量計(jì)的造價(jià)遠(yuǎn)低于電磁式和超聲波流量計(jì)。
1.2 電磁式流量計(jì)
電磁式流量計(jì)根據(jù)法拉第定律，當(dāng)具有導(dǎo)電性的水流通過電磁場(chǎng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，水的流速越高，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就越大，通過測(cè)量感動(dòng)電動(dòng)勢(shì)即可得出管道內(nèi)水流速度，然后由水的密度和管徑即可確定管道內(nèi)水的流量。電磁式流量計(jì)因無轉(zhuǎn)動(dòng)部件，即無磨損部件，使用壽命長，且測(cè)量精度高。但也存在缺點(diǎn)，它對(duì)水流的導(dǎo)電率有要求，水溫的變化引起水流導(dǎo)電率變化，從而影響對(duì)水流流速的測(cè)量精度。
1.3 超聲波流量計(jì)
超聲波流量計(jì)利用超聲波在管道內(nèi)順?biāo)髋c逆水流的傳播速率不同，測(cè)量管道內(nèi)水的流速，水的流速越高，超聲波在管道內(nèi)順?biāo)髋c逆水流的傳播速率相差就越大，在相同長度內(nèi)，測(cè)量超聲波順?biāo)骱湍嫠鞯膫鞑r(shí)間差，就可以得出管道內(nèi)水流的流速。
2 時(shí)差法超聲波流量計(jì)工作原理
超聲波流量計(jì)是一種非接觸式儀表，它既可測(cè)量不同管徑介質(zhì)流量，又可測(cè)量各種不宜接觸的介質(zhì)流量。超聲波流量計(jì)按其測(cè)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(shí)差法、相差法和頻差法。其中，時(shí)差法是目前超聲波流量計(jì)所采用的技術(shù)方法，和傳統(tǒng)的機(jī)械式流量計(jì)和電磁式流量計(jì)相比，其計(jì)量精度高，幾乎不受被測(cè)介質(zhì)的各種參數(shù)的干擾。對(duì)管徑的適應(yīng)性強(qiáng)，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(qiáng)腐蝕性、非導(dǎo)電性、放射性及易燃易爆介質(zhì)的流量測(cè)量問題。
時(shí)差法超聲波流量計(jì)是利用流體的流動(dòng)對(duì)超聲波在管道中傳播時(shí)間的影響，計(jì)算流體的流速和流量的一種方法。當(dāng)超聲波在液體管道中傳輸?shù)姆较蚺c液體流動(dòng)的方向相同，其聲波傳播速度會(huì)被液體輕微加速，反之會(huì)被輕微的降低。時(shí)差法超聲波流量計(jì)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(dòng)方向夾角為θ。由于流體流動(dòng)原因，超聲波傳輸相同的距離L而方向不同時(shí)，其所用的時(shí)間也不相同。兩方向時(shí)間的差值正比于管道中液體流速。因此，通過觀測(cè)超聲波在介質(zhì)中的順流和逆流傳播時(shí)間差來間接測(cè)量流體的流速，再通過流速來計(jì)算流量。
3 時(shí)差法超聲波流量計(jì)的影響因素
超聲波流量計(jì)主要受現(xiàn)場(chǎng)安裝質(zhì)量和安裝環(huán)境、管道參數(shù)等因素的影響，有時(shí)可以產(chǎn)生較大誤差。因此，只有消除不穩(wěn)定因素，才能提高測(cè)量準(zhǔn)確性。
3.1 現(xiàn)場(chǎng)安裝質(zhì)量和安裝環(huán)境的影響
超聲流量計(jì)在安裝時(shí)，最佳的測(cè)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(jì)前直管段至少10倍管道直徑，后至少5倍管道直徑，流量計(jì)盡量安裝在垂直直管段上，且流體自下而上，避免出現(xiàn)非滿管狀態(tài)。但是，在工業(yè)鍋爐能效測(cè)試中，很難找到符合上述要求的測(cè)點(diǎn)位置。
另外，在工業(yè)鍋爐能效測(cè)試中，鍋爐給水泵、控制閥門、管道彎頭、上煤系統(tǒng)、除渣系統(tǒng)等引起的震動(dòng)都會(huì)對(duì)超聲波流量計(jì)的測(cè)量精度產(chǎn)生影響，因此在流量計(jì)安裝時(shí)要避免上述噪聲源及震動(dòng)源，選擇影響較小的直管段。在安裝中管道麗的氣泡也會(huì)反射超聲波信號(hào)，使測(cè)量產(chǎn)生誤差。一般氣泡存在于管道的上方，因此流量計(jì)要與水平面成45度角安裝，減少誤差。
3.2 管道參數(shù)輸入的影響
在超聲波流量計(jì)安裝時(shí)，需要在流量計(jì)的主機(jī)中輸入管道外徑、管道壁厚、液體溫度等所需參數(shù)。在測(cè)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(shù)不變，其測(cè)量的流量會(huì)有不同，見表2所示。
從表2可以看出，輸入管道外徑相對(duì)誤差為正值時(shí)，其流量值隨著相對(duì)誤差的增大而有增大趨勢(shì);當(dāng)輸入管道外徑相對(duì)誤差為負(fù)值時(shí)，其趨勢(shì)相同。也就是說，當(dāng)管道外徑測(cè)量的誤差增大時(shí)，管道的橫截面積誤差也在增大，導(dǎo)致流量誤差增大。
按上述方法，在測(cè)量管道不變的情況下，分別改變?chǔ)?7×3.5管道的管道壁厚和液體溫度，同時(shí)保持其他參數(shù)不變，其測(cè)量的流量分別見表3和表4所示。
從表3可以看出，測(cè)量流量值隨著管道壁厚的增加而減少，但減少的數(shù)值不大。由此可以得出，管道壁厚對(duì)超聲波流量計(jì)的流量測(cè)量有一定影響。而表4則能表明，液體溫度對(duì)流量的影響比較小。
4 結(jié)語
目前，超聲波流量計(jì)隨著測(cè)量精度的不斷提高，已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、石化、環(huán)保、造紙、電力等領(lǐng)域。在工業(yè)鍋爐能效測(cè)試中，要確保流量計(jì)的安裝質(zhì)量和環(huán)境要求，正確輸入所需參數(shù)以降低測(cè)量誤差，保證上述的不確定因素，就能提高流量測(cè)量的準(zhǔn)確性。
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