蒸汽質量超聲流量計的應用

付榮申

（中國五環工程有限公司，武漢430223）

Shell煤氣化作為一種潔凈、高效的煤氣化技術被廣泛應用。該技術中的關鍵設備——汽包（V－1304）分為大室和小室，兩室之間上部隔斷，下部連通，如圖1所示。兩室頂端連通并需設置一臺流量計，該流量計即起到平衡閥的作用，又可以準確地測量兩室之間蒸汽的體積流量，該流量是控制汽化爐內溫度的重要參數。因此，選擇一款恰當的流量計，對于整個煤氣化過程至關重要。

圖1 汽包大小室結構示意

此處工藝介質為高溫、高壓飽和蒸汽，工藝參數：操作溫度272.2℃，操作表壓為5.6MPa，最大流量10.3t／h，正常流量3.6t／h，最小流量720kg／h，密度29.1kg／m3，管徑DN100mm。工藝過程決定了所選用的流量計應具有雙向流量測量功能，變送器要有三輸出功能。由于該流量計的安裝高度較高，也應考慮其維護的方便性。

綜上所述，選擇一種低維護、壓損低、精度高、范圍度寬、雙向流量測量的蒸汽流量計成為關鍵，因而選擇三聲道蒸汽質量超聲波流量計作為此處的測量儀表［1－3］。

1 測量原理

GE的GS868蒸汽質量超聲波流量計采用BWT（The Bundle Waveguide Technology）技術的探頭，并使用受專利保護的互相關時差技術（Correlation Transit－Time TM），可提供精確、無漂移的超聲流量測量，對蒸汽流動無阻礙。

互相關時差法超聲波流量計工作原理［4－8］如圖2所示。2臺小型傳感器被安裝于管線或管道上，一臺位于另一臺的上游，傳感器發射和接收穿過蒸汽的超聲信號。流量計測量順流和逆流的超聲波傳播時間差，并做數字信號處理和互相關測定，計算流體的流速和體積流量，還可以利用輸入的溫度和壓力值，以及內置的蒸汽對照表，計算蒸汽質量流量。

圖2 互相關時差法測量技術

圖2中，順流換能器和逆流換能器分別安裝在流體管線的兩側并相距一定距離，管線的內徑為D，超聲波傳播的路徑長度為L，超聲波順流傳播距離L的時間為Td，逆流傳播距離L的時間為Tu，超聲波的傳播方向與流體的流動方向夾角為?。Td和Tu可用式（1）表示：

式中：c——超聲波在非流動介質中的聲速；v——流體介質的流動速度。

Tu和Td之間的差如式（2）所示：

式中：X——兩個換能器在管線方向上的距離，X＝Lcos?。

為了簡化計算，假設v遠遠小于c，即：

因此，式（2）可簡化為：

同時可以推導出：

由此可見，當c和X為固定的常數時，v與ΔT成正比。qV就可以用式（3）表示：

以上測得的是體積流量，在引入流體的溫度、壓力、相對分子質量等測量值進行補償運算后就可以得到精度比較高的質量流量。

2 性能特點

2.1 無壓力降與低維護

蒸汽體積流量測量通常都產生永久性的壓力降，并且測量范圍有限。GS868蒸汽質量超聲波流量計不和流體接觸，不會引起任何壓力降，它和孔板流量計、渦街流量計的永久壓損的對比見表1所列。該流量計沒有會造成積聚和污染的部件，也無被磨損的可動部件，因而無需潤滑，也無需或極少需要維護［9］。

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表1 不同流量計的永久壓損

2.2 范圍度寬

該流量計范圍度非常寬，可以達到150∶1，與其他流量計的比較見表2所列。其精度一般為讀數的±（1～2）%，但取決于管道尺寸、單聲道、兩聲道或三聲道測量，在一定條件下精度可達到±0.5%。

表2 不同流量計的范圍度

2.3 適用的管徑和流速范圍寬

該流量計具有較寬的管徑和流速范圍，其適用于管徑為50～1 200mm，流速為0.03～46m／s的飽和蒸汽或過熱蒸汽測量。

2.4 雙向流量測量

雙向流量測量是該流量計的另一個特點。由于該流量計運用互相關時差法進行流量測量，其測量原理決定了管道中無論是正向流或逆向流，根據互相關時差算法都能測量其流量。

2.5 其他性能優勢

該流量計系統本身還可以給出聲波的傳遞時間和聲速，可對流速、體積和質量流量等參數進行自診斷［10］，從而有助于排除故障。而且這些參數可以方便地打印、儲存，也可以以模擬量或數字量的形式發送到顯示器進行動態顯示。

3 安裝設計

該流量測量系統包括傳感器（每個聲道1對）、現場變送器和信號電纜。傳感器可以安裝在預先加工好的帶機械插拔裝置接口的測量管上，也可以通過熱鉆孔或冷鉆孔的方式直接在線將機械插拔裝置安裝在工藝管道上，采用法蘭與工藝管道連接。前者相對費用高，但安裝精度好，一般用于小口徑管道的應用。安裝于管線上的超聲波傳感器向氣體順流和逆流方向發射超聲波信號。

該流量計傳感器可水平安裝，也可垂直安裝，但介質中有固體顆粒時一般應水平安裝。傳感器不應安裝于流體自上而下的垂直管道上，因為此類管道由于流體重力會產生一定加速度，也有可能造成流體不滿管。傳感器安裝時還應遠離彎頭、異徑接頭、閥門、節流裝置，安裝點直管段應滿足前20D后10D（D為管道直徑）的要求，如有彎頭、異徑接頭、閥門、節流裝置，直管段應適當加長。

現場變送器一般就地放置于傳感器附近，以達到良好的信號傳遞作用。傳感器電纜最長可達150m。

4 結束語

蒸汽質量超聲波流量計的應用很好地解決了Shell煤氣化汽包大小室之間蒸汽介質的雙向流量測量問題，且已經在鶴壁600kt／a甲醇和同煤600kt／a甲醇等項目中得到應用。由于該流量計自身的特點，使其適用于蒸汽介質精確測量工況。當對控制系統安全性要求較高時，蒸汽質量超聲波流量計可采用兩聲道或三聲道形式測量。

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