超声波流量计在工业锅炉能效测试中的应用
发布时间：2023-07-29 10:32:50来源：hseauto.cn来源：..
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近二十年以来，我国工业锅炉设计和制造水平取得了长足的发展，但锅炉效率与世界先进国家相比仍然存在一定差距。国家质检总局2010年8月颁布了TSG G0003-2010《工业锅炉能效测试与评价规则》标准，提出了工业锅炉能效测试方法。
工业锅炉能效测试是锅炉节能减排的基础，是计算工业锅炉热效率、锅炉出力的重要手段，而锅炉给水流量及循环水流量则直接决定了锅炉出力，进而影响锅炉热效率，因此精确测量锅炉给水流量对锅炉能效测试至关重要。测量给水流量通常采用涡轮、涡街、孔板等流量计，但这些流量计在安装前需要锅炉停炉，安装过程中容易导致介质泄露等不安全因素。因此，目前较为普遍的是采用超声波流量计测量给水流量。
1 流量计概述
流量计是指可以计量管道内液体流量的装置，能够测量瞬时流量和总流量。按照设计结构和原理的不同，流量计主要可分为机械式、电磁式、超声波式三类，基本原理分别为：
1.1 机械式流量计
机械式流量计利用水流流经流量计的叶轮时，推动叶轮旋转，水的流速越大，叶轮的转速越高，通过测量叶轮的转速即可得出水的流速。由于机械式流量计存在转动部件叶轮，若设计不当，使用寿命和测量精度将低于电磁式和超声波流量计。但机械式流量计克服了电磁式流量计耗电量大且对水流导电率有要求的缺点，特别是机械式流量计的造价远低于电磁式和超声波流量计。
1.2 电磁式流量计
电磁式流量计根据法拉第定律，当具有导电性的水流通过电磁场时，会产生感应电动势，水的流速越高，产生的感应电动势就越大，通过测量感动电动势即可得出管道内水流速度，然后由水的密度和管径即可确定管道内水的流量。电磁式流量计因无转动部件，即无磨损部件，使用寿命长，且测量精度高。但也存在缺点，它对水流的导电率有要求，水温的变化引起水流导电率变化，从而影响对水流流速的测量精度。
1.3 超声波流量计
超声波流量计利用超声波在管道内顺水流与逆水流的传播速率不同，测量管道内水的流速，水的流速越高，超声波在管道内顺水流与逆水流的传播速率相差就越大，在相同长度内，测量超声波顺水流和逆水流的传播时间差，就可以得出管道内水流的流速。
2 时差法超声波流量计工作原理
超声波流量计是一种非接触式仪表，它既可测量不同管径介质流量，又可测量各种不宜接触的介质流量。超声波流量计按其测量原理又可分为：传播速度差法、多普勒法、噪声法、法束偏移法等几种。传播速度差法又包括时差法、相差法和频差法。其中，时差法是目前超声波流量计所采用的技术方法，和传统的机械式流量计和电磁式流量计相比，其计量精度高，几乎不受被测介质的各种参数的干扰。对管径的适应性强，各种尺寸的管径只要选用合适的夹具都可适用。非接触流体，可以解决其它仪表所不能的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。
时差法超声波流量计是利用流体的流动对超声波在管道中传播时间的影响，计算流体的流速和流量的一种方法。当超声波在液体管道中传输的方向与液体流动的方向相同，其声波传播速度会被液体轻微加速，反之会被轻微的降低。时差法超声波流量计工作原理示意图如图1所示，超声波路径長度为L，超声波的传播方向与流体的流动方向夹角为θ。由于流体流动原因，超声波传输相同的距离L而方向不同时，其所用的时间也不相同。两方向时间的差值正比于管道中液体流速。因此，通过观测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，再通过流速来计算流量。
3 时差法超声波流量计的影响因素
超声波流量计主要受现场安装质量和安装环境、管道参数等因素的影响，有时可以产生较大误差。因此，只有消除不稳定因素，才能提高测量准确性。
3.1 现场安装质量和安装环境的影响
超声流量计在安装时，最佳的测试效果是要求传感器置于至少离上游的干扰源20倍管道直径，离下游的干扰源10倍的管道直径。一般要求流量计前直管段至少10倍管道直径，后至少5倍管道直径，流量计尽量安装在垂直直管段上，且流体自下而上，避免出现非满管状态。但是，在工业锅炉能效测试中，很难找到符合上述要求的测点位置。
另外，在工业锅炉能效测试中，锅炉给水泵、控制阀门、管道弯头、上煤系统、除渣系统等引起的震动都会对超声波流量计的测量精度产生影响，因此在流量计安装时要避免上述噪声源及震动源，选择影响较小的直管段。在安装中管道丽的气泡也会反射超声波信号，使测量产生误差。一般气泡存在于管道的上方，因此流量计要与水平面成45度角安装，减少误差。
3.2 管道参数输入的影响
在超声波流量计安装时，需要在流量计的主机中输入管道外径、管道壁厚、液体温度等所需参数。在测量管道不变的情况下，输入不同的管道外径，保持管道壁厚为3.5mm，液体温度为15℃等参数不变，其测量的流量会有不同，见表2所示。
从表2可以看出，输入管道外径相对误差为正值时，其流量值随着相对误差的增大而有增大趋势;当输入管道外径相对误差为负值时，其趋势相同。也就是说，当管道外径测量的误差增大时，管道的横截面积误差也在增大，导致流量误差增大。
按上述方法，在测量管道不变的情况下，分别改变Φ57×3.5管道的管道壁厚和液体温度，同时保持其他参数不变，其测量的流量分别见表3和表4所示。
从表3可以看出，测量流量值随着管道壁厚的增加而减少，但减少的数值不大。由此可以得出，管道壁厚对超声波流量计的流量测量有一定影响。而表4则能表明，液体温度对流量的影响比较小。
4 结语
目前，超声波流量计随着测量精度的不断提高，已被广泛应用于医药、石化、环保、造纸、电力等领域。在工业锅炉能效测试中，要确保流量计的安装质量和环境要求，正确输入所需参数以降低测量误差，保证上述的不确定因素，就能提高流量测量的准确性。
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