摘要：本文通過大量詳實(shí)的理論推導(dǎo)、可信的應(yīng)用實(shí)例，經(jīng)過技術(shù)性能、現(xiàn)場安裝使用、長期使用、經(jīng)濟(jì)性幾個(gè)方面的比較詳細(xì)論述了超聲波流量計(jì)與孔板流量計(jì)的優(yōu)劣，提出高壓、大流量計(jì)量優(yōu)先選用超聲波流量計(jì)的建議，并闡述了時(shí)差法超聲波流量計(jì)測量成品油和標(biāo)準(zhǔn)體積管實(shí)流標(biāo)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(shí)踐中，孔板流量計(jì)特別是高級(jí)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(jì)量方面，孔板流量計(jì)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(jì)在國外取得理論和實(shí)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(yàn)。特別是超聲波流量計(jì)在高壓、大流量場合具有明顯優(yōu)勢，大有取代高級(jí)孔板閥之勢。由于認(rèn)識(shí)的誤區(qū)很多人認(rèn)為超聲波流量計(jì)性能好但價(jià)格昂貴，事實(shí)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(jì)的使用要求
      孔板流量計(jì)（流量與差壓的平方成正比）的使用條件、使用范圍和對(duì)管道的要求：
      (1) 流體：應(yīng)是單相、均質(zhì)的牛頓流體，在通過節(jié)流裝置時(shí)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(yán)格符合具體規(guī)定。
      (3) 流態(tài)：流動(dòng)應(yīng)是連續(xù)、穩(wěn)定的，不是脈動(dòng)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(jì)與孔板流量計(jì)技術(shù)性能的比較

      2.1 量程比
      由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，孔板流量計(jì)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(dá)1：10，而超聲波流量計(jì)沒有任何阻流件，其量程比可達(dá)1 ：200。
      這兩個(gè)數(shù)據(jù)表明：如果實(shí)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(jì)只需要一路工藝計(jì)量回路就可以實(shí)現(xiàn)，如果采用孔板流量計(jì)，需要多路才能實(shí)現(xiàn)。
      2.2 壓損
      由于孔板流量計(jì)的結(jié)構(gòu)有阻流件，超聲波流量計(jì)沒有阻流件，那么顯而易見：孔板流量計(jì)的壓損很大，超聲波流量計(jì)壓損實(shí)際可以忽略不計(jì)。節(jié)流裝置能耗計(jì)算如下：
      以下以1 個(gè)典型用戶用氣參數(shù)進(jìn)行能耗計(jì)算：用氣量160× 104m3/d，用氣壓力0.6MPa。
      節(jié)流裝置壓力損失計(jì)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(jì)算式：（壓縮機(jī)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(jì)的計(jì)量精度理論上可以達(dá)到1%，但是通過大量的實(shí)踐證明，由于孔板流量計(jì)抗干擾能力較差，現(xiàn)場精度最高能達(dá)到2%，一般情況下在3% 左右。超聲波流量計(jì)的精度則可以達(dá)到0.5% 甚至更高。
      2.4 測脈動(dòng)流
      由于孔板流量計(jì)是靠孔板前后的差壓信號(hào)來實(shí)現(xiàn)流量測量的，脈動(dòng)流會(huì)使孔板前后的差壓不準(zhǔn)， 所以孔板流量計(jì)不適合測脈動(dòng)流， 而超聲波流量計(jì)可以測量脈動(dòng)流的強(qiáng)度并消除其干擾，所以它適合測脈動(dòng)流。
      2.5 測雙向流
      孔板流量計(jì)依據(jù)一個(gè)節(jié)流元件來實(shí)現(xiàn)測量目的， 這個(gè)節(jié)流元件具有嚴(yán)格的方向性，因此孔板流量計(jì)無法測雙向流。超聲波流量計(jì)只與超聲信號(hào)在流體中的傳播時(shí)間有關(guān)，因此可以測雙向流。
      2.6 測濕氣體
      孔板流量計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)不可能準(zhǔn)確測量氣體的流量。超聲波流量計(jì)具有自檢測功能，如果所測量氣體為濕氣體，對(duì)超聲波流量計(jì)產(chǎn)生影響時(shí)，儀表本身可以修正，因此超聲波流量計(jì)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(jì)量管路
      孔板流量計(jì)本身有阻流件， 清洗球無法通過，因此孔板流量計(jì)安裝在管線上時(shí)無法在線清洗計(jì)量管路，只有拆除孔板流量計(jì)才能清洗管路。而對(duì)超聲波流量計(jì)來說，不存在這樣的問題。
      2.8 渦流影響
      孔板流量計(jì)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(jì)對(duì)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(biāo)準(zhǔn)ISO 5167已經(jīng)對(duì)孔板流量計(jì)上游直管段的長度作了更高的規(guī)定：孔板流量計(jì)上游直管段至少要有44D，若孔板流量計(jì)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(jì)量學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)及發(fā)展趨勢》（《中國計(jì)量》2002 年）或ISO 5167-2）。英國烴源公司下屬的南莫克姆天然氣計(jì)量站改造時(shí)， 請(qǐng)英國國家工程實(shí)驗(yàn)室（NEL）做了詳細(xì)的流體動(dòng)力學(xué)分析， NEL經(jīng)過大量試驗(yàn)得出結(jié)論：原ISO5167規(guī)定的上游18D直管段確實(shí)無法滿足對(duì)計(jì)量精度的要求，修改后的ISO5167-2對(duì)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(jì)本身具有對(duì)渦流強(qiáng)度的分析能力，可以消除渦流對(duì)流量測量的影響，對(duì)渦流不敏感。
      2.9 流速分布的影響
      孔板流量計(jì)由于結(jié)構(gòu)原理的限制，要求測量時(shí)流速分布均勻，但是由于現(xiàn)場計(jì)量管路的復(fù)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(jì)對(duì)流速分布不對(duì)稱非常敏感。
超聲波流量計(jì)可以修正流速分布不對(duì)稱的現(xiàn)象。
      2.10 重復(fù)性
      對(duì)于孔板流量計(jì)而言，隨著使用過程中孔板邊緣的磨損，孔板流量計(jì)的精度和重復(fù)性都會(huì)下降，而超聲波流量計(jì)無壓損、無示值漂移現(xiàn)象，重復(fù)性高。
      2.11 工藝管路復(fù)雜性比較
      對(duì)于孔板流量計(jì)，由于量程比窄，計(jì)量管路多，而且上、下游直管段長，現(xiàn)場工藝管路復(fù)雜。
      超聲波流量計(jì)量程比寬，上、下游直管段短，工藝管路簡單。
       2.12 維修維護(hù)率比較
      孔板流量計(jì)有阻流件，上游易積液、對(duì)高含硫的天然氣，其孔板磨損快，維修維護(hù)率高。
      超聲波流量計(jì)無可動(dòng)部件，特殊材料的超聲探頭可以抗H2S 的腐蝕，維護(hù)簡單。
      2.13 一次性投資比較
      孔板流量計(jì)由于量程比窄，對(duì)于相同的流量計(jì)量要求，其計(jì)量管路多，雖然直接的計(jì)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(jì)單表價(jià)格高于孔板流量計(jì)，但是由于量程比寬，整個(gè)計(jì)量回路少，實(shí)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(jì)上有直管段至少要有44D，若孔板流量計(jì)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(jì)量學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)及發(fā)展趨勢》（《中國計(jì)量》2002 年）或ISO 5167-2）。
      超聲波流量計(jì)上、下游直管段要求為10D、5D（《用氣體超聲波流量計(jì)測量天然氣的流量》— 國標(biāo)GB/T 18604-2001）。
      (2) 安裝的影響
      對(duì)于孔板流量計(jì)，安裝條件直接影響其計(jì)量精度，對(duì)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(jì)的原理決定其現(xiàn)場使用條件必須與設(shè)計(jì)條件相符，壓力、流量的適應(yīng)性差。
      超聲波流量計(jì)對(duì)現(xiàn)場的適應(yīng)性極強(qiáng)，對(duì)壓力、流量的波動(dòng)不敏感，有較強(qiáng)的過載能力。
      4 長期使用的比較
      (1) 精度變化
      孔板流量計(jì)由于長期使用，孔板入口邊緣磨損，孔板彎曲變形，都會(huì)使精度喪失。
      超聲波流量計(jì)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(jì)由節(jié)流件，長期使用時(shí)，臟污物將堆積在孔板的上游，造成差壓信號(hào)不準(zhǔn)，直接影響計(jì)量精度。臟污和孔板鈍化可造成計(jì)量偏差2～10% 以上。
      超聲波流量計(jì)為中空管段，探頭在儀表上部，臟污不易影響探頭工作，不會(huì)影響計(jì)量精度，而且流量計(jì)可以檢測臟污情況并修正和報(bào)警提示、及時(shí)進(jìn)行清洗。
      (3) 故障排除
      由于孔板流量計(jì)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(jì)本身具有很強(qiáng)的自診斷功能，一旦不在正常狀況就會(huì)報(bào)警，并自動(dòng)記錄報(bào)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(jì)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(jì)只需要備一套探頭，可替換使用。
      (5) 日常維護(hù)
      孔板流量計(jì)需要經(jīng)常維護(hù)，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(zhǔn)，難以保證計(jì)量精度。超聲波流量計(jì)則可免維護(hù)，自檢功能強(qiáng)大。
      (6) 強(qiáng)檢周期
      孔板流量計(jì)一年一檢，一般采用幾何檢定法。超聲波流量計(jì)3年一檢，可以實(shí)現(xiàn)在線標(biāo)定。
      5 經(jīng)濟(jì)性的比較
      5.1 一次性投資
      由于氣體超聲波流量計(jì)有量程比寬的特點(diǎn)，相對(duì)于孔板流量計(jì)可以簡化工藝管路， 相關(guān)的調(diào)壓設(shè)備、閥門、變送器等都相應(yīng)減少，大大節(jié)省了投資。
       另外，由于超聲波流量計(jì)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(jì)與超聲波流量計(jì)占空(占地)及費(fèi)用比較

      如圖1 所示，若孔板流量計(jì)的直管段按44D 計(jì)算，要完成Q=48000m3/h ， T= 40°C，Pmin=30Bar 這樣條件的測量任務(wù)，孔板流量計(jì)需要四路24 英寸的工藝管線，8 個(gè)閥門，占地面積為333 平米，而使用超聲波流量計(jì)只需要2 路30 英寸的工藝管線，4 個(gè)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(dá)5000 萬N m3/h，該站采用6 路孔板流量計(jì)最初1985 年投運(yùn)，1998改造時(shí)用3路超聲替代孔板，實(shí)踐證明無論從計(jì)量精度、維護(hù)費(fèi)用還是日常操作上，超聲波流量計(jì)比孔板流量計(jì)都有很大優(yōu)勢。
      5.2 長期運(yùn)行費(fèi)用
      由于流量計(jì)長期運(yùn)行時(shí)，有以下幾方面的費(fèi)用：設(shè)備維護(hù)費(fèi)，標(biāo)定費(fèi)用，更換部件費(fèi)用以及操作人員人工費(fèi)用等。
      (1) 設(shè)備維護(hù)費(fèi)
      由于超聲波流量計(jì)為免維護(hù)儀表，而孔板流量計(jì)需要經(jīng)常維護(hù)，因此后者的維護(hù)費(fèi)用大大高于前者。
      (2) 標(biāo)定費(fèi)用
      孔板流量計(jì)僅為標(biāo)定差壓變送器就花費(fèi)很大的人力物力，再加上孔板流量計(jì)需要配密度計(jì)， 每年一次標(biāo)密度計(jì)也要增加標(biāo)定費(fèi)用。此外，孔板流量計(jì)雖然可以采用幾何檢定的干標(biāo)模式進(jìn)行檢定，但是檢定完重新安裝回去時(shí)很難保證同心度。
      (3) 孔板流量計(jì)需要經(jīng)常更換節(jié)流件，成本因而增加；超聲波流量計(jì)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(jì)壓損很大，增加了壓縮機(jī)的負(fù)荷，經(jīng)多年實(shí)踐證明，運(yùn)行費(fèi)用隨壓損的增加而上升。
      (5) 操作人員人工費(fèi)孔板流量計(jì)需要維護(hù)、切換等操作，人工費(fèi)用很多，而超聲波流量計(jì)無人值守，基本不需要維護(hù)，因此用于超聲波流量計(jì)運(yùn)行維護(hù)的費(fèi)用將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于孔板流量計(jì)。
      6 超聲波流量計(jì)在石油化工計(jì)量中的應(yīng)用
      6.1 時(shí)差法超聲波流量計(jì)測量成品油
      超聲流量計(jì)是一種推導(dǎo)式流量計(jì)，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(shí)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(shí)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(dǎo)出
V=(L/2cosθ)*[(T2-T1)/(T1*T2)]

  圖2 時(shí)差法超聲波流量計(jì)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(shí)際管道運(yùn)行中總會(huì)存在有匯管、大小變徑管、三通和彎頭等，實(shí)際運(yùn)行中不可避免的會(huì)產(chǎn)生在被測截面上的不對(duì)稱流、橫向流和旋渦流，這將大大降低平均流速的測量準(zhǔn)確度。智能化的超聲波流量計(jì)采用多聲道測量，并通過智能檢定軟件的診斷和報(bào)警功能監(jiān)測流量計(jì)運(yùn)行狀態(tài)；調(diào)節(jié)各聲道的自動(dòng)增益；測量各聲道的流速分布及每一個(gè)聲道的聲速計(jì)算，以便校正橫向流、旋渦流和不對(duì)稱流；當(dāng)被測液體密度、粘度變化時(shí)，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(jì)代替密度計(jì)，解決處理混油段技術(shù)。
      6.2 標(biāo)準(zhǔn)體積管實(shí)流標(biāo)定超聲波流量技術(shù)
      雙向標(biāo)準(zhǔn)體積管是一種標(biāo)準(zhǔn)容積式機(jī)械設(shè)備，在U型標(biāo)準(zhǔn)管段進(jìn)出口上裝有兩個(gè)(或四個(gè))檢測開關(guān)，一個(gè)排液球或者活塞。當(dāng)觸動(dòng)第一個(gè)檢測開關(guān)時(shí)，排液球進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)段，當(dāng)這個(gè)球觸動(dòng)U型管另一端第二個(gè)檢測開關(guān)時(shí)，排液球離開標(biāo)準(zhǔn)段。
      超聲波流量計(jì)的測量原理決定了脈沖和真實(shí)流速(流量)有一個(gè)固定延時(shí)。而管道中的流體擾動(dòng)是很復(fù)雜的，它包括多次擾動(dòng)渦流和非軸向速度成分，超聲波流量計(jì)沿著一個(gè)或多個(gè)采樣聲道，通過超聲波發(fā)射器和接收器上的正反向時(shí)差，檢測并推導(dǎo)計(jì)算出流體流速。上述原因，檢定一臺(tái)超聲波流量計(jì)性能是否穩(wěn)定，應(yīng)該有如下特點(diǎn)需要設(shè)計(jì)工程師注意：
      (1)為了使被檢測超聲波流量計(jì)儀表系數(shù)的不準(zhǔn)確度控制在±0.027%，建議設(shè)計(jì)工程師在計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮超聲波流量計(jì)的公稱通徑和標(biāo)定運(yùn)行次數(shù)來選擇雙向標(biāo)準(zhǔn)體積管的標(biāo)準(zhǔn)容積其關(guān)系如表3所示：

表3 建議的體積管標(biāo)準(zhǔn)容積

      (2) 在每次的標(biāo)定過程中，排液球在觸發(fā)第一個(gè)檢測開關(guān)之前，開始記錄被檢超聲波流量計(jì)發(fā)出的脈沖信號(hào)，應(yīng)該保持介質(zhì)流速穩(wěn)定在被檢超聲波流量計(jì)的這個(gè)流量點(diǎn)上，否則有可能造成超聲波流量計(jì)較差的重復(fù)性或者流量計(jì)增益的系統(tǒng)誤差。
      (3) 換向四通閥在換向介質(zhì)進(jìn)入U(xiǎn)型管段時(shí)應(yīng)該處于流量和壓力穩(wěn)定狀態(tài)下。如果驅(qū)動(dòng)排液球進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)體積管檢測開關(guān)時(shí)，排液球觸發(fā)檢測開關(guān)之前直接產(chǎn)生擾動(dòng)流。這將大大降低超聲波流量計(jì)的儀表系數(shù)和重復(fù)性。
     7 結(jié)論
     綜上所述，使用氣體超聲波流量計(jì)比使用孔板流量計(jì)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(yùn)行費(fèi)用上都有很大的優(yōu)勢。由于說明問題的需要，本文中計(jì)算和實(shí)例均選用較大用氣量進(jìn)行比較，實(shí)際通過比較計(jì)算一般DN200口徑以上流量計(jì)選用氣體超聲波流量計(jì)具有較大優(yōu)勢，DN150特別是以下流量計(jì)的選取由于氣體超聲波流量計(jì)本身價(jià)格因素使用孔板流量計(jì)更為經(jīng)濟(jì)，但從保證計(jì)量精度出發(fā)也推薦選用更精確的計(jì)量儀表。