摘 要： 本文說(shuō)明了流量測(cè)量技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的重要性，寫出了流量測(cè)量方法的分類及相關(guān)概念。分析流量測(cè)量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)，對(duì)四種常用流量計(jì)的機(jī)構(gòu)及原理進(jìn)行研究。介紹了流量測(cè)量技術(shù)在電廠中的應(yīng)用，并寫出了流量計(jì)的選型需要考慮因素。對(duì)流量測(cè)量技術(shù)進(jìn)行綜述。
關(guān)鍵字： 流量測(cè)量 流量計(jì) 原理 選型 趨勢(shì)
1 引言
流量測(cè)量是工業(yè)過(guò)程測(cè)量中的一個(gè)重要參數(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)中承擔(dān)著兩類重要任務(wù)：其一為流體物資貿(mào)易核算儲(chǔ)運(yùn)管理和污水廢氣排放控制的總量計(jì)量；其二為流程工業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低成本以及水利工程和環(huán)境保護(hù)等作必要的流量檢測(cè)和控制。
流量測(cè)量涉及廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。過(guò)程測(cè)量、能源計(jì)量、環(huán)境保護(hù)、交通運(yùn)輸?shù)雀吆哪茴I(lǐng)域?qū)α髁繙y(cè)量的需求急速增長(zhǎng)，為流量測(cè)量技術(shù)提出了新的要求。不僅要求流量測(cè)量?jī)x表耐高溫高壓，而且能自動(dòng)補(bǔ)償參數(shù)變化對(duì)測(cè)量精度的影響，從節(jié)約能源、成本核算、貿(mào)易往來(lái)及醫(yī)藥衛(wèi)生等方面的特殊要求考慮，要求流量測(cè)量精度高、壓損小、可靠性高。新技術(shù)、新器件、新材料和新工藝及新軟件的開發(fā)應(yīng)用，使得流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度越來(lái)越高，流量的測(cè)量范圍越來(lái)越廣。同時(shí)流量計(jì)對(duì)測(cè)量介質(zhì)的要求在降低，適用范圍也越來(lái)越寬，智能化程度及可靠性得到了很大的提高。
2 流量的測(cè)量
2.1 流量測(cè)量的概念及方法分類
介質(zhì)在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)給定的通道或管道橫截面的量叫做通過(guò)該截面的流量。流量的讀數(shù)可以是質(zhì)量單位或容積單位。流量也是總量除以時(shí)間的商。反之，總量可以看作流量與時(shí)間的積。流量與總量都是物理量，彼此通過(guò)時(shí)間相聯(lián)系。
流量測(cè)量方法大致可以歸納為以下四種：利用伯努利方程原理，通過(guò)測(cè)量流體差壓信號(hào)來(lái)反映流量的差壓式流量測(cè)量法，用這種方法制成的儀表如轉(zhuǎn)子流量計(jì)、靶式流量計(jì)、彎管流量計(jì)等；通過(guò)直接測(cè)量流體流速來(lái)得出流量的速度式流量測(cè)量法，用這種方法制成的儀表如渦輪流量計(jì)、渦街流量計(jì)、電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)等；利用標(biāo)準(zhǔn)小容積來(lái)連續(xù)測(cè)量流量的容積式測(cè)量，用這種方法制成的儀表如橢圓齒輪流量計(jì)、腰輪流量計(jì)、刮板流量計(jì)等；以測(cè)量流體質(zhì)量流量為目的的質(zhì)量流量測(cè)量法，用這種方法制成的儀表如熱式質(zhì)量流量計(jì)、科氏質(zhì)量流量計(jì)、沖量式質(zhì)量流量計(jì)等。
2.2 國(guó)內(nèi)外新成果舉例
2007年清華大學(xué)高晉元教授發(fā)表《參數(shù)估計(jì)法測(cè)量?jī)上嗔髁魉佟芬晃模岢鲞\(yùn)用模型參數(shù)估計(jì)可直接辨識(shí)隨機(jī)流動(dòng)噪聲的渡越時(shí)間，能起到在時(shí)域?qū)鞲衅餍盘?hào)進(jìn)行預(yù)濾波的作用，推動(dòng)了我國(guó)在相關(guān)流量測(cè)量技術(shù)上的進(jìn)步。
巴西的Pereira所設(shè)計(jì)的改進(jìn)的音速噴嘴是一種新型的音速文丘里噴嘴。它的喉部和擴(kuò)散管是分別加工的，因此便于制造，而且測(cè)量各部件的幾何形狀和尺寸也更方便；俄羅斯Kopp等人的基于流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子懸浮的速度式流量傳感器，十分引人注目；日本Yamada等人將鎧裝溫度計(jì)插在孔板的差壓檢測(cè)部位，并測(cè)試其對(duì)差壓測(cè)量值的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)對(duì)差壓測(cè)量放幾乎沒(méi)有影響。這就使帶溫壓自動(dòng)補(bǔ)償功能的差壓變送器的開發(fā)成為可能。
3 常用流量計(jì)簡(jiǎn)介
3.1 節(jié)流式流量計(jì)
節(jié)流式流量計(jì)是一種典型的差壓流量計(jì)。是目前工業(yè)生產(chǎn)中用來(lái)測(cè)量氣體、液體和蒸汽流量的最常用的一種流量?jī)x表。節(jié)流式流量計(jì)通常由能將流體流量轉(zhuǎn)換成差壓信號(hào)的節(jié)流裝置及測(cè)量差壓并顯示流量的差壓計(jì)組成。如圖1所示。
節(jié)流式流量計(jì)基于流體流經(jīng)管內(nèi)固定的節(jié)流元件時(shí)，在節(jié)流件前后產(chǎn)生了差壓，根據(jù)測(cè)量與流量有一定關(guān)系的差壓而確定被測(cè)流量的
大小。
測(cè)量原理：把流體流動(dòng)方程和連續(xù)性方程聯(lián)立得到體積流量公式如下：
式中：
p1、p2—選定兩截面上流體的靜壓力；
u1、u2—選定兩截面上流體的平均流速；
ρ1、ρ2—選定兩截面上流體的密度；
D、d'—選定兩截面上流束直徑；
由上式可知，在節(jié)流元件確定條件下，體積流量與差壓成正比，通過(guò)差壓檢測(cè)裝置檢測(cè)差壓后，經(jīng)計(jì)算就可得到體積流量的值。
3.2 電磁流量計(jì)
電磁流量計(jì)廣泛應(yīng)用于各種導(dǎo)電液體的體積流量測(cè)量，被測(cè)介質(zhì)在測(cè)量管內(nèi)，由于沒(méi)有阻滯部件，所以沒(méi)有壓力損失。而且此流量計(jì)無(wú)機(jī)械慣性，反應(yīng)靈敏，可測(cè)范圍大，而且線性較好，測(cè)量精度高，可直接進(jìn)行等分刻度，適用管徑范圍寬。
電磁流量計(jì)測(cè)量原理：設(shè)在均勻磁場(chǎng)中垂直于磁場(chǎng)方向放置一個(gè)直徑為D的管道。管道由不導(dǎo)磁材料制成，當(dāng)導(dǎo)電的液體在導(dǎo)管中流動(dòng)時(shí)，導(dǎo)電液體切割磁力線，因而在磁場(chǎng)及流動(dòng)方向上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，如安裝一對(duì)電極，則電極間產(chǎn)生與流速成正比的電位差。通過(guò)測(cè)量此電位差可求得流體流量。
流體流量方程為：
式中：
B—為磁感應(yīng)強(qiáng)度；D—管道內(nèi)徑；
u—流體平均流速；E—感應(yīng)電勢(shì)。
由式可知，當(dāng)測(cè)量管一定時(shí)，體積流量qv與比值E/B成正比，而與流體的狀態(tài)和物理參數(shù)無(wú)關(guān)，測(cè)量比值E/B即可得到體積流量qv。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B為恒定值時(shí)體積流量qv與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E成正比。通過(guò)測(cè)量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就可間接計(jì)算出流體體積流量。
3.3 渦街流量計(jì)
渦街流量計(jì)是60年代末出現(xiàn)的新型流量?jī)x表。具有精度高、量程比寬、使用壽命長(zhǎng)、壓力損失小等優(yōu)點(diǎn)深受用戶的歡迎，發(fā)展十分迅速。
渦街流量計(jì)是利用流體振蕩的原理進(jìn)行流量測(cè)量。在均勻流動(dòng)的流體中，垂直地插入一個(gè)具有非流線型截面的柱體，稱為漩渦發(fā)生體，則在其兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)方向相反、交替出現(xiàn)的漩渦，當(dāng)每?jī)蓚€(gè)旋渦之間的縱向距h和渦列間橫向距離L滿足一定的關(guān)系，即h/L=0.281時(shí)，這兩個(gè)旋渦列將是穩(wěn)定的，稱之為“卡門渦街”，漩渦體產(chǎn)生頻率與流速的關(guān)系：
式中：
d—漩渦發(fā)生體的特征尺寸。則流體體積流量公式如下：
式中：f—漩渦產(chǎn)生的頻率；u—流體流速；d—直徑，漩渦發(fā)生體的特征尺；St—斯特羅哈爾數(shù)；D—管道內(nèi)徑；A—在漩渦發(fā)生體處的流通截面積。
由上式可知，在斯特羅哈爾數(shù)為常數(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)渦街流量計(jì)的體積流量與漩渦頻率成正比。通過(guò)檢測(cè)漩渦頻率，就可以計(jì)算出流體積流量。
3.4 超聲波流量計(jì)
超聲波在流動(dòng)的流體中傳播時(shí)，就載上流體流速的信息，利用接收到的超聲波信號(hào)即可測(cè)量流體的流速與流量。具有無(wú)壓力損失、不擾流、輸出線性、量程比大等優(yōu)點(diǎn)。超聲波流量計(jì)也存在些缺點(diǎn)：傳感器的安裝直接影響到計(jì)量的準(zhǔn)確度，因此對(duì)安裝的要求十分嚴(yán)格；準(zhǔn)確度小及電磁流量計(jì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜；故障排除較困難；抗干擾性較差；對(duì)安裝地點(diǎn)環(huán)境要求較高。
超聲波入射到管道流體中，順流傳播時(shí)間與逆流傳播時(shí)間之差與流體的流速有確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。超聲波測(cè)流量的作用原理有傳播速度法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法、相關(guān)法、流速—液面法等多種方法。超聲波流量計(jì)由超聲波換能器、電子線路及流量顯示系統(tǒng)組成。
4 流量測(cè)量技術(shù)在電廠中的應(yīng)用
4.1 主蒸汽流量測(cè)量
火電機(jī)組主蒸汽流量的準(zhǔn)確測(cè)量，對(duì)于機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性分析和節(jié)能降耗工作均具有重要的價(jià)值。對(duì)于主蒸汽流量的測(cè)量，傳統(tǒng)上主要采用直接測(cè)量法，即使用孔板流量計(jì)、渦街流量計(jì)等進(jìn)行直接測(cè)量。直接測(cè)量主蒸汽流量的方法主要應(yīng)用于小型的汽輪發(fā)電機(jī)組，對(duì)于高參數(shù)，特別是超臨界機(jī)組，采用直接測(cè)量方案在工藝及誤差控制方面都存在較大困難，并且節(jié)流損失也不容忽視。因此現(xiàn)今的大容量汽輪機(jī)組在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，為了減小節(jié)流損失，通常不設(shè)主蒸汽流量節(jié)流測(cè)量裝置，而是利用汽輪機(jī)DAS系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)間接換算得出主蒸汽流量，即采用間接測(cè)量法。
采用間接換算法方案，源于汽輪機(jī)理論中著名的Flugel公式。對(duì)于具有n級(jí)的汽輪機(jī)組在變工況下未達(dá)臨界時(shí)，級(jí)組前后參數(shù)與流量之間的關(guān)系可由下式表達(dá)：
上式中：Gr為變工況下的流量，G0為設(shè)計(jì)工況下的流量；T0、P0表示設(shè)計(jì)工況下的主蒸汽絕對(duì)溫度和壓力；T0r、P0r表示變工況下的主蒸汽絕對(duì)溫度和壓力；P2表示設(shè)計(jì)工況下的級(jí)后壓力，P2r表示變工況下的級(jí)后壓力。
當(dāng)所取的級(jí)組較多且含凝汽式機(jī)組的末級(jí)時(shí)，由于排汽壓力值與級(jí)組進(jìn)汽壓力值相比小得多，并且在級(jí)組前溫度變化較小時(shí)，溫度修正項(xiàng)接近于1，故上式可轉(zhuǎn)為更簡(jiǎn)單的形式：
大容量汽輪機(jī)組數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）顯示的主蒸汽流量是根據(jù)調(diào)節(jié)級(jí)壓力等測(cè)量參數(shù)經(jīng)過(guò)換算求得的。對(duì)上式的應(yīng)用有著明確的條件限制：通流面積不變；級(jí)組內(nèi)各級(jí)流量相同；級(jí)組內(nèi)各級(jí)前溫度變化率相同；級(jí)組內(nèi)不得串有其他非線性元件。
4.2 循環(huán)水流量測(cè)量
電廠循環(huán)水流量的測(cè)量，是測(cè)定冷卻水泵性能以及實(shí)現(xiàn)冷卻水泵優(yōu)化調(diào)度的重要環(huán)節(jié)。目前，在測(cè)定凝汽器的冷卻水流量時(shí)，通常采用超聲波流量計(jì)或者根據(jù)凝汽器的熱平衡推算冷卻水流量。
在汽輪機(jī)凝汽器中，除汽輪機(jī)排汽外，還有低壓加熱器的疏水在凝汽器中放熱。放出的熱量被冷卻水吸收。由于疏水量較小，而且其在凝汽器中放熱量也較少，故忽略各種疏水在疑汽器中的放熱量。則由凝汽器的熱平衡，蒸汽凝結(jié)所放出的熱量等于冷卻水吸收的熱量，即：
其中，Dw為冷卻水流量；Dc為汽輪機(jī)的排氣量；hc-hc'為1Kg排氣在凝汽器中的放熱量，其數(shù)值大小可由汽輪機(jī)的熱力試驗(yàn)確定。通常，按照實(shí)用精確度的原則，hc-hc'可以認(rèn)為是常量，對(duì)于中間再熱式汽輪機(jī)為2300KJ/Kg，非中間再熱式汽輪機(jī)為2200KJ/Kg；cp為冷卻水的比熱；Δt為冷卻水在凝汽器中的溫升，其數(shù)值可以冷卻水入口及出口的溫度表記直接得到。由于凝汽式汽輪機(jī)最末級(jí)處于超臨界流動(dòng)狀態(tài)，故運(yùn)行中汽輪機(jī)排汽量與汽輪機(jī)最末段回?zé)岢槠麎毫Τ烧龋矗?/p>
式中：Dc0為汽輪機(jī)設(shè)計(jì)工況下的汽輪機(jī)排汽量；pe0為設(shè)計(jì)工況下汽輪機(jī)最末段回?zé)岢槠麎毫Γ籶e1為運(yùn)行過(guò)程中實(shí)測(cè)的汽輪機(jī)最末段回?zé)岢槠麎毫Γ珼c0、pe0可以根據(jù)汽輪機(jī)制造廠家提供的汽輪機(jī)熱力特性說(shuō)明書中得到。
5 結(jié)論
盡管流量測(cè)量技術(shù)發(fā)展日趨成熟，但是在測(cè)量和應(yīng)用方面依舊不盡人意，儀表種類繁多，不同場(chǎng)合要選不同類型的儀表，至今尚無(wú)一種儀表的可靠性和準(zhǔn)確度能滿足多類要求。因此在選用流量測(cè)量?jī)x表時(shí)，在滿足實(shí)際運(yùn)行測(cè)量要求的基礎(chǔ)上，還要儀表的經(jīng)濟(jì)型。總結(jié)儀表選用考慮的因素包括：測(cè)量環(huán)境、精確度、重復(fù)性、線性度、測(cè)量范圍、壓力損失、
