蒸汽质量超声流量计的应用

付荣申

（中国五环工程有限公司，武汉430223）

Shell煤气化作为一种洁净、高效的煤气化技术被广泛应用。该技术中的关键设备——汽包（V－1304）分为大室和小室，两室之间上部隔断，下部连通，如图1所示。两室顶端连通并需设置一台流量计，该流量计即起到平衡阀的作用，又可以准确地测量两室之间蒸汽的体积流量，该流量是控制汽化炉内温度的重要参数。因此，选择一款恰当的流量计，对于整个煤气化过程至关重要。

图1 汽包大小室结构示意

此处工艺介质为高温、高压饱和蒸汽，工艺参数：操作温度272.2℃，操作表压为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，管径DN100mm。工艺过程决定了所选用的流量计应具有双向流量测量功能，变送器要有三输出功能。由于该流量计的安装高度较高，也应考虑其维护的方便性。

综上所述，选择一种低维护、压损低、精度高、范围度宽、双向流量测量的蒸汽流量计成为关键，因而选择三声道蒸汽质量超声波流量计作为此处的测量仪表［1－3］。

1 测量原理

GE的GS868蒸汽质量超声波流量计采用BWT（The Bundle Waveguide Technology）技术的探头，并使用受专利保护的互相关时差技术（Correlation Transit－Time TM），可提供精确、无漂移的超声流量测量，对蒸汽流动无阻碍。

互相关时差法超声波流量计工作原理［4－8］如图2所示。2台小型传感器被安装于管线或管道上，一台位于另一台的上游，传感器发射和接收穿过蒸汽的超声信号。流量计测量顺流和逆流的超声波传播时间差，并做数字信号处理和互相关测定，计算流体的流速和体积流量，还可以利用输入的温度和压力值，以及内置的蒸汽对照表，计算蒸汽质量流量。

图2 互相关时差法测量技术

图2中，顺流换能器和逆流换能器分别安装在流体管线的两侧并相距一定距离，管线的内径为D，超声波传播的路径长度为L，超声波顺流传播距离L的时间为Td，逆流传播距离L的时间为Tu，超声波的传播方向与流体的流动方向夹角为∂。Td和Tu可用式（1）表示：

式中：c——超声波在非流动介质中的声速；v——流体介质的流动速度。

Tu和Td之间的差如式（2）所示：

式中：X——两个换能器在管线方向上的距离，X＝Lcos∂。

为了简化计算，假设v远远小于c，即：

因此，式（2）可简化为：

同时可以推导出：

由此可见，当c和X为固定的常数时，v与ΔT成正比。qV就可以用式（3）表示：

以上测得的是体积流量，在引入流体的温度、压力、相对分子质量等测量值进行补偿运算后就可以得到精度比较高的质量流量。

2 性能特点

2.1 无压力降与低维护

蒸汽体积流量测量通常都产生永久性的压力降，并且测量范围有限。GS868蒸汽质量超声波流量计不和流体接触，不会引起任何压力降，它和孔板流量计、涡街流量计的永久压损的对比见表1所列。该流量计没有会造成积聚和污染的部件，也无被磨损的可动部件，因而无需润滑，也无需或极少需要维护［9］。

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表1 不同流量计的永久压损

2.2 范围度宽

该流量计范围度非常宽，可以达到150∶1，与其他流量计的比较见表2所列。其精度一般为读数的±（1～2）%，但取决于管道尺寸、单声道、两声道或三声道测量，在一定条件下精度可达到±0.5%。

表2 不同流量计的范围度

2.3 适用的管径和流速范围宽

该流量计具有较宽的管径和流速范围，其适用于管径为50～1 200mm，流速为0.03～46m／s的饱和蒸汽或过热蒸汽测量。

2.4 双向流量测量

双向流量测量是该流量计的另一个特点。由于该流量计运用互相关时差法进行流量测量，其测量原理决定了管道中无论是正向流或逆向流，根据互相关时差算法都能测量其流量。

2.5 其他性能优势

该流量计系统本身还可以给出声波的传递时间和声速，可对流速、体积和质量流量等参数进行自诊断［10］，从而有助于排除故障。而且这些参数可以方便地打印、储存，也可以以模拟量或数字量的形式发送到显示器进行动态显示。

3 安装设计

该流量测量系统包括传感器（每个声道1对）、现场变送器和信号电缆。传感器可以安装在预先加工好的带机械插拔装置接口的测量管上，也可以通过热钻孔或冷钻孔的方式直接在线将机械插拔装置安装在工艺管道上，采用法兰与工艺管道连接。前者相对费用高，但安装精度好，一般用于小口径管道的应用。安装于管线上的超声波传感器向气体顺流和逆流方向发射超声波信号。

该流量计传感器可水平安装，也可垂直安装，但介质中有固体颗粒时一般应水平安装。传感器不应安装于流体自上而下的垂直管道上，因为此类管道由于流体重力会产生一定加速度，也有可能造成流体不满管。传感器安装时还应远离弯头、异径接头、阀门、节流装置，安装点直管段应满足前20D后10D（D为管道直径）的要求，如有弯头、异径接头、阀门、节流装置，直管段应适当加长。

现场变送器一般就地放置于传感器附近，以达到良好的信号传递作用。传感器电缆最长可达150m。

4 结束语

蒸汽质量超声波流量计的应用很好地解决了Shell煤气化汽包大小室之间蒸汽介质的双向流量测量问题，且已经在鹤壁600kt／a甲醇和同煤600kt／a甲醇等项目中得到应用。由于该流量计自身的特点，使其适用于蒸汽介质精确测量工况。当对控制系统安全性要求较高时，蒸汽质量超声波流量计可采用两声道或三声道形式测量。

［1］ 安铁夫，梁达，孙建文，等.HG／T20507—2000化工自控设计规定［S］.北京：全国化工工程建设标准编辑中心，2000.

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［4］ 蔡武昌，孙淮清，纪纲.流量测量方法和仪表的选用［M］.北京：化学工业出版社，2001.

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