無(wú)論是制造工廠還是建筑業(yè)主都在努力設(shè)法使其設(shè)施更節(jié)能，對(duì)環(huán)境的影響更小。

在當(dāng)今的商業(yè)環(huán)境中，控制能源成本從未像現(xiàn)在這樣重要。能源已成為企業(yè)、機(jī)構(gòu)和消費(fèi)者的熱門(mén)話題。對(duì)于許多人來(lái)說(shuō)，尋找新的、更好的方法來(lái)減少能源使用并提高能源效率，是一個(gè)高度優(yōu)先的事項(xiàng)。因此，能源管理越來(lái)越受到重視。

測(cè)量是能源管理的基礎(chǔ)，因?yàn)橐刂扑?，首先必須?zhǔn)確測(cè)量它。本文重點(diǎn)介紹了流量測(cè)量技術(shù)，因?yàn)樗鼈冎饕糜谔烊粴?。根?jù)需要，也會(huì)涉及蒸汽和水的主題，用于比較和提供背景信息。此外，還討論了一些主要的流量計(jì)類型以及優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，以幫助工程師在應(yīng)用時(shí)更好地進(jìn)行選型。

01

流量測(cè)量基礎(chǔ)

質(zhì)量流率可以根據(jù)被測(cè)物質(zhì)的密度、物質(zhì)流過(guò)的橫截面積以及物質(zhì)相對(duì)于目標(biāo)區(qū)域的速度來(lái)計(jì)算。如果密度恒定，這相當(dāng)簡(jiǎn)單。流量測(cè)量是對(duì)通過(guò)管道的液體或氣體量的量化。流量可以量化為體積流量（如gal/min）或質(zhì)量流量（如lb/hr）。速率始終是某個(gè)時(shí)間單位內(nèi)對(duì)某個(gè)單位的度量。

當(dāng)溫度、壓力或成分發(fā)生變化時(shí)，某些流體的密度可能會(huì)發(fā)生變化。一些流體也可能具有組合相或夾帶氣泡。密度變化使質(zhì)量流量測(cè)量更復(fù)雜，但氣體測(cè)量比液體測(cè)量更復(fù)雜。

有許多用于測(cè)量流量的技術(shù)和設(shè)計(jì)，但并非每種流量測(cè)量技術(shù)都適用于能源監(jiān)測(cè)應(yīng)用。為了成為能源監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的候選技術(shù)，流量測(cè)量必須具有成本效益、無(wú)創(chuàng)性、易于安裝且成本低廉。該技術(shù)還必須具有適合于應(yīng)用的可靠性和準(zhǔn)確性。

在制造業(yè)中，流量測(cè)量對(duì)于使用原材料制造產(chǎn)品或?yàn)楫a(chǎn)品增加價(jià)值的運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要。對(duì)精確流量測(cè)量?jī)x表的需求，是由業(yè)務(wù)需求或環(huán)境限制驅(qū)動(dòng)的，例如需要更嚴(yán)格的過(guò)程控制，以減少排放和提高效率。

02

流量計(jì)類型

每種流量傳感技術(shù)和每種流量計(jì)都有優(yōu)缺點(diǎn)。在市場(chǎng)上廣泛使用的流量計(jì)中，所用的流量傳感技術(shù)主要包括：差壓（DP）、容積式、科里奧利（或質(zhì)量流）、渦街和渦輪。

差壓裝置包括節(jié)流孔、文丘里管、流量噴嘴、皮托管、均速皮托管和V形錐。容積式裝置包括旋轉(zhuǎn)凸輪、隔膜和渦輪機(jī)。請(qǐng)注意，市場(chǎng)上還有更多類型的流量計(jì)。不過(guò)，本文討論的重點(diǎn)不包括主要用于流體的設(shè)備。

03

差壓流量計(jì)

差壓流量計(jì)的運(yùn)行需要在液體、氣體或蒸汽流道中放置節(jié)流裝置，如孔板、流量噴嘴、皮托管或文丘里管，并測(cè)量其上的壓差。孔板是使用最廣泛的節(jié)流裝置，通常會(huì)產(chǎn)生最大的壓力損失。蒸汽流速隨通過(guò)該節(jié)流孔的壓降的平方根而變化。差壓變送器測(cè)量通過(guò)節(jié)流孔的壓降。

盡管孔板式差壓流量計(jì)通常具有較低的初始成本，沒(méi)有移動(dòng)部件，并且安裝成本也較低，但它們具有壓力損失高、量程低的缺點(diǎn)，并且隨著時(shí)間的推移測(cè)量準(zhǔn)確性降低。孔板最終可能因磨損而導(dǎo)致影響流量計(jì)的校準(zhǔn)。

現(xiàn)在安裝的許多流量測(cè)量?jī)x表，都基于差壓傳感技術(shù)。在每年發(fā)貨的所有流量測(cè)量變送器中，差壓變送器約占一半。智能多變量壓力變送器在測(cè)量范圍、精度、重復(fù)性和進(jìn)行多次測(cè)量的能力方面的改進(jìn)，為這項(xiàng)成熟但仍然可行的技術(shù)增添了生命力。

04

容積式流量計(jì)

容積式流量計(jì)通過(guò)機(jī)械移動(dòng)流量計(jì)中的移動(dòng)部件來(lái)測(cè)量流量，然后計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)的位移數(shù)量。用每個(gè)計(jì)數(shù)表示流體的體積量。每次計(jì)數(shù)時(shí)，流體都會(huì)通過(guò)流量計(jì)。流量計(jì)運(yùn)動(dòng)部件，由被計(jì)量的流體壓力驅(qū)動(dòng)。

旋葉式流量計(jì)（rotary lobe flowmeters）。該流量計(jì)可直接測(cè)量在實(shí)際工作壓力下通過(guò)它的流體的實(shí)際體積。兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的葉輪在殼體內(nèi)旋轉(zhuǎn)。流經(jīng)流量計(jì)的氣體或液體驅(qū)動(dòng)葉輪，葉輪將已知體積的氣體困在空隙中。流量與旋轉(zhuǎn)速度成比例。

通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)數(shù)并將計(jì)數(shù)乘以每轉(zhuǎn)所置換的已知體積來(lái)測(cè)量體積。計(jì)數(shù)可以通過(guò)機(jī)械或電子方式完成。最常見(jiàn)的布置是在葉輪中嵌入磁鐵。由安裝在儀表外殼中的接近開(kāi)關(guān)感應(yīng)。由磁鐵驅(qū)動(dòng)的開(kāi)關(guān)，激活就地?cái)?shù)字顯示器，或輸入到一個(gè)完整的電子系統(tǒng)，用于處理、校正和遠(yuǎn)程通信。

旋葉式流量計(jì)主要用于商業(yè)和工業(yè)客戶的天然氣計(jì)費(fèi)：負(fù)荷超過(guò)每小時(shí)1000立方英尺。它們主要用于工業(yè)和油氣生產(chǎn)中的氣體和液體。它們還被用于能源管理的工業(yè)分項(xiàng)計(jì)量應(yīng)用中。使用它們的主要原因是高精度和堅(jiān)固性，且維護(hù)成本低。ANSI/ASC B 109.3批準(zhǔn)這些計(jì)量表可用于監(jiān)護(hù)轉(zhuǎn)移。

在使用旋葉式流量計(jì)時(shí)需要注意，在校準(zhǔn)范圍外的流體溫度和壓力下工作時(shí)，必須將體積流量校正到標(biāo)準(zhǔn)條件。當(dāng)計(jì)量表用于計(jì)費(fèi)時(shí)，此功能可以自動(dòng)完成。如果出現(xiàn)機(jī)械故障，建議使用配置手動(dòng)隔離閥的旁路。

隔膜流量計(jì)（diaphragm flowmeters）。它包括一個(gè)充滿天然氣（或其他氣體）的外殼，并包含兩個(gè)氣體波紋管（隔膜）。每個(gè)隔膜都有一個(gè)滑閥，可以交替打開(kāi)和關(guān)閉每個(gè)隔膜的進(jìn)口閥和出口閥。當(dāng)氣體流入流量計(jì)時(shí)，波紋管通過(guò)滑閥交替充滿和排空，滑閥充當(dāng)計(jì)數(shù)器。

當(dāng)每個(gè)閥門(mén)關(guān)閉后打開(kāi)時(shí)，計(jì)算一個(gè)已知體積的氣體。機(jī)械連桿將每個(gè)閥門(mén)連接到一個(gè)計(jì)數(shù)器，該計(jì)數(shù)器記錄計(jì)數(shù)，并在表盤(pán)上顯示計(jì)數(shù)。氣體被排放到儀表外殼和儀表出口。兩組波紋管和閥門(mén)交替運(yùn)行，以提供連續(xù)的氣流。該機(jī)構(gòu)由波紋管上的氣體壓力驅(qū)動(dòng)，其結(jié)果是儀表上的壓降很小。

在天然氣計(jì)費(fèi)應(yīng)用中，隔膜流量計(jì)的上游安裝有壓力調(diào)節(jié)器，可以保持恒定壓力。這樣就不需要壓力校正變送器。溫度變化可能會(huì)導(dǎo)致偏差。然而，在實(shí)踐中，當(dāng)通過(guò)地下管道供氣時(shí)，溫度變化很小。

隔膜流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)包括：價(jià)格便宜且準(zhǔn)確，適用于小型能源管理項(xiàng)目。具備脈沖輸出和通信能力。它的缺點(diǎn)包括：只能用于清潔氣體；大尺寸、重且昂貴。

渦輪流量計(jì)（turbine flowmeters）。渦輪流量計(jì)有各種尺寸、類型和價(jià)格。適用于很多工業(yè)應(yīng)用，以及水和天然氣公用事業(yè)公司的計(jì)費(fèi)項(xiàng)目。用于計(jì)量氣體和水的公用事業(yè)型渦輪機(jī)，被批準(zhǔn)用于監(jiān)管轉(zhuǎn)移。它們通常具有經(jīng)校正的質(zhì)量流量讀數(shù)電子輸出和通信能力。渦輪流量計(jì)的一個(gè)突出用途是對(duì)大量客戶進(jìn)行計(jì)量和計(jì)費(fèi)。

工業(yè)渦輪流量計(jì)也有在線式和插入式兩種。插入式渦輪流量計(jì)的尺寸和材料范圍很廣，從0.5英寸到36英寸甚至更大。由于其能夠測(cè)量大型管道流量，因此通常用于煙囪氣體監(jiān)測(cè)。在工業(yè)領(lǐng)域，它廣泛應(yīng)用于測(cè)量蒸汽、水、空氣和其它氣體的流量。工業(yè)渦輪流量計(jì)直接測(cè)量流體或氣流的速度。在流量計(jì)上需要一個(gè)流量計(jì)算機(jī)或多變量智能變送器。

帶有附加葉片的轉(zhuǎn)子懸浮在自由運(yùn)行軸承的流體或氣流中。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速（RPM）與液體或氣體速度成正比。有幾種方法可以計(jì)算渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)，包括嵌入到轉(zhuǎn)子或葉片中的磁性和電氣傳感器。這些傳感器產(chǎn)生微弱的脈沖或正弦波電子輸出，通過(guò)電子方式將其轉(zhuǎn)換為流速，然后在變送器中將其轉(zhuǎn)換為4-20 mA輸出信號(hào)。通過(guò)將體積流量乘以流體密度來(lái)計(jì)算質(zhì)量流量。質(zhì)量流量等于流速乘以密度乘以管道面積。

校正后的質(zhì)量流量需要額外的輸入，包括壓力和溫度。在線式工業(yè)渦輪流量計(jì)適用于能源管理，因?yàn)槠渲睆椒秶鷱V泛，成本較低。

在線式工業(yè)渦輪流量計(jì)的優(yōu)勢(shì)包括：良好的準(zhǔn)確性和重復(fù)性；尺寸范圍廣；管道所需上游直線長(zhǎng)度最??；以及成本相對(duì)較低。其缺點(diǎn)主要是安裝成本較高，以及運(yùn)動(dòng)部件易受污染物的影響。

05

科里奧利流量計(jì)

科里奧利流量計(jì)技術(shù)提供直接質(zhì)量流量測(cè)量，不受壓力、溫度、密度和流體粘度變化的影響?？评飱W利流量計(jì)有多種配置，包括U形管、雙U形管、彎管和直管設(shè)計(jì)，所有這些流量計(jì)都根據(jù)以下原理工作：

■?待測(cè)量的液體或氣體進(jìn)入流量管的一端，流量管受到外部振蕩驅(qū)動(dòng)，機(jī)電振蕩器根據(jù)管設(shè)計(jì)和液體或氣體密度以管的固有頻率（約10 kHz）振動(dòng)。流量管通常由316不銹鋼或其它金屬（如鈦）制成，具體取決于應(yīng)用。

■?當(dāng)液體或氣體流經(jīng)流量管時(shí)，它會(huì)受到外部振蕩驅(qū)動(dòng)器引起的向上或向下的力?？评飱W利力與驅(qū)動(dòng)力相反，從流入側(cè)向上推動(dòng)管子，從流出側(cè)向下推動(dòng)管子，導(dǎo)致管子扭曲。

■?位于流量管各支腿上的傳感器檢測(cè)管道扭曲時(shí)的位置和頻率。隨著質(zhì)量流量的變化，兩個(gè)傳感器之間存在相移。該相移與液體或氣體的質(zhì)量流量成正比。

■?科里奧利流量計(jì)配備了基于微處理器的信號(hào)處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)解釋來(lái)自傳感器的原始信號(hào)和正在測(cè)量的頻移，將其轉(zhuǎn)換為可由標(biāo)準(zhǔn)儀表和數(shù)據(jù)系統(tǒng)使用的信號(hào)，如4-20 mA、脈沖和電壓輸出。

科里奧利流量計(jì)有著廣泛的應(yīng)用。最初的應(yīng)用是在石油和化學(xué)工業(yè)中測(cè)量多種液體，主要用于過(guò)程控制目的。由于精度高，它還用于石油和天然氣行業(yè)的監(jiān)管轉(zhuǎn)移?？评飱W利流量計(jì)已用于測(cè)量高粘度流體、泥漿和混合相流體，如油和水、帶氣泡的水、空氣中的煤粉等。

最近，設(shè)計(jì)改進(jìn)和精度提高使科里奧利流量計(jì)成為計(jì)量氣體的候選流量計(jì)。它們能夠計(jì)量工業(yè)氣體，并已用于天然氣大客戶的監(jiān)管轉(zhuǎn)移。它們也可用于低溫氣態(tài)或液態(tài)氧、氮和二氧化碳。

科里奧利質(zhì)量流量計(jì)有很多優(yōu)點(diǎn)：直接質(zhì)量流量讀數(shù)，無(wú)需校正壓力或溫度；高調(diào)節(jié)比：標(biāo)準(zhǔn)為20:1，需要時(shí)可達(dá)100:1；無(wú)需在上游和下游鋪設(shè)直管；能夠計(jì)量多種液體、氣體、泥漿和混合相流；不銹鋼流管是標(biāo)準(zhǔn)配置；某些型號(hào)可以計(jì)量低溫氣體；非常高的精度和重復(fù)性；低維護(hù)和監(jiān)管轉(zhuǎn)移批準(zhǔn)。它的一個(gè)缺點(diǎn)是與大多數(shù)其它計(jì)量表相比，成本相對(duì)較高。

06

渦街流量計(jì)

渦街流量計(jì)的運(yùn)行，是基于一種被稱為“馮卡門(mén)效應(yīng)”的原理。馮卡門(mén)效應(yīng)利用：在通過(guò)放置在流體中的非流線型或“鈍”體時(shí)，流體會(huì)產(chǎn)生在體后部脫落的漩渦。這些渦流可以被檢測(cè)、計(jì)數(shù)和顯示。漩渦的頻率與液體或氣體的流速成正比。在理想條件下，脫落頻率和流體速度呈近似線性關(guān)系。

典型的渦街流量計(jì)應(yīng)用包括鍋爐和用戶處的直接蒸汽測(cè)量，以及作為鍋爐燃料的天然氣測(cè)量。蒸汽是最難測(cè)量的流體，因?yàn)樯婕案邷?a target="_blank">高壓，并且測(cè)量參數(shù)因蒸汽類型而異。渦街流量計(jì)是蒸汽流量測(cè)量的首選，因?yàn)樗軌虺惺芨邏汉透邷亍?/p>

渦街流量計(jì)非?？煽俊Ｋ鼈冞€具有廣泛的測(cè)量范圍，這意味著它們可以測(cè)量不同速度下的蒸汽流量。渦街流量計(jì)的其它優(yōu)點(diǎn)包括易于安裝、維護(hù)成本低、安裝成本適中和精度高。然而，它們對(duì)振動(dòng)和進(jìn)口流量有些敏感。

多變量渦街流量計(jì)包括壓力和溫度傳感器。除了流速、溫度和壓力外，流量計(jì)還使用這些傳感器來(lái)確定體積流量、流體密度和質(zhì)量流量。多變量渦街流量計(jì)無(wú)需單獨(dú)的流量計(jì)算機(jī)即可執(zhí)行必要的質(zhì)量流量補(bǔ)償。

編輯：黃飛

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