水垢對便攜式超聲波流量計測量的影響

2014-04-29 00:00:00劉晨劉陽朱宇環

品牌與標準化 2014年16期

【摘要】鍋爐能效測試中給水流量的測定多選用便攜式超聲波流量計。本文通過測量原理和實驗研究兩方面分析了管道管壁水垢對超聲波流量計測量的影響及產生的誤差，給出了減小誤差的方法，提高了能效測試中流量測量的精確度。

【關鍵詞】能效測試便攜式超聲波流量計水垢誤差

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2014.18.007

工業鍋爐熱效率是衡量鍋爐正常高效運行與否的主要指標，隨著國家節能減排工作的逐步展開，國家對鍋爐運行熱效率要求不斷提高。因此，對鍋爐能效測試數據準確程度也逐步提高。而對鍋爐的給水流量的測定數據直接決定了鍋爐出力的計算，進而影響到鍋爐熱效率，因此能否準確地測試出鍋爐的給水流量，對于鍋爐能效測試工作至關重要。

鍋爐給水流量的測量多選用便攜式超聲波流量計，此種流量計可從管道外側安裝來測量鍋爐給水流量，不會影響到管道內流體的正常流通，具有測量精度高、安裝方便、調試便利、不受管徑大小局限等特點。然而由于受到鍋爐運行時間及水質好壞的影響，鍋爐給水管道或多或少都有些水垢貼壁，那么結垢層對超聲波計量流量的影響究竟如何？本文從理論與實際測量兩方面進行分析。

1 測量原理

想分析上面問題需先了解超聲波流量計的測量原理。超聲波流量計采用時差式流量測量的方法，其原理是通過測量介質對雙向聲波信號的影響，來確定介質的流速，測量原理如圖1所示。在管道管壁外以一定的間距安裝流量計的兩個傳感器（A、B），實現交替發射和接收超聲波。

當超聲波在無流動的介質中傳播時，從傳感器A到傳感器B的聲波信號傳送時間與從從傳感器B到傳感器A的聲波信號傳送時間相同；然而當管道內介質流動時，由于介質流速對聲波信號的影響，順著管道內流體流動方向的上游傳感器A發射超聲波傳到下游傳感器B的時間要比下游傳感器B發射超聲波信號傳輸到上游傳感器A的時間要長。管道內流體的流動速度可通過兩個信號之間產生的時間差△t計算求出，再與管道流通截面積相乘，即可計算出流量[1]。

圖1 超聲波流量計的工作原理簡圖

設：D——管道內徑；

C——管道中聲速；

L——聲道長度；

V——管道中流體速度；

Q——管道中流體流量；

V1——順流超聲波傳播速度；

V2——逆流超聲波傳播速度；

t1——超聲波從上游傳感器傳播到下游傳感器所需時間；

t2——超聲波從下游傳感器傳播到上游傳感器所需時間。

由圖1分析可知：[V1=C+Vcosθ] [V2=C-Vcosθ]

[t1=LV1] [t2=LV2]

則流速[V=Lcosθ（1t1-1t2）]

流量[Q=S×V=πD24Lcosθ（1t1-1t2）]

2 有水垢情況下的流量分析

由于目前進行鍋爐能效測試時，部分鍋爐由于沒有水處理設備并且鍋爐投入運行時間較長，會導致供水管道上有水垢的存在，由上面推導出的流量計算公式可知，管道內流體的流量與管道的內徑大小有關，而通常使用超聲波流量計進行測量時，儀器輸入的參數上并未考慮管道上的結垢厚度，因此，實際測量的時候流量計算會有誤差。

超聲波流量計在結垢的管道上進行測量流量時，超聲波傳播的時間由兩部分組成：一部分為在水垢層內的傳播時間，另一部分為在管道流體內的傳播時間。由于超聲波在水垢層的傳播速度要遠大于超聲波在水中的傳播速度，并且水垢層的厚度相比于管道內徑也很小，所以超聲波在水垢層的傳播時間比超聲波在流體中的傳播時間要小得多，可以忽略不計。

設：d——除去水垢層后管道內徑；

[Q實際][=πd24Lcosθ（1t1-1t2）]

[Q顯示][=πD24Lcosθ（1t1-1t2]

則[Q實際=Q顯示×（dD）2]

由于d略小于D，所以超聲波流量計測試的顯示值要大于管道中實際的流量值。

3 現場實際測試情況與誤差分析

在某鍋爐測試現場，鍋爐進水管經過大修時更換了一段新管，筆者在其他條件不變的情況下，分別用同一臺超聲波流量計測試了新管和大修前存在水垢的舊管的給水流量。輸入參數：管道外徑219mm，管壁厚度5mm，得到的測試數據如下：

從上表的數據可知，不改變輸入參數的情況下，同樣測試條件，有水垢的舊管測試流量要大于新管的測試流量，流量的相對誤差值為：

[（279.38-272.23）/272.23]×100%=2.63%

因此，管道的壁厚是影響超聲波流量計測試誤差的一項重要參數[2]。在使用超聲波流量計進行管道流量測量時，對于管道內結垢較厚的情況下，若仍按照設計壁厚值進行輸入，必然會影響流量計測量的精度。因此，只有使用管道的實際壁厚代替管道的設計壁厚作為超聲波流量計的輸入參數，才能更加準確地得到更接近管道實際流量的測試流量，進而減小測量誤差。而在目前的測試情況下，可通過超聲波測厚儀測量值來代表管道包含水垢層的實際壁厚作為輸入值。

通過超聲波測厚儀測試可得到，有水垢層的舊管管壁的厚度為6.36mm，將此參數輸入流量計進行測量，得到測量流量如下表：

此時流量的相對誤差為：

[（274.36-272.23）/272.23]×100%=0.78%

對比上面的數據可知，考慮到水垢層的相對誤差遠遠小于未考慮水垢層厚度的相對誤差。因此，在進行鍋爐能效測試用超聲波流量計測量給水流量時，對于使用年限較長、管壁結垢較嚴重的管道，應按照實際測量的管壁厚度來調整流量計的輸入參數，可提高超聲波流量計的測量精度。

4 結論

在目前鍋爐能效測試中，使用超聲波流量計測量流量是一種成熟而又實用的方法[3]，并且超聲波流量計測試值直接影響鍋爐能效的數據的準確性。而目前能效測試過程中遇到的使用年限較長、管壁結垢較厚的管道也不在少數，通過上面分析可以得出：

（1）當超聲波流量計壁厚輸入參數為設計參數時，超聲波流量計測試的顯示值要大于管道中實際的流量值。

（2）當超聲波流量計壁厚輸入參數為使用超聲波測厚儀的測量值時，超聲波流量計的相對誤差遠小于壁厚輸入為設計參數的相對誤差。

（3）對于使用年限較長、管內壁結垢較厚的管道，應盡量按照實際測量的管壁厚度調整流量計的參數，可以提高流量計的測量精度。

參考文獻

[1]任翠平.時差式超聲波流量計的應用[J].中國計量，2002，（11）：45-46.

[2]胡江順，何松杰.管道參數對便攜式超聲波流量計測量的影響[J].計量技術，2001，（9）：7-8.