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流量測量方法和儀表漫談
2011-5-12 9:14:05

        流量測量是研究物質量變的科學,質量互變規律是事物聯係發展的基本規律,量是事物所固有的一種規定性,它是事物的規模、程度、速度以及它的構成成份在空間上的排列組合等可以用數量表示的規定性。因此,其測量對象不限於傳統意義上的管道流體,凡需掌握量變的地方(場合)都有流量測量的問題。例如,城市交通的調度,需掌握汽車的車流量變化,它是現代化城市交通管理需檢測的一個參數。
  
  流量、壓力和溫度並列為三大檢測參數,對於一定的流體,隻要知道這三個參數就可計算其具有的能量,在能量轉換的測量中必須檢測此三個參數,而能量轉換是一切生產過程和科學實驗的基礎,因此,流量、壓力和溫度儀表得到最廣泛的應用。
  
  一、流量測量方法和儀表的應用領域
  
  流量測量方法和儀表的應用大致有以下七個領域:
  
  1.過程控製工程
  
  流量儀表是過程控製工程的主要檢測儀表之一,它被廣泛應用於冶金、電力、煤炭、化工、石油、交通、建築、輕紡、食品、醫藥、農業、環保及人民日常生活等國民經濟的各個領域,它是發展工農業生產,節約能源,改進AG亚游官网产品質量,提高經濟效益和管理水平的重要工具,在國民經濟中占有重要的地位。
  
  在過程自動化儀表和裝置中,流量儀表有兩大功用:作為過程自動化控製係統的檢測儀表和測量物料數量的總量表。
  
  據統計,流量儀表的產值約占全部過程自動化儀表與裝置的五分之一。
  
  2.能源計量
  
  能源分為一次能源(煤炭、原油、瓦斯氣、石油氣、天然氣),二次能源(電力、焦炭、煤氣、成品油、液化石油氣、蒸汽)及載能工質(壓縮空氣、氧、氮、氫、水等)。2007年頒布的《中華人民共和國節約能源法》說明我國的能源政策開發與節約並舉,把節約放在首位的能源發展戰略,節約能源是指加強用能管理,采取技術上可行,經濟上合理及環境和社會可以承受的措施,從能源生產到消費的各個環節,降低消耗,減少損失和汙染物排放,製止浪費,有效合理地利用能源。由上述可見,必須在能源生產到消費的各個環節,設置能源計量儀表,掌握其數量才能實施有效管理。2006年頒布國家標準GB17167-2006《用能單位能源計量器具配備和管理通則》,標準從推薦性修改為強製性,能源計量器具配備除工業企業外,推廣為全民性,對計量器具提出準確度的強製性要求。標準中能源指電力、煤炭、原油、成品油、重油、煤氣、天然氣、蒸汽、熱水、水等,從能源消耗限定值看,城市人民生活用能源亦大部分包括在內。
  
  現分別對幾種主要能源的流量計量情況簡介如下:
  
  ①水
  
  “水是世界的命脈”是第七屆世界水大會的主題。
  
  我國是水資源嚴重缺乏的國家,經濟高速發展,水危機的陰影已籠罩在我國上空,上述節約能源法指出對付水危機的根本戰略。首先來看一看我國的水資源環境現狀:我國水資源人均為世界人均的22.3%;地區分布不均,南方占81%,北方占19%;年際及年內分布不均,夏半年約占75%,冬半年占25%;黃、淮、海流域麵積占全國麵積13.4%,耕地占39%,人口占35%,GDP占32%,水資源僅占7.7%,人均約500m3/人,是最缺水的地區。國民經濟的高速發展,水汙染日益嚴重,全國約75%以上的湖泊水域、53%近岸海域受到顯著汙染,118座大城市淺層地下水中97.5%受到汙染,水的危機嚴重影響到國民經濟的可持續發展,因此必須采取堅決有力的措施,才能扭轉這個不利局麵。采取的措施大致有以下幾項:
  
  a.節水:節水的政策為“節水優先,治汙為本,多渠道開源”,建立節水型社會是唯一出路;
  
  b.治汙:控製汙染的方法,末端治理——排多少,處理多少;源頭治理——清潔生產,減少汙染物的生成;
  
  c.汙水再生回用:城市汙水回用於農田灌溉,把寶貴的水資源更多用於城市;
  
  d.缺水地區多渠道開源:海水利用:加大海水淡化科研戰略,雨洪水利用。調水:目前正在實施南水北調,科學調配水資源等。在任何節水治汙中對水的數量掌握準確是不可或缺的,流量計量在所有環節都是必須的。
  
  ②煤氣、天然氣
  
  煤氣是人工燃氣,天然氣是非人工燃氣,我國城市燃氣正在經曆從煤製氣到天然氣的氣源轉換過程,今後城市燃氣將以天然氣為主要燃料。
  
  煤氣在冶金工業有高爐煤氣、焦爐煤氣和轉爐煤氣,是鋼鐵聯合企業的重要二次能源,以前由於流量計量難度大,無法準確計量,無法有效回收利用,隻好排空,甚至達到30%排空量,不但浪費能源,還嚴重汙染環境。近年新型流量計——測管式流量計的投用,可使有些鋼廠達到煤氣全回收,零排量,是一項值得大力推廣的新能源。
  
  21世紀是天然氣的世紀,天然氣是優質的燃料和化工原料。作為燃料,它燃燒完全,單位發熱量大,燃燒後產物對於環境影響小;作為化工原料,它潔淨、質優、成本低,可用它生產多種精細化工AG亚游官网产品和高附加值AG亚游官网产品,天然氣的以上特性是它深受用戶青睞的原因。
       19世紀煤經曆100年超過柴薪為第一能源,20世紀石油經曆60年超過煤,天然氣將用40年在2020年超過石油成為第一能源。天然氣的持續穩定發展可維持50年以上。我國是天然氣儲量豐富的國家,在世界處於前列。但天然氣發展嚴重滯後,21世紀初在能源百分比中隻占2%(約200億m3),而歐美一般為30%~40%,相比差距極大,近年國家重點超高速發展,西氣東輸一、二、三期與境外(中亞、俄羅斯)天然氣工程建設力度空前。國內天然氣年消耗量連翻番,目前已達800億m3/年,占比亦達4%左右,2020年期望能達10%。
  
  天然氣是深埋於地下,通過氣井開采出來的烴類和少量非烴類混合氣體的總稱。必須經集氣、氣液分流、單井計量、脫硫、脫水、回收輕烴、膨脹、製冷、換熱、吸附和精餾、外輸計量等工藝加工處理過程後,才能保證氣體混合物的露點、水含量、熱值含量,CO2和H2S的最大允許濃度等技術規定,成為天然氣商品銷售給天然氣管道公司,管道公司作為儲運部門將天然氣輸送到各城市,有城市天然氣公司經城市管網銷售給用戶。整個天然氣輸送,加工處理,儲運銷售,綜合利用需要眾多的過程檢測控製儀表,其中流量儀表占據特殊重要的位置。以下AG亚游官网僅舉些實例來說明流量計量在天然氣工業中的重要性。
  
  在天然氣氣井開采中測量酸氣(WetGas)(凝析天然氣)是近年國際上的熱點課題,測量凝析天然氣的流量計稱為濕氣流量計,它可代替測試分離器應用於單井計量,氣藏動態監測及儲量優化配置等,它帶來的利益巨大,如對於開采操作決策提供寶貴的依據;保證氣井的合理開采,指導添加水合物抑製劑量,防止水合物的“危害”;代替巨大笨重的測試分離器,大大提高現場測試的實時性,完整性,準確性和提高效率等。
  
  濕氣是指高氣體體積含率的天然氣,一般高於95%,目前國際上尚沒有統一的定義。氣井中液相成份由攜帶的和由於地麵生成係統溫度壓力降低而凝析生成的烷烴類輕組份,飽和水以及防止水合物形成人工加入的注劑等組成,其體積含率少於5%,此種少量液體粘附於管壁周圍,管道中央為高速氣流,亦即形成所謂環狀流動結構,液體的流動非常複雜,它與氣體有速度滑移,甚至形成間歇不均勻流動,因此其測量準確度的確定非常困難。目前已研發的品牌很多,如SolartronIAS公司的Dualstream2型多相流流量計,Schlumberger公司的雙解譜γ射線文丘裏多相流流量計,Agar公司的MPFM-400型多相流流量計等,但是各種流量計都有一定的適用範圍,不能成為普遍應用的流量計。
  
  城市是天然氣使用的最終用戶,在城市中既有工業企業,又有城市公用事業,它是一個複雜的用戶群,其需求多種多樣。城市天然氣流量計量係統是天然氣管理、調度、銷售的依據,流量計量是天然氣供需雙方貿易結算的憑證,亦是生產部門用氣效率的主要技術指標。在企業生產和經營管理中流量計量是一項日常進行的重要的技術基礎工作,準確的流量計量可以適時改進生產工藝,提高AG亚游官网产品質量,降低AG亚游官网产品成本,確保生產安全,保障合理經營管理和提高經濟效益及社會效益。城市公用事業用氣關係到人民日常生活質量,城市的氣化是一個城市現代化標誌之一。目前我國仍有相當部分的城市依靠煤炭作為主要燃料,它對城市環境影響極大,國家能源結構的調整就是為了改善城市的生態環境,天然氣的推廣使用是造福人民的一件大事,城市車用燃料以氣代油又是一項改善城市環境的重大舉措,目前已在全國普遍推廣普及,相信不久的將來,城市加氣站將逐漸代替加油站,而加氣站的核心儀表就是流量計。
  
  ③蒸汽
  
  蒸汽分過熱蒸汽和飽和蒸氣,前者為單相介質。在火力發電廠過熱蒸汽做為工質推動汽輪機帶動發電機發電,蒸汽流量測量在電廠中對生產質量和安全至關重要,現代火力發電廠機組為高壓高溫狀態,過熱蒸汽流量采用標準噴嘴測量,有國際標準和國家標準為依據。飽和蒸氣由工業鍋爐生產,一般為中低壓、中溫狀態,它是汽水混合物,工業鍋爐出口處為高幹度(0.95以上)飽和蒸氣,但輸送到用戶處,由於管道熱散耗幹度逐漸下降,成為含水量大的汽水混合物,它屬於混相流,在流量測量中是困難的測量對象,目前尚沒有滿意的流量計可用,由此常引起供需雙方的糾紛,
  
  在市場經濟條件下它是一個必須解決的棘手問題。蒸汽是用途廣泛的能源介質,據稱國內有1/3~1/4的煤炭用於工業鍋爐燃料,全國工業鍋爐數量龐大,每台鍋爐皆需要配備蒸汽流量計進行計量,由此可見問題的重要性和艱巨性。
  
  ④成品油
  
  石油中的成品油是汽車、船舶、飛機等交通工具使用的能源,它涉及巨大的經濟利益,其流量計是銷售雙方結算的憑據,因此國家規定流量計量器具必須依法強製管理,成品油從煉油廠生產後,經油庫到供油站有眾多的流量計為其服務,其數量十分龐大。
       3.環保工程
  
  人口劇增,工業生產高速發展,環境嚴重惡化已達危機狀態,國家把可持續發展列為國策,它是21世紀最大的課題。空氣、水汙染必須得到控製,加強管理是控製的必要前提,管理的基礎工作是汙染量的確定。我國目前仍以煤為主要能源,全國有無數的煙囪向天空排放,必須在每個煙囪上安裝連續排放監測係統(CEMS),它由煙氣分析儀和流量計組成。煙廢氣流量測量是一個極為困難的測量問題,其困難在於煙囪口徑大,形狀不規則,氣體組份變化不定,流速變化範圍大,從極低速到高速,髒汙、灰塵、腐蝕嚴重,流道為非圓截麵,無相似性,流道內流速分布複雜,阻流件後無必要的安裝直管段可用,無法進行個別標定流量計儀表係數;高溫、低靜壓,要求檢測件壓損小等。廢液、汙水排放依法管理已是刻不容緩,但是可用的流量計仍需進行大量的研發工作,其困難問題有介質髒汙、口徑大、形狀特殊、壓頭低、流速範圍寬、常不滿管流動等。環保工程所需的流量計是一個極為複雜,但是充滿機遇的領域,製造企業在此領域大有可為。
  
  4.交通運輸
  
  交通運輸有五種方式:鐵路、公路、航空、水運和管道運送。在五種方式中管道運輸早已有之,但人們對它的認識尚不深刻,隨著環境問題的突出,管道輸送的特點引起人們的重視,例如煤炭一直由鐵路及水運輸送,裝卸及敞開運輸環境汙染極為嚴重,采用管道水利輸送,不但迅速高效,密閉衛生是其很大的優點。目前采用管道輸送的物料有原油、天然氣、人工燃氣、水、壓縮空氣、煤炭、穀物、水泥、礦物等。世界管道輸送主幹線已達250萬公裏,我國1996年僅達1.9萬公裏,今後5年規劃在建將達20萬公裏。管道運輸必須裝備流量計,它是控製、分配和調度的眼睛,亦是安全檢測(監視物流堵塞、泄漏)和經濟核算的必備工具。
  
  5.生物技術
  
  20世紀生物技術將要大發展,醫學、生物學、生態學和生物醫學工程一大批產業的蓬勃興起,對流量計提出許多新的要求。在生物產業中需監測的物質很多,如血液、尿液、藥液、營養液等;其測量的對象很多,如混相流、脈動流、非牛頓流體,是流量測量困難的對象。
  
  6.科研實驗
  
  科研實驗需要的流量計不但數量多,且品種極為繁雜,據統計流量計有100多種,其中很大一部分是應科研實驗研發的,它們並不批量生產也不在市麵出售,許多科研單位和大型企業皆設有專門研發流量計的小組,特別是國防部門,其需要的品種大多需自行研發生產。下麵舉些實例:化工中間試驗工廠:一般化工AG亚游官网产品需經中間試驗工廠小批生產,它是聯係實驗室研製和大批量生產的中間環節。在化工中間試驗工廠,流量計大都為小流量或微流量,必須自行研發供應。化工中間試驗工廠可稱為試驗數據生產廠,其數據的準確可靠是第一位,因此對儀表特性有嚴格要求。發動機效率試驗:發動機種類繁多,有泵、風機、壓縮機、動力機械等,發動機效率試驗必須檢測三個參數:溫度、壓力和流量,一般認為流量測量問題比較多,原因是應用條件流體特性(混相,髒汙腐蝕)及流動特性(阻流件複雜,無足夠直管段長度)的要求難以滿足。
  
  7.海洋氣象,江河湖泊
  
  這些領域為敞開流道,一般需測量流速,然後推算流量,流速計和流量計依據的物理原理及流體力學基礎理論是共通的,但儀表原理及結構、使用條件等仍有較大差別,國際學術會議常設為單獨主題,如明渠流量測量或河川流量等。國際標準化組織(ISO)設有專門的技術委員會(TC),負責製訂國際標準。
  
  以上AG亚游官网列舉七類應用領域,它遍及國民經濟各部門,國際標準化組織ISO,國際電工委員會IEC及國際法製計量組織OIML等設立眾多技術委員會,負責製訂涉及流量和流速測量的國際標準等。
國際標準化組織ISO有9個技術委員會涉及流量和流速測量:它們是TC30(封閉管道流量測量)、TC113(明渠)、TC28(石油AG亚游官网产品)、TC115(泵)、TC117(工業風機)、TC118(壓縮機)、TC131(液壓)、TC112(真空技術)、TC116(采暖);國際電工委員會IEC有3個技術委員會TC4(水輪機),TC5(汽輪機),TC65(流程測控);國際法製計量組織OIML有十餘個國際建議或國際文件涉及流量測量。
 

 

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