【能源管理基础】流量计的主要类别及异同点、选型

作者|BobGriffin

无论是制造车间还是建筑住户都在努力设法使其设施更节能，对环境的影响更小。

在现今的商业环境中，控制能源费用未曾像今天这么重要。能源已成为企业、机构和消费者的热门话题。对于许多人来说，寻求新的、更好的办法来提高能源使用并提升能源效率，是一个高度优先的事项。为此，能源管理越来越遭到注重。

检测是能源管理的基础，由于要控制它，首先应当精确测定它。本文重点介绍了流量检测技术，由于他们主要适于天然气。按照还要罐流式锅炉，也会牵涉蒸气和水的主题，适于比较和提供背景信息。之外，还讨论了一些主要的流量计类别以及特点和劣势，以帮助安装工程师在应用时更好地进行选型。

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流量检测基础

品质流率可以依据被测物质的密度、物质流过的横截面积以及物质相对于目标区域的速率来估算。假如密度恒定，这相当简略。流量检测是对通过管线的液体或二氧化碳量的量化。流量可以量化为容积流量（如gal/min）或品质流量（如lb/hr）。速度仍然是某个时间单位内对某个单位的测度。

当气温、压力或成份发生变化时，这些流体的密度或许会发生变化。一些流体也或许具备组合相或夹带气泡。密度变化使品质流量检测更复杂，但气体测委比液体测量更复杂。

有许多适于测定流量的技术和设计，但并非每种流量检测技术都适用于能源检测应用。为了成为能源检测应用中的候选技术，流量检测应当具备费用效益、无创性、易于安装且费用低廉。该技术还应当具备适宜于应用的牢靠性和精确性。

在制造业中，流量检测对于使用原材料制造产品或为产品提高价值的营运至关重要。对准确流量检测仪表的需求，是由业务需求或环境限制驱动的，比如还要更严苛的过程控制，以减低排放和提升效率。

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流量计类别

每种流量传感器技术和每种流量计都有异同点。在市场上广泛使用的流量计中，所用的流量传感器技术主要包括：液位（DP）、容积式、科里奥利（或品质流）、涡街和涡轮。

液位装置包括节流孔、文丘里管、流量喷管、皮托管、均速皮托管和V形锥。体积式装置包括旋转曲轴、隔膜和涡轮机。请留意，市场上也有更多类别的流量计。不过，本文讨论的重点不包括主要适于流体的设备。

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液位流量计

液位流量计的运行还要在液体、气体或蒸气流道中放置节流装置，如孔板、流量喷管、皮托管或文丘里管，并测定其上的压差。孔板是使用最广泛的节流装置，一般会形成最大的压力损失。蒸气流速随通过该节流孔的压降的平方根而变化。液位变送器检测通过节流孔的压降。

虽然孔板式液位流量计一般具备较低的初始费用，没有联通部件，而且安装费用也较低，但他们具备压力损失高、量程低的劣势，但是随着时间的推移检测精确性增加。孔板最终或许因锈蚀而造成影响流量计的测量。

目前安装的许多流量检测仪表，都基于液位传感器技术。在每年发货的所有流量检测变送器中，液位变送器约占一半。智能多变量压力变送器在检测范围、精度、重复性和进行多次测定的能力方面的改进，为这项成熟但依然可行的技术平添了生命力。

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体积式流量计

体积式流量计通过机械联通流量计中的联通部件来检测流量，于是估算单位时间内的位移总量。用每位计数表示流体的容积量。每天计数时，流体就会通过流量计。流量计运动部件，由被计量的流体压力驱动。

旋叶式流量计（rotarylobeflowmeters）。该流量计可直接测定在实际工作压力下通过它的流体的实际容积。两个逆向旋转的轴套在外壳内旋转。流经流量计的氢气或液体驱动轴套，阀座将已知容积的二氧化碳困在缝隙中。流量与旋转速率成比列。

通过估算转数并将计数除以每转所置换的已知容积来检测容积。计数可以通过机械或电子形式完成。最常见的布置是在轴套中嵌入磁石。由安装在仪表壳体中的接近继电器感应。由磁石驱动的继电器，激活就地数字显示器生物质锅炉，或键入到一个完整的电子系统，适于处理、校正和远程通讯。

旋叶式流量计主要适于商业和工业顾客的天然气收费：负荷超出每小时1000立方公尺。他们主要适于工业和油气生产中的二氧化碳和液体。他们还被适于能源管理的工业分项计量应用中。使用他们的主要成因是高精度和结实性，且维护费用低。ANSI/ASCB109.3批准这种计量表可适于监护转移。

在使用旋叶式流量计时还要留意，在测量范围外的流体气温和压力下工作时，应当将容积流量校准到标准条件。当计量表适于收费时，此功能可以手动完成。假如出现机械故障，建议使用配置自动隔离阀的旁路。

隔膜流量计（diaphragmflowmeters）。它包括一个充漫天然气（或其他氢气）的壳体，并包含两个氮气波纹管（隔膜）。每位隔膜都有一个滑阀，可以交替打开和关掉每位隔膜的进口阀和出口阀。当二氧化碳流入流量计时，波纹管通过滑阀交替富有和排空，滑阀充当计数器。

当每位管件关掉后打开时，估算一个已知容积的氢气。机械曲轴将每位管件连结到一个计数器，该计数器记录计数，并在表带上显示计数。氢气被排放在仪表壳体和仪表出口。两组波纹管和管件交替运行，以提供连续的气流。该机构由波纹管上的二氧化碳压力驱动，其结果是仪表上的压降很小。

在天然气收费应用中，隔膜流量计的上游安装有压力调节器，可以保持恒定压力。那样就不须要压力校准变送器。气温变化或许会造成误差。其实，在实践中，当通过地下管线供水时，气温变化很小。

隔膜流量计的特点包括：价钱实惠且精确，适用于大型能源管理项目。具有脉冲输出和通讯能力。它的劣势包括：只好适于清洁氢气；大规格、重且高昂。

涡轮流量计（turbineflowmeters）。涡轮流量计有各类规格、类型和价钱。适用于这些工业应用，以及水和天然气公用事业公司的收费项目。适于计量二氧化碳和水的公用事业型涡轮机，被批准适于监管转移。他们一般具备经校准的品质流量读数电子输出和通讯能力。涡轮流量计的一个突出用途是对大量顾客进行计量和收费。

工业涡轮流量计还有在线式和插入式两种。插入式涡轮流量计的宽度和材料范围很广，从0.5英寸到36英寸并且更大。因为其才能检测小型管线流量，所以一般适于水塔二氧化碳检测。在工业领域，它广泛应适于测定蒸气、水、空气和其它二氧化碳的流量。工业涡轮流量计直接测定流体或气流的速率。在流量计上还要一个流量计算机或多变量智能变送器。

带有附加茎秆的定子漂浮在自由运行联轴器的流体或气流中。定子的扭矩（RPM）与液体或氢气速率成反比。有几种方式可以估算涡轮机的旋转，包括嵌入到定子或茎秆中的磁性和机电传感。这种传感形成微弱的脉冲或占空比电子输出，通过电子形式将其转化为流速，于是在变送器上将其转化为4-20mA输出讯号。通过将容积流量除以流体密度来估算品质流量。品质流量等于流速除以密度除以管线面积。

校准后的品质流量还要额外的键入，包括压力和湿度。在线式工业涡轮流量计适用于能源管理，由于其半径范围广泛，费用较低。

在线式工业涡轮流量计的优势包括：良好的精确性和重复性；规格范围广；管线所需上游直线宽度最小；以及费用相对较低。其劣势主要是安装费用较高，以及运动部件易受污染物的影响。

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科里奥利流量计

科里奥利流量计技术提供直接品质流量检测，不受压力、温度、密度和流体黏度变化的影响。科里奥利流量计有多种配置，包括U形管、双U形管、弯管和直管设计，所有那些流量计都按照以下原理工作：

■待测定的液体或氢气踏入流量管的一端，流量管遭到外部震荡驱动，电气震荡器按照管设计和液体或氢气密度以管的固有速率（约10kHz）震动。流量管一般由316镀锌或其它金属（如钛）制成，详细取决于应用。

■当液体或氢气流经流量管时，它会遭到外部震荡驱动器造成的向下或向上的力。科里奥利力与驱动力相反，从流入侧向上推进管子，从流出侧向下推进管子，致使管子扭曲。

■位于流量管各支腿上的传感测试管线扭曲时的位置和速率。随着品质流量的变化，两个传感之间存在相移。该相移与液体或氢气的品质流量成反比。

■科里奥利流量计搭载了基于微处理器的讯号处理系统，该系统解释来自传感的原始讯号和正在检测的频移，将其转化为可由标准仪表和数据系统使用的讯号，如4-20mA、脉冲和电流输出。

科里奥利流量计有着广泛的应用。最初的应用是在石油和物理工业中检测多种液体，主要适于过程控制目的。因为精度高，它还适于石油和天然气行业的监管转移。科里奥利流量计已适于测定高硬度流体、泥浆和混和相流体，如油和水、带气泡的水、空气中的褐煤等。

近期，设计改进和精度增强使科里奥利流量计成为计量二氧化碳的候选流量计。他们能否计量工业氢气，并已适于天然气大顾客的监管转移。他们也可适于高温气态或液态氧、氮和甲烷。

科里奥利品质流量计有太多特点：直接品质流量读数，无需校准压力或湿度；高调节比：标准为20:1，还要时可达100:1；无需在上游和下游敷设直管；才能计量多种液体、气体、泥浆和混和相流；铸铁流管是标准配置；这些机型可以计量高温氢气；特别高的精度和重复性；低维护和监管转移批准。它的一个劣势是与大多数其它计量表相比，费用相对较高。

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涡街流量计

涡街流量计的运行，是基于一种被称为“冯卡门效应”的原理。冯卡门效应运用：在通过放置在流体中的非流线型或“钝”体时，流体会形成在体后部断裂的旋涡。这种涡流可以被测量、计数和显示。旋涡的速率与液体或氢气的流速成反比。在理想条件下，断裂速率和流体速率呈近似线性关系。

典型的涡街流量计应用包括机组和用户处的直接蒸气检测，以及作为机组燃料的天然气检测。蒸气是最难检测的流体，由于牵涉低温高压，使得检测参数因蒸气类别而异。涡街流量计是蒸气流量检测的首选，由于它还能承受高压和低温。

涡街流量计特别靠谱。他们还具备广泛的检测范围，这意味着他们可以测定不同速率下的蒸气流量。涡街流量计的其它特点包括便于安装、维护费用低、安装费用适中和精度高。其实，他们对震动和进口流量有些敏感。

多变量涡街流量计包括压力和湿度传感。不仅流速、温度和压力外罐流式锅炉，流量计还使用这种传感来确定容积流量、流体密度和品质流量。多变量涡街流量计无需单独的流量计算机即可执行必要的品质流量补偿。

关键概念：

■控制能源费用未曾像今天这么重要。

■每种流量传感器技术和每种流量计都有异同点。

■并非每种流量检测技术都适用于能源检测应用。

探讨一下：

在能源管理方面您都采取了这些举措？