超声波流量计在热水交接计量的应用

为充分利用企业余热，中国石化镇海炼化分公司（以下简称镇海炼化）将二甲苯装置产出的热水（出装置压力不大于1.4MPa、温度140～150℃）供给金海德旗公司，金海德旗公司换热使用后把回水返送给镇海炼化。金海德旗公司负责设置上水和回水流量差上限报警，为30t/h，回水温度上限95℃，下限85℃。热水和回水均安装了超声波流量计，供水交接量和回水监督量由镇海炼化配置的西门子超声波流量计计量；回水交接量和供水监督量由金海德旗公司配置的弗莱克森超声波流量计计量。通过近一年的应用，取得了较好的经济效益，实现了企业余热利用的最大化。

1 超声波流量计介绍

超声波流量计是一种利用超声波脉冲测量流体流量的速度式流量仪表，是20世纪70年代国际上发展起来的高科技产品，广泛用于自来水、水利、化工、冶金、电力、石油、环保、采暖空调等各行各业。

超声波流量计采用先进的“时差法”测量原理———声波在流体中顺流、逆流传播相同距离时存在的时间差与被测流体的流动速度有关，测出这个时间差就可以得出流体的流速，也就可以计算出流体的流量。超声波流量计由主机和传感器两部分组成，使用时将传感器贴装在管壁外侧或采用插入式探头插入管壁内。超声波流量计的测量原理见图1。

图1 超声波流量计时差法测量原理

图1中，A、B是一对可轮流发射或接收超声波脉冲的换能器。超声波入射时在管壁及流体界面处都会发生折射，α为入射角，β和γ分别为超声波进入管壁和流体的折射角，Cα、Cβ、Cγ分别为在三种介质中的声速，V为流体的流速，根据声波折射定律

    （1）

则声波在换能器内的传播时间

    （2）

声波在管壁内传播时间

    （3）

声波在流体内传播时间

顺流时从A到B：

    （4）

逆流时从B到A：

    （5）

声波总传播时间

从A到B（顺流时）：

    （6）

从B到A（逆流时）：

    （7）

已知变量：α、Cα、Cβ、h、d、L1、L2、L3、K

实际测得量：t_AB、t_BA

平均时间：t_avg=（t_AB+t_BA）/2

时间差：Δt=t_BA－t_AB

介质声速：      （8）

流体流速：      （9）

液体流量：      （10）

供水交接量和回水监督量配置了2台西门子7ME3110分体式管道式超声波流量计，压力等级ANSI150，法兰和本体材质使用碳钢，传感器外壳材质和传感器接触面材质选用316L不锈钢材质。换能器型号选用FUS060，可以在不断流的情况下轻松更换。最高温度200℃，外壳防护等级IP67，防爆等级EExdⅡCT4，输出信号为4～20mA。为了确保数据准确，配备了博世达FC2000-1AE的热量积累仪，同时把温度信号也引入热量积累仪，经过计量后，通过RS485将热量信号、温度信号和流量信号上传到DCS系统。

回水交接量和供水监督量配置了2台德国弗莱克森公司的ADM8027/FSM便携式超声波流量计，探头直接安装在管道外壁上，自身无磨损，不受介质影响，安装简便快速，无需切断工艺管道，无需工艺停车，并且无压损。由于采用独特的双uP技术、高速采样和自适应信号处理技术，即使在苛刻的测量工况下也能可靠而稳定地工作。自动识别探头及其标定数据，能缩短设置时间，并能提供精确、持久稳定的测量结果。外夹式探头经ATEXzone1认证，量程宽，测量管径范围从DN10mm～DN6500mm，测量温度范围从－40～+400℃；防尘、防潮，用户界面友好。为了确保超声波流量计数据准确，采用浙中控无纸记录仪，型号AR4102AOROOPWOC4SCFC1NAC/513，同时把温度信号也引入无纸记录仪，经过计量后，通过RS485将热量信号、温度信号和流量信号上传到DCS系统。

2 在热水计量中的应用及分析

超声波流量计于2012年8月份投运以后，在压力稳定在1.0MPa的情况下，两者的比对差率为0.5%，达到贸易结算要求。每月热水按39470t输送量，则月效益142万元，全年创效可达到1700万元，经济效益显著。应用情况总结如下。

（1）选用了进口的超声波流量计，选型前对压力等级、最高温度、流量范围、工艺管径等工艺参数进行反复确认。由于进水温度比回水温度高，选用了不同的传感器，而且对传感器的安装完全按说明书要求进行，确保了流量计的正常使用。

（2）超声波流量计输出均配流量积算功能，实现水的热量计算和累积，水的密度和焓值根据温度和压力进行补偿。导入一定压力下的温度－密度（ρ）/焓值（h）对照表，运用内插的方法，计算得出相应温度下对应的水密度和焓值，并通过公式E=∫ρ·h·Fvdt，其中Fv为体积流量，t为单位时间，计算得到热量。由于压力对计算的准确性影响较小，所以双方均没有引入压力动态补偿，在运行稳定的时候，将稳定工况下的固定压力导入补偿结算公式。

（3）双方技术人员以相同标准对4台超声波流量计进行了安装验收，对组态参数进行确认，要求温度和流量量程、小信号切除点、滤波时间等参数完全一致。密度和热焓均根据IAPWS-IF97中的公式计算。IAPWS-IF97公式根据不同的压力和温度把密度和热焓有效范围分成5个区，如图2所示，1区为常规水区；2区为过热蒸汽区；3区为临界区；4区为饱和线，即为湿蒸汽区；5区为低压高温区。针对热水主要使用第1区。

通过式（11）可实现热量计算

E_热量=Q_质量×h_热焓=V_体积×ρ_密度×h_热焓            （11）

图2 密度和热焓的不同分区

（4）双方技术人员共同参与超声波流量计的调试，发现问题进行整改。在投运初期根据实际工况通过手动查表进行计算的结果和结算仪的显示值进行比对。2012-08-29双方共同对回水的交接量进行验算，数据见表1。

表1 回水的交接量数据

通过比对，差率符合要求。在调试2台超声波流量计时，发现超声波流量计输出流量单位与结算仪中流量单位参数不匹配。当时外供热水设计流量为质量流量，计量单位为t，因此，最初超声波流量计表头流量设置的是质量流量，而博世达FC2000-1AE热量积累仪设定为体积流量，实际热水供水压力1.0～1.13MPa、温度145～148℃，回水压力0.3MPa、温度为87～100℃，因此，带来热水密度转换时造成的流量误差。为此，重新设置了超声波流量计流量单位，由质量流量变更为体积流量输出，以匹配流量计与热量结算仪参数一致。

3 计量中需改进的问题

3.1 流量监控时双方体积流量可比对性差

双方热水输送距离有6km，镇海炼化供水温度147℃，金海德旗公司收到温度141℃；金海德旗公司回水温度99℃，镇海炼化收到温度97℃，长输线及热量损失决定了双方交接量若采用超声波流量计提供的体积量可比性较差，仅金海德旗公司供回水表体积差量可达4～9m³/h。因此，热水输送的特殊性决定双方供回水交接量的比对只能用结算仪提供的质量流量进行比对。

3.2 压力波动对质量流量的影响

计量投运后发现压力波动对质量流量准确性有影响，特别是压力增大时，双方质量流量比对偏差也开始增大，2012年10月开工初期双方交接质量流量比对差率为－0.66%，11月达到－1.08%。

图3为2012年12月上半月压力与交接质量流量差率变化情况。

图3 2012年12月上半月压力与交接质量流量差率变化情况

由于镇海炼化的热水流量、温度信号均引入FC2000-1AE热量积累仪中，实现了实时补偿，压力变送器信号未引入结算仪中，压力采用了固定参数设置，镇海炼化结算仪中供水压力设置为1.0MPa，回水压力设置为0.3MPa，结算仪根据温压参数计算出质量。压力固定造成密度计算的差异，从而造成质量流量的偏差。

3.3 压力补偿对经济效益的影响

为避免压力波动对质量流量与热量结算的影响，尽量稳定供回水压力在设定压力，同时FC2000-1AE热量积累仪可引入压力变送器信号进行压力实时补偿，建议原管道上用于压力控制的变送器信号可通过信号分配器一分为二，其中一路输出至FC2000-1AE热量积累仪中解决压力波动对流量的影响，实现实时压力补偿。经测算供水压力在1.0MPa基础上升高0.07MPa，质量流量偏差增大1%，每月热水按39470t输送量，则月亏损1.42万元。

3.4 温度误差对经济效益的影响

虽然镇海炼化的热水流量中的温度信号引入FC2000-1AE热量积累仪中，实现了实时补偿，但温度计配的二级热电偶，误差达2.5℃。对热电偶检定结果显示常用温度范围检定误差为－1.68%，温度低2.2～3℃。如160℃供水温度，温差2.7℃，影响热值差量3.463GJ，每日亏损3.463×36=125元，则月亏损0.4万元。建议选用热电阻作为贸易交接的温度补偿温度计。

4 结论

超声波流量计通过测量流量，同时配置流量积累仪和根据需要配压力和温度补偿，能够准确用于热能的贸易计量，确保能源的准确计量，并在热水交接计量中获得较好的应用，具有广阔的推广空间。