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基尔中国专题:流量计的应用现状及发展趋势

1.流量计概述

流量是现代工业测量过程中的一个重要参数,人类对流体的测量具有悠久的历史。从古罗马人测量居民用水流量、古埃及人测量河水流量到现代人对各种工业过程流量的计量,都充分体系了人类无穷的智慧。20世纪随着能源计量、环境保护、交通运输等应用领域对流量测量需求的牵引,使得流量计得到快速发展。尤其是微电子技术的迅速发展,为流量计的制造技术提供各种新型的元器件,进一步推动了流量计从机械式向智能化、模块化发展。新技术、新器件、新材料和新工艺及新软件的开发应用,使得流量计的测量准确度越来越高,流量的测量范围越来越广。同时流量计对测量介质的要求在降低,适用范围也越来越宽,智能化程度及可靠性得到了很大的提高。

2.流量计的分类及原理

流量计的分类有多种方法,如可按测量原理分类,也可按仪表功能分类及结构类型分类等等。本文逐一阐述各种流量计的原理和特点。

2.1 压差式流量计

压差式流量计是根据安装于管道中流量检测件产生的压差、已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来计算流量的仪表。压差流量计由检测件(一次装置)和压差转换、流量显示仪表(二次装置)组成。

压差式流量计的优点有:机构牢固,性能稳定可靠,使用寿命长;应用范围广泛,至今尚无任何一类流量计可与之相比;检测件、变送器、显示仪表分别由不同厂家产生,便于规模生成。

压差式流量计的缺点有:测量精度普遍偏低;范围度窄;现场安装条件要求高等。

压差式流量计式应用最广泛的流量计,在各类流量仪表中其使用量占首位。近年来,由于各种新型流量计的问世,其使用量百分比在逐渐下降,但目前仍是最重要的一类流量计。它在各工业部门的用量约占流量计全部用量的1/4-1/3。

2.2 浮子流量计

浮子流量计又可叫转子流量计,是变面积式流量计的一种,在一根由下向上扩大的垂直锥管中,圆形横截面的浮子的重量是由液体动力承受的,从而使浮子可以在锥管内自由地上升或下降。特别是在小、微流量方面有举足轻重地作用。

浮子流量计的优点有:玻璃锥管浮子流量计结构简单,使用方便;

浮子流量计的缺点有:耐压低,玻璃管较易碎等。

浮子流量计适用于小管径和低流速的流体测量。

> 2.3 容积式流量计

容积式流量计又称定排量流量计,测量精度很高。它利用机械测量元件把流体联系不断地分割成当已知的体积部分,根据测量室逐次重复地充满和排放该体积部分流体地次数来测量流体体积总量。

容积式流量计按其测量元件可分为椭圆齿轮流量计、刮板流量计、双转子流量计、旋转活塞流量计、往复活塞流量计、原判流量计、液封转筒式流量计、湿式气量计及膜式气量计等。

容积式流量计的优点有:计量精度高;安装管道条件对计量精度没有影响;可用于高黏度液体的测量;范围度宽;直读式仪表无须外部能源即可直接获得累计总量,清晰明了,操作简便。

容积式流量计的缺点有:结构复杂,体积庞大;被测介质种类、口径、介质工作状态局限性较大;不适用于高、低温场合;大部分仪表只适用于洁净单相流体;振动噪声较大。

2.4 涡轮流量计

涡轮流量计采用多叶片的涡轮转子感受流体平均速度,推导出流量或总量的仪表。它由传感器和显示仪两部分组成。

涡轮流量计优点有:流量计量最精确;重复性好;无零点漂移,抗干扰能力强;范围度宽;结构紧凑。

涡轮流量计的缺点有:不能长期保持校准特性;流体物性对流量特性有较大影响。

涡轮流量计在石油、有机液体、无机液体、液化气、天然气和低温流通的测量上获得广泛应用。

2.5 电磁流量计

电磁流量计以法拉第电磁感应定律测量流速,再利用某种方法测量流通截面液位高度,从而求得流通面积,两者相乘获得流量。电磁流量计具有一系列优良特性,可以解决其它流量计不易解决的问题,如脏污流、腐蚀流的测量。上世纪七八十年代电磁流量计在技术上取得了重大突破,使它成为应用广泛的一类流量计,使用率不断上升。

电磁流量计的优点有:测量通道是段光滑直管,不会阻塞,适用于测量含固体颗粒的液固二相流体,如纸浆、泥浆、污水等;不产生流量检测所造成的压力损失,节能效果好;所测得体积流量实际上不受流体密度、黏度、温度、压力和电导率变化的明显影响;流量范围大,口径范围宽;可应用于腐蚀性流体。

电磁流量计的缺点:不能测量电导率很低的液体,如石油制品;不能测量气体、蒸汽和含有较大气泡的液体;不能用于较高温度。电磁流量计应用领域广泛,大口径仪表较多应用于给排水工程;中小口径仪表常用于高要求或难测场合,如钢铁工业高炉风口冷却水控制,造纸工业测量纸浆液和黑液,化学工业的强腐蚀液,有色冶金工业的矿浆;小口径和微小口径仪表常用于医药工业、食品工业、生物化学等有卫生要求的场所。

2.6 涡街流量计

涡街流量计是在流体中安放一根非流线型游涡发生体,流体在发生体两侧交替地分离释放出两串规则地交错排列的游涡的仪表。按频率检出方式可分为应力式、应变式、电容式、热敏式、振动体式、光电式及超声式等,它们是最年轻的一类流量计,但发展迅速,目前已成为通用的一类流量计。

涡街流量计的优点有:结构简单牢固;适用流体种类多;精度较高;范围度宽;压损小。

涡街流量计的缺点有:不适用于低雷诺数测量;需较长直管段;仪表系数较低(与涡轮流量计相比);仪表在脉动流、多相流中尚缺乏应用经验。

2.7 超声流量计

适用于天然气存储交接计量的超声流量计,由于超声波在固体与气体界面上的传播效率低,管道外夹装超声换能器(探头)难以从管壁传送足够的声能,因此目前还没有外夹装式气体超声流量计。气体用超声流量计始于20世纪80年代初,大部分由测量短管和插入管壁换能器组成一体的形式出现,由于测量精度较低,过去未能在价格昂贵的天然气贸易结算计量领域占有一席之地,近年则出现多种型号精度较高的气体超声流量计。超声流量计利用超声波在不同液体中传播速度不同的物性,在测量流量的同时鉴别管道中液体类别。如欧洲在船舶卸油入库时常用超声流量计测量入库流量,同时判断输送的液体是石油还是油船的仓底水。超声流量计是通过检测流体流动对超声束(或超声脉冲)的作用以测量流量的仪表。根据对信号检测的原理,超声流量计可分为传播速度差法(直接时差法、时差法、相位差法和频差法)、波束偏移法、多普勒法、空间滤法及噪声法等。超声流量计和电磁流量计一样,因仪表流通通道未设置任何阻碍件,均属无阻碍流量计,是适于解决流量测量困难问题的一类流量计,特别在大口径流量测量方面有较突出的优点,是近年来发展迅速的一类流量计之一。

超声流量计的优点有:可做非接触式测量;无流动阻挠测量,无压力损失;可测量非导电性液体,对无阻挠测量的电磁流量计是一种补充。

超声流量计的缺点有:传播时间法超声流量计只能用于清洁液体和气体;而多普勒法超声流量计只能用于测量含有一定量悬浮颗粒和气泡的液体;多普勒法超声流量计测量精度不高。

2.8 科里奥利流量计

科里奥利流量计利用测量管部分振动频率相位差正比于质量流量以测流量,利用测量管谐振频率与管中被测介质密度间的函数关系求取密度。科里奥利流量计还从两个基本参数质量流量qm和密度ρ衍生得出体积流量qv;若被测液体是两种有一定密度差的混合液体,还可经密度演算得出一种液体在混合液中的浓度。

由于不同流量计的测量原理不同,流量计的用途也不尽相同,至今还没有一种流量计是通用的。每一种流量计总会由于其测量原理的局限,对测量介质种类、测量介质特性和流动变动特性的适应能力以及对环境条件的适应能力等方面原因,而在使用上受到限制。正因为如此,在新型流量计不断出现的同时,一些应用历史已经很长的传统流量计依然得到广泛的应用。

3.国内流量仪表市场分布情况

近几年来,从我国工业发展的需要出发,国内流量计的使用随着经济的发展,工业应用增长较快,行业协会提供的2003年及2005年统计数据分析汇总如表1。由表1可知,03年与05年各种流量计的市场需求有较大的增长,其中以差压变送器为最大,其次是浮子流量计。近几年流量仪表总体年增长率在15%以上。

4.流量计的发展趋势

流量计伴随着现代工业的发展有必要逐步完善其性能,而技术的进步也让流量计的完善成为可能。流量计的发展将向提高流量计的可靠性,提高流量计对介质适应性、对环境的适应性等方面发展。同时随着新的信号处理技术及新的信号传输技术的应用,流量计将向高度智能化方向发展。

水电站的应用与控制系统

老式调速器系统

常见故障:

(1) 电接点压力表的触点容量小,频繁启动产生火花,易被烧毛导致接触不良,使动作不可靠;

(2) 没有良好的人机接口,缺少与微机设备的对外联系,重要信号和开关量无法接入,如调速器的主要故障信号;

(3) 主用泵长期工作,备用泵长期待机,设备利用不平衡,备用泵得不到检验。关键时刻易失效,起不到备用作用,造成油压不正常,使调速器无法监测到油压;

(4) 保护系统不完善。电气设计陈旧,功能不全面,执行元件质量不合格,长时间使用后会出现拒动、误动等故障,无法执行正常的自动开、停机。

三、解决对策

(1)SIY-50型压力变送控制器,可帮助消除老旧调速器系统的主要故障隐患,促进原有调速器油压装置的自动控制系统改造,在水电站调速器系统上具有广泛的适用性。

SIY50型压力变送控制器

(2)SIY50型压力变送控制器,结合多年水电行业产品设计、应用经验,在确保产品使用可靠性的同时,解决了客户在安装、接线及调试等方面的烦恼。

(3)我们也为调速器生产厂家提供以压力变送控制器为基础的多种系统压力监测解决方案,充分满足调速器系统及设备的监测与配套要求。

四、应用解决

(1) 保证动作的可靠性

a.各控制接点采用继电器形式,负载能力高,可替代传统电接点压力表,解决由于产生火花,而导致触点接触不良、误动作或无动作的隐患;

b.根据调速器系统工作油压任意调节动作点,设定合适的回差,有效解决因频繁启动,或油压不稳造成的动作拨动(油泵反复误启停);

c.最大负载情况下开关寿命达10万次以上,保证了控制接点的长效性和稳定性;

d.独立实现油压系统压力控制与自动补气功能, 稳定、可靠。

冲击式水电站调速器系统

(2) 监测情况实时显示和掌握,实现自动化控制

a.根据现场实际情况可配置多种标准模拟量输出形式;

b.通过模拟量的输出,实现与微机设备的对外联系,向LCU系统或其他二次仪表提供稳定可靠的信号,实现监测量远传后显示;

c.压力变送控制器提供的模拟量及开关量均可输入到相应PLC中去,既为“自动化系统控制调速器系统”提供重要依据,也为LCU系统自动、手动调节提供参量。

LCU系统采集显示及控制

(3) 帮助提高设备利用率,延长设备使用寿命

a.压力变送控制器提供的模拟量输出及控制接点,可配合LCU系统完成主、备用泵交替工作;

b.配合示流信号器(如SIY90/SIY10系列),可实现两台泵互为备用泵功能,确保调速器系统工作油压正常。

主、备用泵工作现场

(4) 完善系统保护

a.输出量准确、稳定,避免长时间使用后出现拒动、误动;

设定事故油压报警点,为调速器系统实现自动保护控制, 提供可靠监测;

b.提供反接保护,过压保护,防止由于产品故障,造成调速器系统故障、损坏;

c.与现场其他机械式压力开关配合使用,实现双冗余保护,避免系统及设备部件损坏。

电子式、机械式产品共用现场

(5) 优化安装使用

a.多种安装方式,适应不同的需求;

b.采用活动接头安装方式,适用于空间狭小、拆卸过程不易的监测位置;

c.采用可拆卸端子,方便电气连接;

d.配备端子保护罩或防水接头,起到防尘、防短路功能。

安装使用现场

压力变送控制器成功应用于调速器系统,完善系统的自我保护功能,并促进对原有调速器油压装置自动控制系统的改造,提高了水电站的自动化程度、及经济效益。

此外, 压力变送控制器也可应用到其他设备及辅机系统中, 如: 技术供水管路控制、空气压缩系统及进水主阀控制等系统,帮助解决了原有控制系统的主要弊病,具有良好的行业适用性。

目前, 基尔传感器生产的各类压力变送控制器已成功应用于国内上百座水电站调速器系统中。如您需要水电行业现场技术支持,请及时与我们联系。基尔中国销售科

五、水电行业常用产品

压力变送器:

SIY50/SIY51/SIY40/

液位(油位)变送器:

SIY-SG10/SG20

流 量 计:SIY-D04

流量开关:SIY90/SIY10/SIY-L2/SIY-VI

压力变送控制器:SIY50

电缆浮球:SIY-A系列电缆浮球开关

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