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水垢对便携式超声波流量计测量的影响
点击次数:867 发布时间:2015-04-02

  工业锅炉热效率是衡量锅炉正常运行与否的主要指标,随着国家节能减排工作的逐步展开,国家对锅炉运行热效率要求不断提高。因此,对锅炉能效测试数据准确程度也逐步提高。而对锅炉的给水流量的测定数据直接决定了锅炉出力的计算,进而影响到锅炉热效率,因此能否准确地测试出锅炉的给水流量,对于锅炉能效测试工作至关重要。
  锅炉给水流量的测量多选用便携式超声波流量计,此种流量计可从管道外侧安装来测量锅炉给水流量,不会影响到管道内流体的正常流通,具有测量精度高、安装方便、调试便利、不受管径大小局限等特点。然而由于受到锅炉运行时间及水质好坏的影响,锅炉给水管道或多或少都有些水垢贴壁,那么结垢层对超声波计量流量的影响究竟如何?
1、测量原理
  想分析上面问题需先了解超声波流量计的测量原理。超声波流量计采用时差式流量测量的方法,其原理是通过测量介质对双向声波信号的影响,来确定介质的流速,测量原理如图1 所示。在管道管壁外以一定的间距安装流量计的两个传感器(A、B),实现交替发射和接收超声波。
  当超声波在无流动的介质中传播时,从传感器A到传感器B 的声波信号传送时间与从从传感器B 到传感器A 的声波信号传送时间相同;然而当管道内介质流动时,由于介质流速对声波信号的影响,顺着管道内流体流动方向的上游传感器A 发射超声波传到下游传感器B 的时间要比下游传感器B 发射超声波信号传输到上游传感器A 的时间要长。管道内流体的流动速度可通过两个信号之间产生的时间差△t计算求出,再与管道流通截面积相乘,即可计算出流量。

设:D——管道内径;
C——管道中声速;
L——声道长度;
V——管道中流体速度;
Q——管道中流体流量;
V1——顺流超声波传播速度;
V2——逆流超声波传播速度;
t1——超声波从上游传感器传播到下游传感器所需时间;
t2——超声波从下游传感器传播到上游传感器所需时间。
由图1分析可知:V1 =C+V cosθ V2 =C-V cosθ

2、有水垢情况下的流量分析
  由于目前进行锅炉能效测试时,部分锅炉由于没有水处理设备并且锅炉投入运行时间较长,会导致供水管道上有水垢的存在,由上面推导出的流量计算公式可知,管道内流体的流量与管道的内径大小有关,而通常使用超声波流量计进行测量时,仪器输入的参数上并未考虑管道上的结垢厚度,因此,实际测量的时候流量计算会有误差。
超声波流量计在结垢的管道上进行测量流量时,超声波传播的时间由两部分组成:一部分为在水垢层内的传播时间,另一部分为在管道流体内的传播时间。由于超声波在水垢层的传播速度要远大于超声波在水中的传播速度,并且水垢层的厚度相比于管道内径也很小,所以超声波在水垢层的传播时间比超声波在流体中的传播时间要小得多,可以忽略不计。
设:d——除去水垢层后管道内径;

  由于d 略小于D,所以超声波流量计测试的显示值要大于管道中实际的流量值。
3、现场实际测试情况与误差分析
在某锅炉测试现场,锅炉进水管经过大修时更换了一段新管,笔者在其他条件不变的情况下,分别用同一台超声波流量计测试了新管和大修前存在水垢的旧管的给水流量。输入参数:管道外径219mm,管壁厚度5mm,得到的测试数据如下:

从上表的数据可知,不改变输入参数的情况下,同样测试条件,有水垢的旧管测试流量要大于新管的测试流量,流量的相对误差值为:
[(279.38-272.23)/272.23]×100%=2.63%
  因此,管道的壁厚是影响超声波流量计测试误差的一项重要参数。在使用超声波流量计进行管道流量测量时,对于管道内结垢较厚的情况下,若仍按照设计壁厚值进行输入,必然会影响流量计测量的精度。因此,只有使用管道的实际壁厚代替管道的设计壁厚作为超声波流量计的输入参数,才能更加准确地得到更接近管道实际流量的测试流量,进而减小测量误差。而在目前的测试情况下,可通过超声波测厚仪测量值来代表管道包含水垢层的实际壁厚作为输入值。
通过超声波测厚仪测试可得到,有水垢层的旧管管壁的厚度为6.36mm,将此参数输入流量计进行测量,得到测量流量如下表:

此时流量的相对误差为:
[(274.36-272.23)/272.23]×100%=0.78%
对比上面的数据可知,考虑到水垢层的相对误差远远小于未考虑水垢层厚度的相对误差。因此,在进行锅炉能效测试用超声波流量计测量给水流量时,对于使用年限较长、管壁结垢较严重的管道,应按照实际测量的管壁厚度来调整流量计的输入参数,可提高超声波流量计的测量精度。
  在目前锅炉能效测试中,使用超声波流量计测量流量是一种成熟而又实用的方法,并且超声波流量计测试值直接影响锅炉能效的数据的准确性。而目前能效测试过程中遇到的使用年限较长、管壁结垢较厚的管道也不在少数,通过上面分析可以得出:
(1)当超声波流量计壁厚输入参数为设计参数时,超声波流量计测试的显示值要大于管道中实际的流量值。
(2)当超声波流量计壁厚输入参数为使用超声波测厚仪的测量值时,超声波流量计的相对误差远小于壁厚输入为设计参数的相对误差。
(3)对于使用年限较长、管内壁结垢较厚的管道,应尽量按照实际测量的管壁厚度调整流量计的参数,可以提高流量计的测量精度。

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