流量计实现能源管理

建筑业主、制造商和机构必须设法使他们的设施更节能，同时减少对环境的影响。

通过鲍勃·格里芬 2021年10月4日

恩布里奇天然气分销公司

在当今的商业环境下，保持能源成本在一定范围内从未如此重要。能源已经成为企业、政府和消费者的热门话题。对许多人来说，寻找新的更好的方法来减少能源使用和提高能源效率是当务之急。因此，能源管理越来越受到重视。

测量是能量管理的基础，因为要控制它，你必须首先测量它。例如，建筑和校园管理人员会向租户开具电费、水费、天然气费、供暖用锅炉水和空调制冷用冷冻水的发票。必须测量这些效用，并根据时间累积它们的使用，以产生准确的账单。

本文的重点是流量测量技术，因为它们主要应用于天然气。涉及蒸汽和水的主题包括比较和/或上下文根据需要。流量计类型也进行了讨论，尽管列表并不详尽。

流动基础

质量流量可以由被测物质的密度、物质流过的横截面积和物质相对于所测面积的速度来计算。如果密度是恒定的，这是相当简单的。流量测量是对通过管道或管道的流体或气体的量进行量化。流量可以量化为体积流量(如gal/min)或质量流量(如lb/hr)。速率总是某个度量单位相对于某个时间单位。

当温度、压力或成分发生变化时，某些流体的密度可能发生变化。有些流体也可能有相结合或夹带气泡。密度的变化使质量流量测量变得更加复杂——但气体比液体更复杂。

有许多测量流量的技术和设计，但并不是每一种流量测量技术都适合于能源监测应用。为了使流量测量技术成为能源监测应用的一个很好的候选者，它必须具有成本效益，非侵入性，易于安装且价格低廉。该技术还必须具有适合应用的可靠性和准确性。

在制造业中，流量测量对于从原材料生产产品或为产品增加价值的过程工厂的操作是必不可少的。对精确流量测量仪器的需求是由业务需求或环境限制驱动的，例如需要更严格的过程控制，从而减少排放和提高效率。

流量计类型

每种流量传感技术和每种流量计都有各自的优缺点。市场上广泛应用的流量计装置中的流量传感技术包括:

压差(DP)
容积式
科里奥利(或质量流)
涡
涡轮机。

DP装置包括孔口，文丘里管，流动喷嘴，皮托管，平均皮托管和v锥。正位移装置包括转叶、隔膜和涡轮。

请注意，市场上有更多的流量计类型。然而，主要用于流体的设备不在本文中介绍。

DP流量计

DP流量计的操作需要放置一个流量限制装置，如孔板，流量喷嘴，皮托管，或文丘里管在流体，气体或蒸汽的流动路径，并测量横跨它的压差。孔板是最广泛使用的限制，通常造成最大的压力损失(见图1)。蒸汽流量随通过该限制的压降的平方根而变化。DP变送器测量通过限制的压力下降。

图1:孔板流量计的横截面显示水流方向。提供:Spirax Sarco蒸汽工程教程

虽然孔板型DP流量计的初始成本通常较低，没有活动部件，并且可以便宜地安装，但它们具有高压损失，低量程，并且随着时间的推移会失去精度。孔板最终会磨损到足以影响流量计的校准。

目前安装的许多流量测量仪器都是基于dp传感技术。DP变送器约占所有流量测量变送器每年出货的一半。智能多变量压力变送器在测量范围、精度、可重复性和多次测量能力方面的改进，为这项成熟但仍然可行的技术增添了生命。

容积式流量计

正位移仪表通过机械位移仪表中的运动部件来测量流量，然后计算每单位时间内的位移次数。每个计数代表液体的体积量。每次计数时，液体都会通过仪表。驱动仪表运动部件所需的能量是由被测量流体的压力提供的。

转叶式流量计。转叶流量计直接测量在实际工作压力下通过它的流体的实际体积。两个反向旋转的叶片叶轮在一个机匣内旋转。流经仪表的气体或液体驱动叶轮，叶轮将已知体积的气体困在空隙中。流量与旋转速度成正比。

体积的测量方法是计算转数，并将转数乘以每转一圈的已知位移体积。计数可以用机械或电子方式完成。最常见的安排是在耳垂中嵌入磁铁。这些是通过安装在仪表外壳上的接近开关拾取器来检测的。由磁铁驱动的开关激活本地数字显示器或输入到一个完整的电子系统进行处理，校正和远程通信。

当负荷超过每小时1000立方英尺(CFH)时，旋转式流量计主要用于商业和工业客户的天然气计费。它们主要用于工业和石油和天然气生产中的气体和液体。它们也被用于能源管理的工业分表应用。其使用的主要原因是精度高，坚固耐用。ANSI/ASC B 109.3批准这些仪表进行保管转移。

旋叶式流量计的优点包括:

精度高。
大批量生产，成本低。
非常低的降压比。
能够测量低雷诺数的流体。
可靠，坚固耐用。维护成本低。

其他因素包括:

当在超出校准范围的流体温度和压力下操作时，体积流量必须校正到标准条件。当电表用作计费电表时，此功能将自动完成。
如果发生机械故障，建议采用带手动隔离阀的旁路。

隔膜流量计。隔膜流量计包括一个充有天然气(或其他气体)的外壳，并容纳两个气体波纹管(隔膜)。每个隔膜都有一个滑阀，交替打开和关闭每个隔膜的进口阀门和出口阀门。当气体流入仪表时，波纹管通过充当计数器的滑阀交替充和放空。当每个阀门关闭然后打开时，计算一个已知的气体体积。机械连杆将每个阀门连接到计数器上，计数器记录计数，并在表盘上显示计数。气体被排放到仪表外壳和仪表出口。两套波纹管和阀门交替操作，以提供连续的气体流动。该机构由波纹管上的气体压力驱动，结果是仪表上的压降很小。

用于天然气计费应用的隔膜表在上游安装了压力调节器，以保持恒定的压力。这样就不需要压力校正变送器了。温度变化会引起误差。然而，在实践中，当天然气通过地下管道供应时，温度变化很小。

膜片流量计的优点包括:

既便宜又准确。
可用于小型能源管理项目。
脉冲输出和通信能力是可用的。

膜片流量计的缺点包括:

只能与清洁气体一起使用。
大号的又大又重又贵。

涡轮流量计。涡轮流量计有多种尺寸，类型和价格。它们用于工业中的许多应用以及水和天然气公用事业的计费目的。用于计量燃气和水的公用型涡轮机批准保管转让。涡轮流量计通过AGA报告7。它们通常配有校正质量流量读数、电子输出和通信能力。涡轮电表的一个突出用途是对大容量客户进行计量和计费(参见图2)。

图2:天然气储气输送用公用型涡轮流量计。恩布里奇天然气分销公司

工业涡轮流量计也可作为在线和插入类型。插入式涡轮流量计有各种尺寸和材料，从1 / 2英寸到36英寸或更大。由于它们能够测量大管道流量，它们经常用于烟囱气体监测。它们涵盖了广泛的工业应用，用于测量蒸汽，水，空气流量和其他气体。

工业涡轮流量计直接测量流体或气流的速度Q_V。结合速度测量，可以用P和T输入计算质量流量。流量计需要流量计算机或多变量智能变送器。

带有附加叶片的转子悬浮在自由运转的轴承上的流体或气流中。转子的转速(RPM)与流体或气体的速度成正比。有几种方法来计算涡轮机的旋转，包括从嵌入转子或叶片的磁和电传感器。这些换能器产生一个弱脉冲或正弦波电子输出，它被电子转换成流速Q_V，然后从发射机输出4- 20ma信号。通过将体积流量乘以流体密度来计算质量流量。质量流量等于流速乘以密度乘以管道面积。

问_米=问_V*r * A

修正后的质量流需要额外的输入，包括压力和温度。

直列式工业涡轮流量计适用于能源管理应用，因为它们的直径范围很广，成本较低。

工业用直列式涡轮流量计的优点包括:

良好的准确性和重复性。
尺寸范围广。
所需的上游直管长度最小。
可能成本低。
安装成本低，插入式。

工业上，直列式涡轮流量计的缺点包括:

安装成本高，直列式。
移动部件——易受污染。

科里奥利流量计

科里奥利流量计技术提供直接的质量流量测量，独立于压力，温度，密度和流体粘度的变化。科里奥利流量计有多种配置，包括u型管，双u型管，弯管和直管设计，所有这些设计都遵循以下原则:

要测量的流体或气体进入流管的一端，流管受到外部振荡驱动器的影响，这是一个机电振荡器，根据管的设计和流体或气体密度，以管的固有频率(约10 kHz)振动。流管通常由316不锈钢或其他金属制成，如钛，具体取决于应用。
当流体或气体流过流管时，它受到由外部振荡驱动器引起的向上或向下的力。科里奥利力与驱动力相反，从流入侧向上推管，从流出侧向下推管，导致管扭曲。扭转运动也是一种振荡。
安装在流管每个支腿上的传感器在管道扭曲时检测管道的位置和频率。当质量流量变化时，两个传感器之间存在相移。这种相移与流体或气体的质量流量成正比。
科里奥利仪表配备了一个基于微处理器的信号处理系统，该系统可以解释来自传感器的原始信号和被测量的频移，将这些信号转换为可用于标准仪器和数据系统(如4-20 mA，脉冲和电压输出)的信号。

科里奥利流量计具有广泛的应用范围。最初的应用是在石油和化学工业中测量多种液体，主要用于过程控制目的。AGA报告11称，由于其准确性高，它也用于石油和天然气行业的保管转移。科里奥利流量计已被用于测量高粘度流体、泥浆和混合相流体，如油和水、带气泡的水、空气中的煤粉等。

兼容的流体包括原油、低温液体、聚合物、沥青、燃料油、油漆、硝酸、磷酸、熔融硫、氢氧化钠和沥青砂。食品包括啤酒、果汁、牛奶、馅饼馅和花生酱。

最近，设计的改进和精度的提高使科里奥利流量计成为计量气体的候选。它们能够计量工业气体，并已用于大型用户的天然气客户转移(见图3)。它们还可以应用于低温气体或液氧，氮气和CO₂。

图3:用于天然气测量的科里奥利质量流量计。承蒙:艾默生自动化解决方案

科里奥利质量流量计的优点包括:

直接质量流量读数，无需校正压力或温度。
高降压比:标准为20:1，要求为100:1。
上下游不需要直管。
可计量多种液体、气体、浆料及混相流。
标准配置为不锈钢流管。
能够计量低温气体，一些型号。
非常高的精度和可重复性。
低维护。
托管转移批准。

科里奥利质量流量计的缺点包括:

与大多数其他仪表相比，成本较高。
中度PPL，除了直通式科里奥利。

涡街流量计

旋涡流量计的运行是基于一种叫做“冯·卡门效应”的原理。冯·卡门效应利用流体通过放置在流中的非流线型或“钝”体，产生从体后部脱落的涡流。这些漩涡可以被检测、计数和显示。涡旋的频率与流体或气体的流速成正比。在理想条件下，脱落频率与流体速度呈近似线性关系。

典型的涡流流量计应用包括直接蒸汽测量，无论是在锅炉和使用点，和天然气测量锅炉燃料流量。蒸汽是最难测量的流体，因为它的压力和温度都很高，而且测量参数因蒸汽类型而异。涡流流量计是蒸汽流量测量的首选，因为它们能够承受这些高过程压力和温度。

涡流流量计是非常可靠的。它们也有很宽的量程，这意味着它们可以测量不同速度下的蒸汽流量。涡旋流量计的其他优点包括易于安装，维护费用低，安装成本适中，精度好。然而，它们对振动和进口流量有些敏感。

多变量涡流流量计包括压力和温度传感器。除了流量、温度和压力外，流量计还使用这些传感器来确定体积流量、流体密度和质量流量。多变量涡旋流量计执行必要的质量流量补偿没有一个单独的流量计算机。

-这篇文章发表在天然气技术补充。