《计控信息报》重要论文转载《流量测量方法和仪表漫谈》(一)

现转载一篇《计控信息报》2011年3月25日第820期头版登载的孙淮清教授的最新论文一篇，供业界同仁参考。流量测量方法和仪表漫谈（一）重庆工业自动化仪表研究所孙淮清流量测量是研究物质量变的科学，质量互变规律是事物联系发展的基本规律，量是事物所固有的一种规定性，它是事物的规模、程度、速度以及它的构成成份在空间上的排列组合等可以用数量表示的规定性。因此，其测量对象不限于传统意义上的管道流体，凡需掌握量变的地方（场合）都有流量测量的问题。例如，城市交通的调度，需掌握汽车的车流量变化，它是现代化城市交通管理需检测的一个参数。流量、压力和温度并列为三大检测参数，对于一定的流体，只要知道这三个参数就可计算其具有的能量，在能量转换的测量中必须检测此三个参数，而能量转换是一切生产过程和科学实验的基础，因此，流量、压力和温度仪表得到最广泛的应用。一、流量测量方法和仪表的应用领域流量测量方法和仪表的应用大致有以下七个领域：1.过程控制工程流量仪表是过程控制工程的主要检测仪表之一，它被广泛应用于冶金、电力、煤炭、化工、石油、交通、建筑、轻纺、食品、医药、农业、环保及人民日常生活等国民经济的各个领域，它是发展工农业生产，节约能源，改进产品质量，提高经济效益和管理水平的重要工具，在国民经济中占有重要的地位。在过程自动化仪表和装置中，流量仪表有两大功用：作为过程自动化控制系统的检测仪表和测量物料数量的总量表。据统计，流量仪表的产值约占全部过程自动化仪表与装置的五分之一。2.能源计量能源分为一次能源（煤炭、原油、瓦斯气、石油气、天然气），二次能源（电力、焦炭、煤气、成品油、液化石油气、蒸汽）及载能工质（压缩空气、氧、氮、氢、水等）。2007年颁布的《中华人民共和国节约能源法》说明我国的能源政策开发与节约并举，把节约放在首位的能源发展战略，节约能源是指加强用能管理，采取技术上可行，经济上合理及环境和社会可以承受的措施，从能源生产到消费的各个环节，降低消耗，减少损失和污染物排放，制止浪费，有效合理地利用能源。由上述可见，必须在能源生产到消费的各个环节，设置能源计量仪表，掌握其数量才能实施有效管理。2006年颁布国家标准GB17167-2006《用能单位能源计量器具配备和管理通则》，标准从推荐性修改为强制性，能源计量器具配备除工业企业外，推广为全民性，对计量器具提出准确度的强制性要求。标准中能源指电力、煤炭、原油、成品油、重油、煤气、天然气、蒸汽、热水、水等，从能源消耗限定值看，城市人民生活用能源亦大部分包括在内。现分别对几种主要能源的流量计量情况简介如下：①水“水是世界的命脉”是第七届世界水大会的主题。我国是水资源严重缺乏的国家，经济高速发展，水危机的阴影已笼罩在我国上空，上述节约能源法指出对付水危机的根本战略。首先来看一看我国的水资源环境现状：我国水资源人均为世界人均的22.3%；地区分布不均，南方占81%，北方占19%；年际及年内分布不均，夏半年约占75%，冬半年占25%；黄、淮、海流域面积占全国面积13.4%，耕地占39%，人口占35%，GDP占32%，水资源仅占7.7%，人均约500m3/人，是最缺水的地区。国民经济的高速发展，水污染日益严重，全国约75%以上的湖泊水域、53%近岸海域受到显著污染，118座大城市浅层地下水中97.5%受到污染，水的危机严重影响到国民经济的可持续发展，因此必须采取坚决有力的措施，才能扭转这个不利局面。采取的措施大致有以下几项：a.节水：节水的政策为“节水优先，治污为本，多渠道开源”，建立节水型社会是唯一出路；b.治污：控制污染的方法，末端治理——排多少，处理多少；源头治理——清洁生产，减少污染物的生成；c.污水再生回用：城市污水回用于农田灌溉，把宝贵的水资源更多用于城市；d.缺水地区多渠道开源：海水利用：加大海水淡化科研战略，雨洪水利用。调水：目前正在实施南水北调，科学调配水资源等。在任何节水治污中对水的数量掌握准确是不可或缺的，流量计量在所有环节都是必须的。②煤气、天然气煤气是人工燃气，天然气是非人工燃气，我国城市燃气正在经历从煤制气到天然气的气源转换过程，今后城市燃气将以天然气为主要燃料。煤气在冶金工业有高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气，是钢铁联合企业的重要二次能源，以前由于流量计量难度大，无法准确计量，无法有效回收利用，只好排空，甚至达到30%排空量，不但浪费能源，还严重污染环境。近年新型流量计——测管式流量计的投用，可使有些钢厂达到煤气全回收，零排量，是一项值得大力推广的新能源。21世纪是天然气的世纪，天然气是优质的燃料和化工原料。作为燃料，它燃烧完全，单位发热量大，燃烧后产物对于环境影响小；作为化工原料，它洁净、质优、成本低，可用它生产多种精细化工产品和高附加值产品，天然气的以上特性是它深受用户青睐的原因。19世纪煤经历100年超过柴薪为第一能源，20世纪石油经历60年超过煤，天然气将用40年在2020年超过石油成为第一能源。天然气的持续稳定发展可维持50年以上。我国是天然气储量丰富的国家，在世界处于前列。但天然气发展严重滞后，21世纪初在能源百分比中只占2%（约200亿m3），而欧美一般为30%～40%，相比差距极大，近年国家重点超高速发展，西气东输一、二、三期与境外（中亚、俄罗斯）天然气工程建设力度空前。国内天然气年消耗量连翻番，目前已达800亿m3/年，占比亦达4%左右，2020年期望能达10%。天然气是深埋于地下，通过气井开采出来的烃类和少量非烃类混合气体的总称。必须经集气、气液分流、单井计量、脱硫、脱水、回收轻烃、膨胀、制冷、换热、吸附和精馏、外输计量等工艺加工处理过程后，才能保证气体混合物的露点、水含量、热值含量，CO2和H2S的最大允许浓度等技术规定，成为天然气商品销售给天然气管道公司，管道公司作为储运部门将天然气输送到各城市，有城市天然气公司经城市管网销售给用户。整个天然气输送，加工处理，储运销售，综合利用需要众多的过程检测控制仪表，其中流量仪表占据特殊重要的位置。以下我们仅举些实例来说明流量计量在天然气工业中的重要性。在天然气气井开采中测量酸气（WetGas）（凝析天然气）是近年国际上的热点课题，测量凝析天然气的流量计称为湿气流量计，它可代替测试分离器应用于单井计量，气藏动态监测及储量优化配置等，它带来的利益巨大，如对于开采操作决策提供宝贵的依据；保证气井的合理开采，指导添加水合物抑制剂量，防止水合物的“危害”；代替巨大笨重的测试分离器，大大提高现场测试的实时性，完整性，准确性和提高效率等。湿气是指高气体体积含率的天然气，一般高于95%，目前国际上尚没有统一的定义。气井中液相成份由携带的和由于地面生成系统温度压力降低而凝析生成的烷烃类轻组份，饱和水以及防止水合物形成人工加入的注剂等组成，其体积含率少于5%，此种少量液体粘附于管壁周围，管道中央为高速气流，亦即形成所谓环状流动结构，液体的流动非常复杂，它与气体有速度滑移，甚至形成间歇不均匀流动，因此其测量准确度的确定非常困难。目前已研发的品牌很多，如SolartronIAS公司的Dualstream2型多相流流量计，Schlumberger公司的双解谱γ射线文丘里多相流流量计，Agar公司的MPFM-400型多相流流量计等，但是各种流量计都有一定的适用范围，不能成为普遍应用的流量计。城市是天然气使用的最终用户，在城市中既有工业企业，又有城市公用事业，它是一个复杂的用户群，其需求多种多样。城市天然气流量计量系统是天然气管理、调度、销售的依据，流量计量是天然气供需双方贸易结算的凭证，亦是生产部门用气效率的主要技术指标。在企业生产和经营管理中流量计量是一项日常进行的重要的技术基础工作，准确的流量计量可以适时改进生产工艺，提高产品质量，降低产品成本，确保生产安全，保障合理经营管理和提高经济效益及社会效益。城市公用事业用气关系到人民日常生活质量，城市的气化是一个城市现代化标志之一。目前我国仍有相当部分的城市依靠煤炭作为主要燃料，它对城市环境影响极大，国家能源结构的调整就是为了改善城市的生态环境，天然气的推广使用是造福人民的一件大事，城市车用燃料以气代油又是一项改善城市环境的重大举措，目前已在全国普遍推广普及，相信不久的将来，城市加气站将逐渐代替加油站，而加气站的核心仪表就是流量计。③蒸汽蒸汽分过热蒸汽和饱和蒸气，前者为单相介质。在火力发电厂过热蒸汽做为工质推动汽轮机带动发电机发电，蒸汽流量测量在电厂中对生产质量和安全至关重要，现代火力发电厂机组为高压高温状态，过热蒸汽流量采用标准喷嘴测量，有国际标准和国家标准为依据。饱和蒸气由工业锅炉生产，一般为中低压、中温状态，它是汽水混合物，工业锅炉出口处为高干度（0.95以上）饱和蒸气，但输送到用户处，由于管道热散耗干度逐渐下降，成为含水量大的汽水混合物，它属于混相流，在流量测量中是困难的测量对象，目前尚没有满意的流量计可用，由此常引起供需双方的纠纷，在市场经济条件下它是一个必须解决的棘手问题。蒸汽是用途广泛的能源介质，据称国内有1/3～1/4的煤炭用于工业锅炉燃料，全国工业锅炉数量庞大，每台锅炉皆需要配备蒸汽流量计进行计量，由此可见问题的重要性和艰巨性。④成品油石油中的成品油是汽车、船舶、飞机等交通工具使用的能源，它涉及巨大的经济利益，其流量计是销售双方结算的凭据，因此国家规定流量计量器具必须依法强制管理，成品油从炼油厂生产后，经油库到供油站有众多的流量计为其服务，其数量十分庞大。3.环保工程人口剧增，工业生产高速发展，环境严重恶化已达危机状态，国家把可持续发展列为国策，它是21世纪最大的课题。空气、水污染必须得到控制，加强管理是控制的必要前提，管理的基础工作是污染量的确定。我国目前仍以煤为主要能源，全国有无数的烟囱向天空排放，必须在每个烟囱上安装连续排放监测系统（CEMS），它由烟气分析仪和流量计组成。烟废气流量测量是一个极为困难的测量问题，其困难在于烟囱口径大，形状不规则，气体组份变化不定，流速变化范围大，从极低速到高速，脏污、灰尘、腐蚀严重，流道为非圆截面，无相似性，流道内流速分布复杂，阻流件后无必要的安装直管段可用，无法进行个别标定流量计仪表系数；高温、低静压，要求检测件压损小等。废液、污水排放依法管理已是刻不容缓，但是可用的流量计仍需进行大量的研发工作，其困难问题有介质脏污、口径大、形状特殊、压头低、流速范围宽、常不满管流动等。环保工程所需的流量计是一个极为复杂，但是充满机遇的领域，制造企业在此领域大有可为。4.交通运输交通运输有五种方式：铁路、公路、航空、水运和管道运送。在五种方式中管道运输早已有之，但人们对它的认识尚不深刻，随着环境问题的突出，管道输送的特点引起人们的重视，例如煤炭一直由铁路及水运输送，装卸及敞开运输环境污染极为严重，采用管道水利输送，不但迅速高效，密闭卫生是其很大的优点。目前采用管道输送的物料有原油、天然气、人工燃气、水、压缩空气、煤炭、谷物、水泥、矿物等。世界管道输送主干线已达250万公里，我国1996年仅达1.9万公里，今后5年规划在建将达20万公里。管道运输必须装备流量计，它是控制、分配和调度的眼睛，亦是安全检测（监视物流堵塞、泄漏）和经济核算的必备工具。