流量测量仪表的应用现状和发展趋势

流量测量仪表的应用现状和发展趋势

中国仪器仪表学会 流量专业委员会委员 北京菲波安乐仪表有限公司 代总经理

沈兴武 （教授级高工）

流量是炼化工艺过程中最重要的测量控制热工参量。流量测量仪表是炼油化工厂最广泛使用和最重要的现场测量仪表。炼化生产过程的检测和控制装置已经进入了数字化，智能化，网络化时代。流量测量信息和其它现场仪表的测量信息作为炼化工艺过程控制系统和工厂信息管理系统的组成部分，对系统的运行起着基础的重要的作用。

本文将就流量测量仪表的分类，应用现状和发展趋势做一些介绍和分析，供炼化工厂流量仪表的选用参考。

一 流量测量仪表的分类

流量测量仪表有多种分类方法，例如，按测量原理分类：有电磁流量计、节流流量计、涡轮流量计、超声流量计等；按仪表功能分类：有流量计量表、流量传感器、流量变送器、流量开关等；按结构类型分类：有满管式流量计、插入式流量计等；按测量量分类：有体积流量计、质量流量计等；按仪表的环境适应性分类：有普通型流量计、防爆型流量计、潜水型流量计等等。

最基本的分类是按测量原理分类。流量测量仪表按测量原理分类可分为： 1）节流型流量计（差压式流量计）：标准孔板、标准喷嘴、及其它派生的孔板和喷嘴：圆缺孔板、1/4圆喷嘴、文丘利喷嘴、均速管流量计（差压）、楔型流量计等等；

2）容积式流量计：齿轮流量计、旋转活塞流量计、刮板流量计、体积管流量计等等； 3）电磁流量计：种类繁多的常规电磁流量计、插入式电磁流量计、不满管电磁流量计等等；

4）转子（浮子）流量计：玻璃转子流量计、电远传金属管转子流量计等；

5）超声流量计：按原理细分又可分为渡越时间差超声流量计和多普勒超声流量计； 6）涡轮流量计；

7）流体振荡型流量计：涡街流量计、旋进流量计、（振荡）射流流量计； 8）热式流量计；

9）直接质量流量计：哥氏力质量流量计、径流横动量式质量流量计； 10）相关流量计：流动相关流量计、热相关流量计等等； 11）激光流量计：很少作为工业现场仪表使用。

为了对各种流量计的市场发展做分析和预测，国际上有人将1950年代后开发的电磁流量计、涡街流量计、哥氏力质量流量计和超声流量计称为新技术流量计，其余则列入传统流量计范畴。新技术流量计的共同特点在于：更高的精度、更高的可靠性和更多依赖于电子与信息技术。

二 流量测量仪表的应用和发展现状

可以用一句话简单地把流量测量仪表的应用和发展现状归纳为：在新技术流量计快速发展的同时，传统流量仪表不断推陈出新，依然在发挥重要作用。

各种不同测量原理，各种不同功能和结构设计的流量测量仪表有其不同的用途。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（温度、压力、粘度、相态、导电性、腐蚀性） 和流量变动特性的适应能力以及对环境条件适应能力等方面的原因，而在使用上受到限制。正因为如此，在新型流量测量仪表不断出现的同时，一些应用历史已经很长的传统流量测量仪表依然得到广泛的应用，继续在现代测量控制系统中发挥重要的作用。传统流量计由于使用历史长，积累的使用量大，它门在某些特定领域有长处，加上使用者的习惯性，世界范围内的近几年销售台数依然约占总数的2/3，尽管绝对销售额有下降的趋势（预测2002-2007 为-2.7%）。

容积式流量计33%涡轮流量计34%哥氏力质量流量计5%超声流量计3%孔板流量计1%涡街流量计5%电磁流量计19%

[图 2001年各种流量计销售台数份额]

以下对各种流量计的使用和发展做一简要分析。

1）容积式流量计：

由于容积式流量计的计量精度高,和对高粘度油品有较好的适应性而继续被大量应用；

2）浮子流量计：

由于开发了金属管浮子流量计和采用电磁信号传输技术而使应用范围大大扩展；

[图 各种不同结构的浮子流量计]

3）节流流量计：

节流流量计由于技术成熟，耐高温高压和高可靠性而在一些领域（电力、炼油、化工）依然不可替代。多年来在以下几个方面有许多发展：

a. 针对节流装置流量测量范围度小的缺点，开发了可更换孔板流量计； b. 针对孔板锐边磨损造成精度下降问题，开发了耐磨孔板（预磨孔板）；

c. 在差压信号测量、处理方面，温度压力参数跟踪修正方面也有许多重大的改进； d. 楔形流量计由于其良好的介质通用性，近年来得到越来越多的应用。

4）电磁流量计：

电磁流量计在石油化工、城市建设、环保事业方面用量很大；技术发展迅速。 a. 口径系列日趋完整：从微小口径到超大口径：1mm-3000mm b. 电极和衬里材料多样化：衬里：硬橡胶、氯丁橡胶（耐油）、聚四氟乙烯、改性聚四氟乙烯（PFA）、聚氨脂（耐磨损）、氧化铝陶瓷（耐高温、耐磨损）； 电极：1Cr18Ni9Ti, 0Cr18Ni12MoTi (316L), 哈氏B（抗还原性酸），哈氏C（抗还原性酸），钛，钽，铂，铂铱合金，导电橡胶，导电氟塑料等。 c. 新型电磁流量计不断涌现： 无电极电磁流量计

低电导率液体电磁流量计：常规5 μS/cm 新设计：0.05 μS/cm 不满管电磁流量计 电磁流量变送器 插入式电磁流量计 潜水型电磁流量计

[图：各种不同衬里的电磁流量计]

电磁流量计是销售额最大的流量仪表。2001年全球销售约30万台，占总量18.5%，销售额为5.74 亿美元,占总销售额的份额也正好为18.5%。预计今后若干年的平均增长率为4.5%，2006年销售额将达7.16亿美元，预计将占总销售额21%。

5）哥氏力质量流量计：

哥氏力质量流量计是90年代才开始应用的新型直接测量质量流量的流量计。历史上曾经开发过基于涡轮流量计的径流横动量式直接质量流量计，但是没有得到真正的实际应用。还曾经采用振动密度计和（速度式）体积流量计组成的质量流量测量系统。市场上还有热式直接质量流量计。哥氏力质量流量计的出现，直接质量测量原理和理想的高精度，使质量流量测量进入了一个全新的时代。

炼化工艺过程的高精度控制需要和贵重油品贸易结算对质量流量计量的高精度要求,导致了哥氏力质量流量计近十几年来在全球范围内的快速发展。产品设计出现了百花齐放的局面。从U型管到各种形状的弯管再到直管（1994），从双测量管到单测量管，市场上精度在0.1%到0.3%的哥氏力质量流量计不下数十种。2001年全球销售台数达9.5万台,销售额达4.1亿美元，占流量计总销售额的13.2%。预计今后若干年，将以平均高于10%的增长率成长，2006年销售额预计将达6.7亿美元。但是，业内人士人为，由于种种原因，国内今后若干年哥氏力质量流量计新装数量将呈下降趋势。

哥氏力质量流量计现场使用常遇到的问题集中在几个方面：管道机械振动造成测量附加误差；安装应力导致仪表不能正常工作；被测流体多相或在流量计内局部出现相变情况下，测量精度下降；薄型弯管使用中磨损导致精度下降甚至导致测量管破裂；现场使用精度与出厂检定精度一致性不能确认等等。哥氏力质量流量计的高昂价格也是选用者不能回避的问题。Fisher & Porter GmbH 单螺旋管哥氏力质量流量计的开发目标在于有效克服以上问题，但其效果有待实践的检验。

[图 单螺旋管哥氏力质量流量计的外观]

6）超声流量计：

超声流量计的使用历史并不算很短，早期绝大多数用于液体（尤其是水）的流量测量。近年来，随着气体超声流量计的技术日趋成熟，超声流量计的市场迅速扩大，销售额快速增长。2001年全球共销售了约5万台超声流量计。预计今后若干年，将以平均15%的增长率成长，2006年销售额预计将达2.4亿美元（不包括明渠超声流量计）。是预计中增速最大的流量计。

近年来超声流量计呼声越来越高，越来越被看好的原因，主要是超声流量计不但可用于液体还可用于气体，无运动部件，无阻力损失，流量范围大等优点满足了广大用户的需要。但是某些市场行为和行政干预的作用也功不可没。1996年欧洲天然气生产企业协会（GERG）发布了一项采用多声道超声流量计作为天然气贸易结算法定用表的法规，自从多声道超声流量计用作天然气贸易结算用表后，欧洲用量猛增。

就在GERG法规发布后不久，美国的天然气生产商会同美国煤气协会（AGA）也获得了与GERG相同的认证，导致了1998年6月AGA-9文件的发布。该文件规定了天然气供应商和采购商采用超声流量计作为贸易结算时必须遵循的原则条款。AGA-9的发布实施再一次强力推动了多声道超声流量计在天然气行业的大量应用。这种推动作用一直持续到2001年以后。大批原来不生产超声流量计的流量计专业厂家纷纷投入到超声流量计产家的队伍中来。其中有SIEMENS，Eastech Badger, EMCO, E+H等。

与用法制手段推动的同时，欧美仪表界也开展了声势浩大的宣传活动，与超声流量计厂家有关系的研究机构近年来在各种流量国际会议上发表了大量论文，推介超声流量计。例如，2000年在巴西举行的FLOMEKO2000会上，美国代表就极力推介在天然气采用超声流量计，甚至提出采用超声流量计作为流量装置传递基准的主张。会上也有欧洲研究人员发表了对立的观点。认为：天然气组分及其随机变化对声速会有影响；天然气中杂质会造成的仪表运行问题；管道中流速分布对测量精度的影响常常超出理论上的估计。

超声流量计可分为传播时间（差）法和多普勒（频移）法。后者产品精度较差（一般低于2级）而高精度的传播时间（差）法超声流量计（最高达0.5级）均采用多声道设计原理。

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