大口径通风管道流量测量技术的研究进展与趋势

马世海 刘思源

（中国核电工程有限公司）

随着科学技术的不断发展和国民经济水平的快速提高，在“双碳战略”目标背景下，流量测量相关领域也面临着巨大的机遇和挑战。 相应地，对管道流量测量的要求也越来越高。 目前，工业厂房的通风系统大多选择机械通风，依靠排风扇、通风机等机械设备输送空气，甚至部分工业领域需要实现厂房通风的分区管理，比如为了维持核设施厂房的正常运行，使用送风、排风机等设施进行通排风， 以维持厂房各分区的负压梯度。 由此可见，实现工业厂房中通风管道流量的准确测量，对厂房的正常运行至关重要［1］。

近几十年，工业设施的大型化已成为工业发展的必然趋势，厂房中的通风管道口径基本大于500 mm。 对于如此大口径管道流量的测量，采用普通管道式流量计测量时，存在设备笨重、压损大及能耗高等问题［2，3］。 因此，非接触式流量测量方式应运而生，如均速管流量计、热式质量流量计及气体超声波流量计等流量检测仪表，这些流量仪表避免了管道式流量仪表应用时的缺点，普遍具有结构简单、安装及维修方便等特点［4～7］。

1 大口径通风系统与通风管道流场分析

1.1 工业厂房通风系统设计目标

工业厂房的通风也称为稀释通风，不同工业领域的通风系统对送风和排风的要求也不相同，有的需要对厂房进行分区控制，保证一定负压梯度；有的需要对较大区域通风，要分为多个送风、排风子系统等。 不管哪种形式、哪个领域的工业厂房通风系统，通风管道都是通风系统重要的组成部分。 根据厂房规模，一般的通风管道直径设计为600～1 000 mm， 有的甚至达到4 000 mm以上。 因此，通风管道的合理设计不仅能提高通风系统的技术性能和使用效果，而且能够降低运行与投资费用。

1.2 通风管道流场情况分析

在敷设布置通风管道时， 依据通风工艺要求，必须在各口径的通风管道上安装支管、阀门、变径管、弯头及过滤器等各种管配件。 考虑厂房现场条件的限制以及通风管配件的各种组合形式，通风管道的流场无法达到充分发展紊流（一般认为需要经过30D，D为管径）的流场状态［8，9］。

绝大多数流量检测仪表都与管道流场中的流速分布有关，如果流场中某一截面各点流速不均匀，且由于通风管道的口径较大，检测仪表测点速时无法代表整个截面的流速，因此将造成较大的检测误差。

从以上分析可知，目前对于大口径通风管道流量检测的关键是选取合适的安装位置、合适的流量仪表并进行正确的安装与使用。

2 大口径通风流量测量技术

当前大口径通风管道的流量测量主要是从能效、 仪表安装及维护等方面进行充分考虑，保证测量能够满足厂房运行要求。 按结构，应用最为广泛的是插入式流量仪表和非接触流量仪表，该类仪表可以最大程度减小管道压力损失、节省资源，方便后期设备维护。

笔者主要探讨均速管流量计、热式质量流量计和气体超声波流量计在大口径通风管道流量测量中的应用， 内容主要在仪表结构与原理分析、仪表技术发展及通风流量应用分析等方面。

2.1 均速管流量计

2.1.1 结构与原理分析

均速管流量测量技术是从皮托管（Pitot）原理发展而来的流量检测技术，因此两类仪表都适用伯努利方程。 与皮托管测单点流速的不同之处在于，均速管流量计输出的压差是流体径向多点平均全压与平均静压的差值。 均速管流量计属于插入式流量检测仪表，其检测原理和仪表结构如图1所示［10，11］。

图1 均速管流量计检测原理和仪表结构示意图

均速管流量检测仪表杆是一根中空的金属杆，在流体流过检测仪表杆时，经过全压孔的压力值在正压腔内平均后通过高压取压口进行传递，而静压取压口的压力通过低压取压口进行传递。 通过高、低压取压口传递出的压力经过差压变送器等设备，可以得到流体经过均速管流量计后的压差值。

在检测过程中，忽略摩擦阻力、流体高度差等因素，根据标准伯努利方程可得：

式中 p1——各全压孔侧平均压力，Pa；

p2——静压孔侧压力，Pa；

V1——全压孔侧流体流速，m/s；

V2——静压孔侧流体流速，m/s；

ρ——流体密度，kg/m3。

对于稳定流体， 在全压孔侧的流体速度为零，根据式（1）可得：

近似得：

式中 V——管道内流体的平均流速，m/s。

但在实际测量过程中，管道内流场不能够达到稳定均匀，同时会存在摩擦阻力、管道规格尺寸不同等情况。 因此，式（3）不能直接应用于工程中，需要对其进行修正，修正后的计算式为：

式中 A——管道截面积，m2；

K——均速管流量系数，无量纲。

流量系数K需要均速管流量仪表厂家提供给用户，用于流量计算。 对同一类型的均速管流量计来说，实际上K值也不是同一个常数，一般会随着流体雷诺数的变化而变化。

2.1.2 技术发展及通风流量应用分析

早在20世纪60年代，均速管流量计就已经由美国的底特雷希标准公司 （Dietericn Standard Corporation）研制出来了，并在石油化工和化肥装置大口径管道的空气等介质流量的测量中应用。由于该仪表在大口径管道流量测量的优势，后续得到了广泛研究、应用和发展，并逐步发展出了多种截面类型的仪表，先后经历了圆形、菱形、机翼形、T形、子弹头形及德尔塔形等［11］。 早年，我国在引进相关化工装置的同时引进了均速管流量计，使得该类仪表在国内大口径流量测量领域得到广泛应用，并有多家仪表厂开始对该类仪表进行研究和生产， 进一步推动了该类仪表的应用。目前， 应用最为广泛的在发电厂一/二次风量、化肥厂风量及生产企业通风等多个领域大口径管道的流量检测。 根据全球流量仪表市场的调查数据，均速管流量计处于全球流量仪表的前十位［12］。

在应用均速管流量计测量管道流量时，同其他流量仪表一样，需要在满足一定的前、后直管段长度条件下才能保证测量结果的准确度，一般要求安装流量计前直管段长度为7D～25D，使流体成为充分发展的湍流。 但厂房内的大口径通风管道在很多时候无法布置足够长的直管，管道流场处于紊流状态，故一个径向的平均流速无法代表整个管道截面的平均流速，导致均速管流量计检测精度明显降低。 对于这种情况，可以考虑在同一截面插入多支均速管流量计，以充分反映通风管内的流速分布［13］，将单一均速管的径向线速度平均值等效为通风管道截面的平均速度，以此提高通风流量检测的精度。

均速管流量计的应用优势在于其结构简单、精确度相对较高、性价比高、维护方便，尤其是对于大口径管道压力损失小、节能效果显著。 目前，该类流量计随着人们认识程度的逐步深入，其应用范围也越来越广泛，越来越多的科研院所和厂家正在开展深入研究， 研究方向主要在以下3个方面：

a. 均速管流量计检测仪表杆截面形状；

b. 均速管流量计检测仪表杆开孔位置与开孔数量；

c. 均速管流量计的计算流体力学仿真。

2.2 热式质量流量计

2.2.1 结构与原理分析

热式质量流量计 （Thermal Mass Flow，TMF）是一种基于热传递原理实现管道流量测量的仪表，其理论基础源于金氏定律，目前应用最广泛的是恒功率法和恒温差法两类仪表。

金氏定律的工作原理是将两个温度传感器置于管道流体中，其中一个传感器用于检测流体温度T1，另一个传感器经一定功率的电加热，使其温度T2高于T1，随着管道流体流动不断带走热量，温度T2降低，即可根据温差求出管道的流量。基于金氏定律的热式质量流量计的工作原理如图2所示， 其中，Qm为流体的质量流量，P为热端传感器施加的电热功率。

图2 热式质量流量计工作原理

热式质量流量计依据的金氏定律表征的是与热散失率有关的各参量间的关系，即：

式中 Cv——定容比热容，J/（kg·K）；

d——热丝直径，m；

U——流体流速，m/s；

λ——流体的热导率，W/（m·K）。

将流体中表示自身属性的物理变量的积用某一个参数表示，可将式（5）优化为：

其中，K1、K2、K3为仪表设计和校准标定常数。

式（6）即为恒功率和恒温差两种形式的热式质量流量计应用的基础理论。

恒功率式，即电加热功率P恒定不变，流体经过管道时温差ΔT会发生变化，通过测量ΔT，根据金氏定律即可以计算出质量流量。

恒温差式，即保证ΔT恒定不变，随着流量的变化测量保证温差恒定的闭环电路输入功率P，根据金氏定律也可以计算出质量流量。

2.2.2 技术发展及通风流量应用分析

20世纪初，美国人托马斯设计了一种用于气体介质的插入式流量测量仪表，非常适用于大流量的测量，这种流量计直接将加热线圈和测温电阻接触被测气体， 因而不可避免地带来腐蚀、磨损及防爆等一系列问题。 到了20世纪50年代，开发出克服了托马斯流量计缺陷的边界层流量计，但流量测量结果容易受流体物性参数（如热导率等）的影响。 随着科学技术的进步和发展，对工业生产所用的大口径气体流量的检测需求越来越迫切。 1992年，库尔兹改进设计了一种新结构的热式质量流量计， 一经问世便得到了迅速的发展，现在已经广泛应用于各领域的大口径气体管路流量测量，尤其是在通风管道领域应用更为广泛。 我国对热式质量流量计的研究主要在2000年以后，矿冶研究院、中国科学院及华中科技大学等科研机构与高校都在进行热式气体质量流量计的研究，并取得了一定的成果，经过近20年的研究和发展，国内的热式质量仪表的技术研究也有了快速的发展。 国内热式质量流量计的市场应用中，国外产品占有率仍然较高，目前国内只有为数不多的一些厂商在进行生产，国内产品市场占有率较低。

热式质量流量计应用的最大特点是精度高、量程比大、结构简单、压损小、便于安装维护、故障率低、准确性和重复性好，不受温度和压力影响，但仪表检测的响应速度相对较慢。 在大口径通风管道中应用时，所测结果会受流场不规则流速分布的影响， 需要对仪表检测方案进行调整，如采用多点热式仪表、 增加检测仪表数量等，以提高这类仪表在大口径通风管道不规则流场应用的检测精度。

当前国内外在热式质量流量计领域的研究方向主要集中在以下方面：

a. 改进热式质量流量计的传感器结构，达到提升测量精度并增强环境适应度的目的；

b. 研究信号的处理方法，如采取补偿算法或者使用不同器件处理输出信号；

c. 改进开发多点热式质量流量计，以更加适应大口径管道气体流量的测量。

2.3 气体超声波流量计

2.3.1 结构与原理分析

气体超声波流量计是通过检测发射出的超声波与接收到的超声回波信号间的差异或两者的时间差， 达到测量介质流速和流量的目的。目前， 气体超声波流量计的测量方法有多普勒效应法、波束偏移法、相关法、噪声法和速度差法。

多普勒效应法是超声波遇到运动的颗粒反射回波后产生频率差，进而利用该差值间接获得流量的方法，可用于检测含有悬浮粒子或气泡的流体。

波束偏移法是超声波在垂直于流体方向传输时，流动的流体使其发生偏移，通过检测这个偏移量来检测流量，一般用于流速较高的场合。

相关法是利用信号周期性和噪声随机的特点，通过相关函数计算信号时间间隔，进而获得流量的方法。 该方法运算复杂，要求仪表有较强的运算处理能力，但抗干扰能力强。

噪声法通过检测流体流场自身的噪声信号，进而得到检测流体的流量。 该方法结构简单，但信号微弱，抗干扰能力差，精度低。

速度差法是国内外厂家广泛采用的方法，市场占有率较高［13］，该方法是利用超声波在流体传播顺流与逆流的速度差来求取流速或者流量，分为时差法、相位差法和频差法3种，其中相位差法和频差法在本质上与时差法是一致的，目前这两种方法由于无法克服流体温度变化带来的误差已逐渐较少应用，而时差法超声波流量计在大口径气体管道流量测量领域的应用越来越广泛。 时差法超声波流量计的工作原理如图3所示， 其中换能器A与换能器B以非接触方式安装于大口径管道，两个换能器彼此互为激发接收。 流体流动速度为u；当换热器A发射B接收时记为顺流时间tAB，反之B发射A接收时记为逆流时间tBA，两者存在一定的时间差； 两换能器的直线距离为L；L与管道的夹角为α；管道口径为D。

图3 时差法超声波流量计工作原理

由于超声波速度C受传输介质温度影响较大，导致在使用超声波检测流量时，实际工况温度发生变化会影响测量精度。 目前常用的改进算法如下：

结合式（7）～（9）可以推导出流体流速u，即：

从式（10）中可以看出，只要分别测出顺流、逆流的波程时间就可以得到管道内介质的流速，并且可以避免由于介质温度变化而导致的测量误差，提高测量精度，但此流速仅为管道中两转换器径向的平均线流速。

对于大口径风管流场分布情况比较复杂的情况，单通道的平均线流速无法代表整体截面的平均流速，此时需要采取多声道超声波流量计进行流量测量。 通过精确测量每个声道的流速，再采用加权积分方式计算大口径管道流量。

2.3.2 技术发展及通风流量应用分析

气体超声波流量计的研究可以追溯到20世纪30年代，德国学者Ruttgen首次提出利用超声波测量流量的概念， 此后各国开始了相关研究，1955年美国开发出了第1台超声波流量计并应用于工业领域。 随着微电子技术和信号处理技术的发展，20世纪70年代后， 气体超声波流量计的超声波换能器关键技术得到快速发展，使得气体超声波流量计逐渐在市场中广泛应用。 目前，世界上研究和生产气体超声波流量计处于技术领先地位的公司仍然集中在美国、日本、德国及英国等，他们的产品代表和引领了气体超声波检测技术的水平和趋势。 相比而言，我国对气体超声波流量计的研究起步较晚，20世纪60年代中期，上海工业自动化仪表研究所开发了适用于水电站的特大口径液体超声波流量计，后来北京大学等高校和科研机构也陆续开展了相关研究，在大口径液体管道测量方面有了长足进步。 但气体超声和液体超声相比，存在信号衰减大、信噪比低、噪声干扰严重及声透射不稳定等一系列不利因素，因此在液体超声中取得的信号处理方式无法适用于气体超声波流量计，国内一度没有可以采购的气体超声波流量计。 直到2002年，上海中和维思仪器仪表有限公司联合同济大学承担了气体超声波流量计的研制工作，于2005年取得样机认证，成为国内首家生产和销售气体超声波流量计的企业。

正是由于气体超声波流量计具有准确度高、无可动部件、非接触安装、双向测量、重复性好及无压损等众多优点，适合于大口径通风气体管道的检测，使得国内外研究学者及厂家在不断地攻克各项技术难关。 目前，气体超声波流量计已经日趋成熟，多个国家和国际组织先后发布了超声波流量计的标准规范，我国于2001年发布了GB/T 18604—2014 《用气体超声波流量计测量天然气流量》，2007年发布了JJG 1030—2007 《超声波流量计检定规程》。 正由于超声波流量计具有的精度高、适用性强等优点，已经广泛应用于各类贸易交接计量业务中［14～16］。 在进行大口径通风管道流量测量时， 对于通风管道流场分布不均的情况，可通过增加超声通道的方式在一定程度上弥补其检测精度不足的缺点。 但由于气体超声波流量计的技术门槛高，使得该类仪表相比其他类型的流量计价格较高，限制了它的广泛应用。

目前，国内外各公司和研究机构在气体超声波流量计领域的研究方向主要集中在以下方面：

a. 准确获取传感器的微弱信号。 工业现场环境使信号干扰加大，需要准确获得有效检测信号。

b. 提高接收信号时间的准确性。超声波检测信号为纳秒级，需要及时对接收到的超声波信号准确判别是否为第1波， 并对丢波情况设计处理方案。

c. 处理超声回波信号。 超声波传感器高输入阻抗的结构决定了信号耦合和放大过程的干扰程度，因此需要进一步对信号调理进行研究。

3 总结与展望

工业厂房大口径的通风流量检测一直是流量检测的 “痛点”， 早期采用管道式流量测量方案，压损大、经济性差。 随着技术的不断发展，逐步采用插入式均速管流量计、热式质量流量计和非接触式的超声波流量计测量方案，超声波流量计减小了压损，提高了经济性，这也是目前应用最广的测量方式。

目前，大口径通风流量仪表的研究趋势主要集中于提高仪表的检测精度、降低仪表造价等方向，同时针对仪表智能化、多参数检测的研究也越来越多，以期能够更好地适应各类大口径管道的气体流量测量。

我国当前在大口径通风流量测量领域的研究也有了较好成绩， 能够满足现场检测要求，但是相比国外产品，在检测精度、稳定性及可靠性等多方面还有较大差距， 需要继续加大投入，进行深入研究。