江蘇金鼎自動化儀表有限公司 ：姚佳明
引言
流量儀表在檢測被測流體參數(shù)的同時，會導(dǎo)致被測流體能量的損耗。在蒸汽、天然氣等氣體介質(zhì)的流量檢測領(lǐng)域，孔板流量計被廣泛使用。流量儀表在實現(xiàn)有效計量的同時，也成為能量損耗的重要因素?？茖W(xué)選擇流量儀表，以有效解決準(zhǔn)確計量與計量儀表耗能這一矛盾，是做好能源計量的重要工作。經(jīng)過理論分析和實踐總結(jié)，我們提出在氣體流量測量中盡可能采用以彎管流量計替代常見的孔板式差壓流量測量裝置，可以實現(xiàn)既準(zhǔn)確測量氣體的流量，又能免除孔板節(jié)流裝置的壓損，達(dá)到節(jié)能效果。
1彎管流量計的測量原理和節(jié)能原理
1.1彎管流量計的測量原理
流體在流經(jīng)彎管時，由于彎曲管壁的導(dǎo)流作用，使流體在流進(jìn)彎管時其內(nèi)側(cè)流速會逐漸增大，而外側(cè)流速卻逐漸減小，這就形成了各個過流斷面的近似梯形速度分布，且這種梯形速度分布在彎管45°截面處達(dá)到極限狀態(tài)。彎管45°截面各質(zhì)點流速分布如圖1所示。
由于流體流經(jīng)彎管流量計過程的復(fù)雜性，致使我們不可能用通常的理論方法推導(dǎo)出一個簡單的數(shù)學(xué)表達(dá)式，而只能借助于量綱分析的方法建立一個涵蓋全部可能影響因素而形式上復(fù)雜的數(shù)學(xué)表達(dá)式。根據(jù)量綱分析原理：流過彎管流量計流體的平均流速與彎管內(nèi)、外側(cè)壓力差Δp的關(guān)系可以用歐拉數(shù)Eu表示：
式中：Re為雷諾數(shù)；Fr為費勞德數(shù)；Ma為馬赫數(shù)；R/D為彎徑比；L1、L2為前后直管長度；（λ1，λ2）表示外側(cè)取壓孔位置；（λ3，λ4）表示內(nèi)側(cè)取壓孔位置；Δ為管道內(nèi)壁粗糙度；β1、β2為前后直管段與彎管的夾角。
根據(jù)歐拉數(shù)Eu的定義，上式可以進(jìn)一步改寫為：
式中：α為流量系數(shù)。
式（3）建立了流體流過彎管流量計的工作原理表達(dá)式，根據(jù)歐拉數(shù)Eu的定義，彎管流量計工作原理可以表述為：流過彎管流量計的流體動能（ρν2）與彎管內(nèi)外側(cè)的壓力差（Δp）具有比例關(guān)系。其比例系數(shù)（流量系數(shù)）α是雷諾數(shù)、費勞德數(shù)、馬赫數(shù)、彎徑比、前后直管段長度、取壓孔（內(nèi)、外側(cè)）位置、直管段與彎管的連接角度、彎管內(nèi)表面的粗糙度等影響因素的函數(shù)。
式（4）給出了理論流量系數(shù)α的函數(shù)表達(dá)式，對于該系數(shù)的確定可以通過求解包含相關(guān)影響因素的納維—斯托克斯微分方程確定。
1.2彎管流量計的節(jié)能原理
對于火力發(fā)電企業(yè)，彎管流量計取代孔板節(jié)流裝置是否具有節(jié)能效果，可以通過發(fā)電機(jī)組的汽輪機(jī)功率間接計算。
孔板的節(jié)流，會使蒸汽壓力降低，意味著做功能力減小，造成不可恢復(fù)的能量損失?？装瀹a(chǎn)生的壓力損失通常根據(jù)式（5）計算：
式中：β為節(jié)流件直徑比；Δp為節(jié)流孔板差壓值（kPa）。
發(fā)電機(jī)組的汽輪機(jī)功率Pi的計算：
式中：D為汽輪機(jī)組蒸汽流量；h0為進(jìn)汽機(jī)蒸汽焓值；hh為供熱蒸汽焓值；ηi為汽輪機(jī)相對內(nèi)效率（約為82%）；ηm為汽輪機(jī)機(jī)械效率（約為98%）；ηg為發(fā)電機(jī)效率（約為98%）；
初參數(shù)（入口蒸汽參數(shù)）p1、T1、h1和抽汽參數(shù)p2、T2、h2直接影響汽輪機(jī)的功率。
電廠為了監(jiān)測和計量需要，通常在鍋爐出口和汽輪機(jī)入口的管道上加裝節(jié)流孔板，造成初壓p1降低；在汽輪機(jī)外供蒸汽總管加裝節(jié)流孔板，造成供熱總出口蒸汽壓力p2的升高，這兩個參數(shù)的變化均會造成汽輪機(jī)有效發(fā)電功率的降低。
而彎管流量計是安裝在管道轉(zhuǎn)彎處，取代現(xiàn)有的彎頭，沒有增加新的阻力，因此，在使用中不會使蒸汽品質(zhì)下降。如用彎管流量計替代孔板節(jié)流裝置，在鍋爐出口壓力不變的情況下將提高汽輪機(jī)初壓p1并降低供熱總出口壓力p2，從而提高汽輪機(jī)發(fā)電效率，減少節(jié)流元件帶來的能量損耗，達(dá)到節(jié)能目的。
2彎管流量計系數(shù)的實流標(biāo)定
評價彎管流量計替代孔板的實際效果，首先要保證彎管流量計替代孔板后計量準(zhǔn)確度不下降。我們采用測量不確定度為0.25%（k=2）的常壓臨界流音速噴嘴標(biāo)準(zhǔn)裝置，用空氣作為檢測介質(zhì)，對出廠編號分別為JZ123和JZ124的兩只DN200的彎管流量計計量裝置（由彎管流量傳感器、流量積算儀以及溫度和差壓變送器組成的測量系統(tǒng)）進(jìn)行流量計系數(shù)實流標(biāo)定。JZ123的檢定結(jié)果見表1（彎管流量計的常用流量測量范圍為1800～4500m3/h）。
另一只編號為JZ124的彎管流量計計量裝置的實際彎管流量計系數(shù)為0.59，示值誤差和重復(fù)性項目的檢定結(jié)果與表1的數(shù)據(jù)非常接近。
由表1的實測數(shù)據(jù)，我們可以得出結(jié)論：經(jīng)過精密加工的彎管流量計量裝置計量特性穩(wěn)定可靠，通過實流標(biāo)定確定彎管流量計的流量系數(shù)，彎管流量計可以在較寬的流量測量范圍內(nèi)達(dá)到1.5%的準(zhǔn)確度，在計量特性方面*可以替代傳統(tǒng)的孔板式差壓流量計。
3節(jié)能效益實例分析
下面以南京新蘇熱電廠蒸汽測量系統(tǒng)的技改實例，分析彎管流量計取代孔板流量計的節(jié)能效果。該廠共2爐1機(jī)，通常1爐1機(jī)運行，鍋爐出口和汽輪機(jī)進(jìn)汽入口均安裝的是孔板流量計。當(dāng)1號爐運行時，鍋爐出口蒸汽流過孔板、閥門等阻流件到達(dá)汽機(jī)入口，壓力降低0.2MPa；2號爐運行時，壓力降低更是達(dá)到0.3MPa，造成汽機(jī)入口壓力始終低于設(shè)計值0.1MPa左右。他們急需解決2號爐運行壓損過大問題。由于擴(kuò)大管徑，投資較大。決定淘汰產(chǎn)生壓損的主要部件———2臺孔板流量計。2號爐技改前的具體相關(guān)參數(shù)見表2、3。
3.1阻力損失
以上參數(shù)為流量計計算書中的真實數(shù)據(jù)，根據(jù)式（5）可以算出常用流量75t/h時2號爐和汽輪機(jī)兩道孔板產(chǎn)生的壓損分別為55.9kPa、54.4kPa，總壓損高達(dá)110.3kPa。
3.2節(jié)能計算
蒸汽流經(jīng)鍋爐出口和汽輪機(jī)入口的節(jié)流孔板是一個絕熱節(jié)流過程，蒸汽焓值不變。汽輪機(jī)功率的變化可以用莫里爾焓熵圖進(jìn)行計算，如圖2所示（h為焓值，s為熵）。已知節(jié)流前的狀態(tài)p1、t1及節(jié)流后的壓力p′1，根據(jù)節(jié)流前后焓值相等的特點，可在h-s圖上確定節(jié)流后的各狀態(tài)參數(shù)。如圖2所示，點1的參數(shù)是p1、t1及h1，在圖2上過點1按定焓畫水平線與p′1相交得1′，即可得節(jié)流后的參數(shù)。汽輪機(jī)的做功為可逆絕熱膨脹過程（即等熵過程），水蒸汽在節(jié)流前由點1經(jīng)可逆絕熱膨脹至抽汽壓力p2時，可利用的焓降為h1-h2，而經(jīng)節(jié)流后的水蒸汽，同樣經(jīng)可逆絕熱膨脹至壓力p2時，可利用的焓降為h′1-h′2，顯然h1-h2>h′1-h′2，節(jié)流以后蒸汽做功減少。
孔板等節(jié)流元件導(dǎo)致的蒸汽壓力降低，所造成的能量損失可以按照以下的方法與步驟計算：
1）無節(jié)流件時汽輪機(jī)入口壓力將提高0.1103MPa，初參數(shù)p0=（3.38+0.1103）=3.4903MPa，T0=437℃，根據(jù)工程熱力學(xué)，可計算出h0=3305.185kJ/kg，s0=6.95348；
2）加節(jié)流后初參數(shù)p′0=3.38MPa，由圖2查得h′0=h0，求得s0=6.96756；
3）節(jié)流前供熱抽汽壓力ph=0.7MPa，sh=s0，則hh=2893.8458kJ/kg；
4）節(jié)流后抽汽參數(shù)p′h=ph=0.7MPa，s′h=s′0，由圖1查得h′h=2900.8642kJ/kg。
由式（6）計算出汽輪機(jī)功率下降值Px為：
汽輪機(jī)前兩道孔板節(jié)流所產(chǎn)生的能量損失使得汽輪機(jī)每小時少發(fā)電115.15kW。用彎管流量計替代孔板，節(jié)能效果非常明顯。彎管流量計使用三個月節(jié)能的錢即可將整套流量計設(shè)備技術(shù)改造投資全部收回。如果同時考慮節(jié)能帶來的環(huán)保效益和彎管耐磨損（計量特性穩(wěn)定）、無跑冒滴漏等優(yōu)點，則優(yōu)勢更加明顯。
3.3改造前后數(shù)據(jù)對比
技改實施前后，2#爐相關(guān)數(shù)據(jù)分別如表4、5所示。
由表4、5的實際對比數(shù)據(jù)可知，技改前2#爐主汽管70t/h流量經(jīng)過兩套孔板流量計進(jìn)汽機(jī)時，總壓降平均為0.3MPa，包括孔板壓力損失、管道沿程阻力損失、局部阻力損失。改造后，總壓降為0.2MPa，壓力損失減少0.1MPa。通過對2#爐主蒸汽流量與進(jìn)水流量、汽機(jī)入口流量對比，也進(jìn)一步驗證了彎管流量計在1z5的量程范圍內(nèi)的準(zhǔn)確度可達(dá)到1.5%，計量性能優(yōu)于原孔板流量計，*蒸汽流量測量的準(zhǔn)確度要求。
4結(jié)論
以上從理論、實驗到現(xiàn)場實際應(yīng)用幾方面對彎管流量計性能作了綜合闡述。實流標(biāo)定實驗可以看出，彎管流量計準(zhǔn)確度高、性能穩(wěn)定，*工業(yè)應(yīng)用條件；現(xiàn)場應(yīng)用前后的對比數(shù)據(jù)則充分展示了無壓力損失的節(jié)能效果，在當(dāng)前能源日趨緊張的情況下具有重要意義，值得在熱電等行業(yè)大力推廣應(yīng)用。
