流量?jì)x表在實(shí)現有效計量的同時(shí)，也會(huì )造成能量損耗?？茖W(xué)選擇流量?jì)x表，以有效解決準確計量與計量?jì)x表耗能這一矛盾，是做好能源計量的重要工作。經(jīng)過(guò)理論分析和實(shí)踐總結，筆者認為，在氣體流量測量中以彎管流量計替代常見(jiàn)的孔板式差壓流量測量裝置，既能準確測量氣體的流量，又可免除孔板節流裝置的壓損，達到節能的效果。
一、彎管流量計的測量原理和節能原理
1. 彎管流量計的測量原理
理論研究和大量的實(shí)驗研究表明：流體在流經(jīng)彎管時(shí)，由于彎曲管壁的導流作用，使流體在流經(jīng)彎管時(shí)其內側流速會(huì )逐漸增大，而外側流速卻逐漸減小，這就形成了各個(gè)過(guò)流斷面的近似梯形速度分布，且這種梯形速度分布狀態(tài)在彎管45°截面處達到極限狀態(tài)。彎管45°截面各質(zhì)點(diǎn)流速分布如圖1所示。
由于流體流經(jīng)彎管流量計過(guò)程的復雜性，致使不可能用通常的理論方法推導出一個(gè)簡(jiǎn)單的數學(xué)表達式，而只能借助于量綱分析的方法建立一個(gè)涵蓋全部可能影響因素而形式上復雜的數學(xué)表達式。根據量綱分析原理：流過(guò)彎管流量計流體的平均流速與彎管內、外側壓力差Δp的關(guān)系可以用歐拉數Eu表示：
式中：Re———雷諾數；Fr———費勞德數；Ma———馬赫數；R/D———彎徑比；L1、L2———前后直管長(cháng)度；λ1、
λ2———外側取壓孔位置；λ3、λ4———內側取壓孔位置；Δ———管道內壁粗糙度；β1、β2———前后直管段與彎管的夾角；D———管道的公稱(chēng)內徑。
根據歐拉數Eu的定義，式（2）可以進(jìn)一步改寫(xiě)為
式（3）建立了流體流過(guò)彎管流量計的工作原理表達式，根據歐拉數Eu的定義，彎管流量計工作原理可以表述為：流過(guò)彎管流量計的流體動(dòng)能與彎管內外側的壓力差（Δp）具有比例關(guān)系。其比例系數（流量系數）α是雷諾數、費勞德數、馬赫數、彎徑比、前后直管段長(cháng)度、取壓孔（內、外側）位置、直管段與彎管的連接角度，以及彎管內表面的粗糙度等影響因素的函數。
式（4）給出了理論流量系數α的函數表達式，對于該系數的確定可以通過(guò)求解包含相關(guān)影響因素的納維-斯托克斯微分方程確定。
2. 彎管流量計的節能原理
對于火力發(fā)電企業(yè)，彎管流量計取代孔板節流裝置是否具有節能效果，可以通過(guò)發(fā)電機組的汽輪機功率間接計算。
孔板的節流會(huì )使蒸汽壓力降低，意味著(zhù)做功能力減小，造成不可恢復的能量損失?？装瀹a(chǎn)生的壓力損失通常根據式（5）計算：
式中：β———節流件直徑比；ΔP———節流孔板差壓值，kPa。
發(fā)電機組的汽輪機功率Pi的計算：
式中：D———汽輪機組蒸汽流量；h0———進(jìn)汽機蒸汽焓值；hh———供熱蒸汽焓值；ηi———汽輪機相對內效率（約為82%）；ηm———汽輪機機械效率（約為98%）；ηg———發(fā)電機效率（約為98%）。
初始參數（入口蒸汽參數）p1、T1、h1和抽汽參數p2、T2、h2直接影響汽輪機的功率。
電廠(chǎng)為了監測和計量需要，通常在鍋爐出口和汽輪機入口的管道上加裝節流孔板，造成初壓p1降低；在汽輪機外供蒸汽總管加裝節流孔板，造成供熱總出口蒸汽壓力p2升高，這兩個(gè)參數的變化均會(huì )造成汽輪機有效發(fā)電功率的降低。
而彎管流量計是安裝在管道轉彎處，取代現有的彎頭的，沒(méi)有增加新的阻力，因此在使用中不會(huì )使蒸汽品質(zhì)下降。如用彎管流量計替代孔板節流裝置，在鍋爐出口壓力不變的情況下，將提高汽輪機初壓p1并降低供熱總出口壓力p2，從而提高汽輪機發(fā)電效率，減少節流元件帶來(lái)的能量損耗，達到節能的目的。
二、彎管流量計系數的實(shí)流標定
評價(jià)彎管流量計替代孔板的實(shí)際效果，首先要保證彎管流量計替代孔板后計量準確度不下降。筆者在此次驗證實(shí)驗中，采用測量不確定度為0.25%（k=2）的常壓臨界流音速?lài)娮鞓藴恃b置，用空氣作為檢測介質(zhì)，對出廠(chǎng)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）進(jìn)行流量計系數實(shí)流標定。其中，編號為JZ123的彎管流量計計量裝置的檢定結果如表1所示。
由表1數據可以得出如下結論：經(jīng)過(guò)精密加工的彎管流量計計量裝置的計量特性穩定可靠，通過(guò)實(shí)流標定確定彎管流量計的流量系數，彎管流量計可以在較寬的流量測量范圍內達到1.5%的準確度，在計量特性方面*可以替代傳統的孔板式差壓流量計。
三、節能效益實(shí)例分析
下面結合南京新蘇熱電廠(chǎng)蒸汽測量系統的技改實(shí)例，分析彎管流量計取代孔板流量計的節能效果。該廠(chǎng)共2爐1機，通常1爐1機運行，鍋爐出口和汽輪機進(jìn)汽入口均安裝的是孔板流量計。當1#爐運行時(shí)，鍋爐出口蒸汽流過(guò)孔板、閥門(mén)等阻流件到達汽機入口，壓力降低2kg；2#爐運行時(shí)，壓力降低更是降低了3kg，造成汽機入口壓力始終低于設計值0.8kg左右。他們急需解決2#爐運行壓損過(guò)大的問(wèn)題，原來(lái)計劃擴大管徑，但投資較大。后來(lái)決定淘汰產(chǎn)生壓損的主要部件———兩臺孔板流量計。該廠(chǎng)2#爐進(jìn)行技改前的相關(guān)參數如表2、表3所示。
1. 阻力損失
以上參數為流量計計算書(shū)中的真實(shí)數據，根據式（1）可以算出常用流量為75t/h時(shí)2#爐和汽輪機兩道孔板產(chǎn)生的壓力分別為55.9kPa、54.4kPa，總壓損高達110.3kPa。為了蒸汽計量而造成如此高的能量損失，會(huì )使汽輪機少發(fā)很多電，這是一筆不小的長(cháng)期性的能源浪費。
2. 節能計算
蒸汽流經(jīng)鍋爐出口和汽輪機入口的節流孔板是一個(gè)絕熱節流過(guò)程，蒸汽焓值不變。汽輪機功率的變化可以用莫里爾焓熵圖進(jìn)行計算（見(jiàn)圖2，h為焓值，s為熵）。已知節流前的狀態(tài)P1、t1及節流后的壓力P1′，根據節流前后焓值相等的特點(diǎn)，可在h-s圖上確定節流后的各狀態(tài)參數。如圖2所示，點(diǎn)1的參數是P1、t1及h1，在圖2上過(guò)點(diǎn)1按定焓畫(huà)水平線(xiàn)與P1′相交得1′，即可得節流后的參數。汽輪機的做功為可逆絕熱膨脹過(guò)程（即等熵過(guò)程），水蒸氣在節流前由點(diǎn)1經(jīng)可逆絕熱膨脹至抽汽壓力P2時(shí)，可利用的焓降為h1-h2，而經(jīng)節流后的水蒸氣，同樣經(jīng)可逆絕熱膨脹至壓力P2時(shí)，可利用的焓降為h1′-h2′，顯然h1-h2>h1′-h2′，節流以后蒸汽可做功減少。
（1）無(wú)節流件時(shí)汽輪機入口壓力將提高0.1103MPa，初參數P0＝（3.38+0.1103）=3.4903MPa，T0＝437℃，根據工程熱力學(xué)，可計算出h0＝3305.185kJ/kg，s0=6.95348。
（2）加節流后初參數P0′＝3.38MPa，由圖2查得h0′=h0，求得s0=6.96756。
（3）節流前供熱抽汽壓力Ph＝0.7MPa，sh=s0，則hh＝2893.8458kJ/kg。
（4）節流后抽汽參數Ph′=Ph＝0.7MPa，sh′=s0′，由圖2查得hh′＝2900.8642kJ/kg。
由式（2）計算出汽輪機功率下降值Px為
汽輪機前兩道孔板節流所產(chǎn)生的能量損失使得汽輪機每小時(shí)少發(fā)電115.15kW·h，按通常每千瓦時(shí)電0.4元上網(wǎng)電價(jià)計算，為46.06元/h?？紤]全年330天運行，則少發(fā)電合人民幣46.06×24×330＝36.48萬(wàn)元。用彎管流量計替代孔板，可以實(shí)現增收36.48萬(wàn)元/年，節能效果非常明顯。彎管流量計使用3個(gè)月節能的錢(qián)即可將整套流量計設備技術(shù)改造投資全部收回。如果同時(shí)考慮節能帶來(lái)的環(huán)保效益和彎管耐磨損（計量特性穩定）、無(wú)跑冒滴漏等優(yōu)點(diǎn)，則優(yōu)勢更加明顯。
3. 改造前后數據對比
（1）2＃爐改造前相關(guān)數據如表4所示。
由2#爐技改實(shí)施前后的實(shí)際對比數據（見(jiàn)表4、表5）可知，技改前2#爐主汽管70t/h流量經(jīng)過(guò)兩套孔板流量計進(jìn)汽機時(shí)，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(guò)對2#爐主蒸汽流量與進(jìn)水流量、汽機入口流量的對比，也進(jìn)一步驗證了彎管流量計在1∶5的量程范圍內的準確度可達到1.5%，計量性能優(yōu)于原孔板流量計，*蒸汽流量測量的準確度要求。
四、研究結論
以上從理論、實(shí)驗到現場(chǎng)實(shí)際應用等方面對彎管流量計性能作了綜合闡述，由實(shí)流標定實(shí)驗可以看出，彎管流量計準確度高、性能穩定，*工業(yè)應用條件；現場(chǎng)應用前后的對比數據則充分展示了無(wú)壓力損失的節能效果，在當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)大力推廣應用。
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