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0 引言

    流量?jì)x表在檢測被測流體參數的同時(shí)，會(huì )導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?jì)x表在實(shí)現有效計量的同時(shí)，也成為能量損耗的重要因素?？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，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(jiàn)的孔板式差壓流量測量裝置，可以實(shí)現既準確測量氣體的流量，又能免除孔板節流裝置的壓損，達到節能效果。

    1 彎管流量計的測量原理和節能原理

    1.1 彎管流量計的測量原理

    流體在流經(jīng)彎管時(shí)，由于彎曲管壁的導流作用，使流體在流進(jìn)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，致使我們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v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：R_e為雷諾數；F_r為費勞德數；M_a為馬赫數；R/D為彎徑比；L₁、L₂為前后直管長(cháng)度；（λ₁，λ₂）表示外側取壓孔位置；（λ₃，λ₄）表示內側取壓孔位置；Δ為管道內壁粗糙度；β₁、β₂為前后直管段與彎管的夾角。

    根據歐拉數E_u的定義，上式可以進(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E_u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（ρν²）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、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。

    1.2 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為節流件直徑比；Δp為節流孔板差壓值（kPa）。

    發(fā)電機組的汽輪機功率P_i的計算：

    式中：D為汽輪機組蒸汽流量；h₀為進(jìn)汽機蒸汽焓值；h_h為供熱蒸汽焓值；η_i為汽輪機相對內效率（約為82%）；η_m為汽輪機機械效率（約為98%）；η_g為發(fā)電機效率（約為98%）；

    初參數（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的升高，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，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，達到節能目的。

    2 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。我們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。JZ123的檢定結果見(jiàn)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(shí)際彎管流量計系數為0.59，示值誤差和重復性項目的檢定結果與表1的數據非常接近。

    由表1的實(shí)測數據，我們可以得出結論：經(jīng)過(guò)精密加工的彎管流量計量裝置計量特性穩定可靠，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。

    3 節能效益實(shí)例分析

    下面以南京新蘇熱電廠(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號爐運行時(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0.2MPa；2號爐運行時(shí)，壓力降低更是達到0.3MPa，造成汽機入口壓力始終低于設計值0.1MPa左右。他們急需解決2號爐運行壓損過(guò)大問(wèn)題。由于擴大管徑，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)參數見(jiàn)表2、3。

    3.1 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（5）可以算出常用流量75t/h時(shí)2號爐和汽輪機兩道孔板產(chǎn)生的壓損分別為55.9kPa、54.4kPa，總壓損高達110.3kPa。

    3.2 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，如圖2所示（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p′1，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p′₁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），水蒸汽在節流前由點(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)節流后的水蒸汽，同樣經(jīng)可逆絕熱膨脹至壓力p₂時(shí)，可利用的焓降為h′₁-h′₂，顯然h₁-h₂>h′₁-h′₂，節流以后蒸汽做功減少。

    孔板等節流元件導致的蒸汽壓力降低，所造成的能量損失可以按照以下的方法與步驟計算：

    1）無(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p′₀=3.38MPa，由圖2查得h′₀=h₀，求得s₀=6.96756；

    3）節流前供熱抽汽壓力ph=0.7MPa，s_h=s₀，則h_h=2893.8458kJ/kg；

    4）節流后抽汽參數p′_h=p_h=0.7MPa，s′_h=s′₀，由圖1查得h′_h=2900.8642kJ/kg。

    由式（6）計算出汽輪機功率下降值P_x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。用彎管流量計替代孔板，節能效果非常明顯。彎管流量計使用三個(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。

    3.3 改造前后數據對比

    技改實(shí)施前后，2#爐相關(guān)數據分別如表4、5所示。

    由表4、5的實(shí)際對比數據可知，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。

    4 結論

    以上從理論、實(shí)驗到現場(chǎng)實(shí)際應用幾方面對彎管流量計性能作了綜合闡述。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。