0 引言

    流量儀表在檢測被測流體參數(shù)的同時(shí)，會(huì)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(jì)被廣泛使用。流量儀表在實(shí)現(xiàn)有效計(jì)量的同時(shí)，也成為能量損耗的重要因素。科學(xué)選擇流量儀表，以有效解決準(zhǔn)確計(jì)量與計(jì)量儀表耗能這一矛盾，是做好能源計(jì)量的重要工作。經(jīng)過理論分析和實(shí)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(jì)替代常見的孔板式差壓流量測量裝置，可以實(shí)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(jì)的測量原理和節(jié)能原理

    1.1 彎管流量計(jì)的測量原理

    流體在流經(jīng)彎管時(shí)，由于彎曲管壁的導(dǎo)流作用，使流體在流進(jìn)彎管時(shí)其內(nèi)側(cè)流速會(huì)逐漸增大，而外側(cè)流速卻逐漸減小，這就形成了各個(gè)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(diǎn)流速分布如圖1所示。

    由于流體流經(jīng)彎管流量計(jì)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(gè)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(gè)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(jì)流體的平均流速v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：R_e為雷諾數(shù)；F_r為費(fèi)勞德數(shù)；M_a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)E_u的定義，上式可以進(jìn)一步改寫為：

    式（3）建立了流體流過彎管流量計(jì)的工作原理表達(dá)式，根據(jù)歐拉數(shù)E_u的定義，彎管流量計(jì)工作原理可以表述為：流過彎管流量計(jì)的流體動(dòng)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(fèi)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(jì)的節(jié)能原理

    對于火力發(fā)電企業(yè)，彎管流量計(jì)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(jì)算。

    孔板的節(jié)流，會(huì)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(jì)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P_i的計(jì)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；h_h為供熱蒸汽焓值；η_i為汽輪機(jī)相對內(nèi)效率（約為82%）；η_m為汽輪機(jī)機(jī)械效率（約為98%）；η_g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(jì)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(gè)參數(shù)的變化均會(huì)造成汽輪機(jī)有效發(fā)電功率的降低。

    而彎管流量計(jì)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(huì)使蒸汽品質(zhì)下降。如用彎管流量計(jì)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(jì)系數(shù)的實(shí)流標(biāo)定

    評價(jià)彎管流量計(jì)替代孔板的實(shí)際效果，首先要保證彎管流量計(jì)替代孔板后計(jì)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(jì)計(jì)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(jì)系數(shù)實(shí)流標(biāo)定。JZ123的檢定結(jié)果見表1（彎管流量計(jì)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(jì)計(jì)量裝置的實(shí)際彎管流量計(jì)系數(shù)為0.59，示值誤差和重復(fù)性項(xiàng)目的檢定結(jié)果與表1的數(shù)據(jù)非常接近。

    由表1的實(shí)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(jì)量裝置計(jì)量特性穩(wěn)定可靠，通過實(shí)流標(biāo)定確定彎管流量計(jì)的流量系數(shù)，彎管流量計(jì)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(jì)量特性方面完全可以替代傳統(tǒng)的孔板式差壓流量計(jì)。

    3 節(jié)能效益實(shí)例分析

    下面以南京新蘇熱電廠蒸汽測量系統(tǒng)的技改實(shí)例，分析彎管流量計(jì)取代孔板流量計(jì)的節(jié)能效果。該廠共2爐1機(jī)，通常1爐1機(jī)運(yùn)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(jì)。當(dāng)1號爐運(yùn)行時(shí)，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(yùn)行時(shí)，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(jì)值0.1MPa左右。他們急需解決2號爐運(yùn)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(jì)。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(jì)計(jì)算書中的真實(shí)數(shù)據(jù)，根據(jù)式（5）可以算出常用流量75t/h時(shí)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(jì)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(gè)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(jì)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(diǎn)，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(diǎn)1的參數(shù)是p₁、t₁及h₁，在圖2上過點(diǎn)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(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(jié)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(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(jì)算：

    1）無節(jié)流件時(shí)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(jì)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，s_h=s₀，則h_h=2893.8458kJ/kg；

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

    由式（6）計(jì)算出汽輪機(jī)功率下降值P_x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(shí)少發(fā)電115.15kW。用彎管流量計(jì)替代孔板，節(jié)能效果非常明顯。彎管流量計(jì)使用三個(gè)月節(jié)能的錢即可將整套流量計(jì)設(shè)備技術(shù)改造投資全部收回。如果同時(shí)考慮節(jié)能帶來的環(huán)保效益和彎管耐磨損（計(jì)量特性穩(wěn)定）、無跑冒滴漏等優(yōu)點(diǎn)，則優(yōu)勢更加明顯。

    3.3 改造前后數(shù)據(jù)對比

    技改實(shí)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(shí)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(jì)進(jìn)汽機(jī)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(yàn)證了彎管流量計(jì)在1:5的量程范圍內(nèi)的準(zhǔn)確度可達(dá)到1.5%，計(jì)量性能優(yōu)于原孔板流量計(jì)，完全滿足蒸汽流量測量的準(zhǔn)確度要求。

    4 結(jié)論

    以上從理論、實(shí)驗(yàn)到現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用幾方面對彎管流量計(jì)性能作了綜合闡述。實(shí)流標(biāo)定實(shí)驗(yàn)可以看出，彎管流量計(jì)準(zhǔn)確度高、性能穩(wěn)定，完全滿足工業(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。