牛 偉 劉 暉

(西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

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熱力系統(tǒng)中孔板式與彎管式流量計(jì)的分析比較

牛 偉 劉 暉

(西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

為了分析比較孔板蒸汽流量計(jì)與彎管蒸汽流量計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中所存在的差異，通過對影響流量精度的主要參數(shù)進(jìn)行定性分析，剖析了影響兩種流量計(jì)測量準(zhǔn)確度的重要因素，并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，比較了以蒸汽為測量介質(zhì)的兩種流量計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)。比較結(jié)果表明，不同的雷諾數(shù)、密度、壓差等重要參數(shù)的變化對兩種流量計(jì)會(huì)產(chǎn)生不同的影響；彎管蒸汽流量計(jì)較之孔板蒸汽流量計(jì)擁有諸多明顯優(yōu)勢以及廣闊的發(fā)展前景。

熱力系統(tǒng) 蒸汽流量 孔板流量計(jì) 彎管流量計(jì) 流量精度 定性分析

0 引言

蒸汽流量是鍋爐出口蒸汽的重要控制參數(shù)，它對整個(gè)系統(tǒng)效率的評定以及經(jīng)濟(jì)效益的影響都起著至關(guān)重要的作用。

目前，鍋爐蒸汽流量的測量主要有孔板流量計(jì)和彎管流量計(jì)。兩者都是利用差壓來計(jì)算流量，但是二者的差壓產(chǎn)生方式以及運(yùn)用的公式原理卻有著本質(zhì)的不同。在生產(chǎn)中很多用戶都認(rèn)為高品質(zhì)的流量計(jì)就必然能夠帶來精確的測量，而忽略了因?yàn)榱髁坑?jì)的測量原理不同、適用介質(zhì)不同以及系統(tǒng)自身工況特點(diǎn)所引起的各種可能導(dǎo)致測量不準(zhǔn)確的實(shí)際因素，而這些恰恰是選擇流量計(jì)類型的關(guān)鍵。

1 孔板流量計(jì)的測量原理及影響因素

1.1 基本原理

在充滿流體的管道內(nèi)，當(dāng)流體流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流原件時(shí)，由于孔板節(jié)流而使流體收縮，流體的速度增大,壓力降低,孔板前后便形成了壓差。利用前后形成的壓差，以流體連續(xù)性方程及伯努利方程為理論計(jì)算基礎(chǔ)，從而計(jì)算得到流體實(shí)時(shí)流量。孔板附近的流速和壓力分布示意圖如圖1所示[1]。

圖1 孔板附近的流速和壓力分布示意圖

1.2 流量計(jì)算公式

由GB/T 2624-2006[2],對于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，差壓與流量的函數(shù)關(guān)系式為：

(1)

式中:qm為質(zhì)量流量，kg/h；C為流出系數(shù)；ε為膨脹系數(shù)，只有對于不可壓縮流體ε=1；d為節(jié)流裝置開孔直徑，mm；ρ為流體節(jié)流前的密度，kg/m3；ΔP為孔板前后差壓值，Pa。

1.3 影響測量結(jié)果的主要內(nèi)在因素

下面分別就各個(gè)影響因素進(jìn)行分析。

(1) 流出系數(shù)的影響。

c=0.591+0.026β2-0.216β8+0.000 521

(0.043+0.080e-10L1-0.123e-7L1)×

(2)

對于標(biāo)準(zhǔn)差壓式流量計(jì)測量系統(tǒng),流出系數(shù)C有以下經(jīng)驗(yàn)公式[3]。

以上公式中：β為直徑比(β=d/D,d、D分別為孔板開孔直徑和上游管道的管徑，mm)；ReD為雷諾數(shù)；L1為高壓端取壓孔到孔板上游端面的距離和管道內(nèi)徑D之比；L2為低壓端取壓孔到孔板下游端面的距離和管道內(nèi)徑D之比。

在一定型式的孔板和一定截面比情況下,流出系數(shù)C與雷諾數(shù)ReD的函數(shù)關(guān)系如圖2所示。

圖2 流出系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系示意圖

由氣體狀態(tài)方程可以推導(dǎo)出如下公式：

(3)

式中：kV為容積絕熱指數(shù)；C′為常數(shù)。

因此當(dāng)直徑比β一定時(shí)，壓力與密度的kv次冪成正比。由于在實(shí)際生產(chǎn)管網(wǎng)里的蒸汽參數(shù)很難保持恒定的壓力不變，會(huì)隨著鍋爐自身燃燒的工況變化而變化，也會(huì)隨著外界負(fù)荷的波動(dòng)而波動(dòng)，因此應(yīng)當(dāng)注意大負(fù)荷波動(dòng)情況下由于蒸汽速度及密度的變化,以及雷諾數(shù)的變化，會(huì)引起的流出系數(shù)C的變化(特別是在雷諾數(shù)較小時(shí)變化最為明顯)，從而進(jìn)一步影響孔板流量計(jì)測量的測量準(zhǔn)確度。

(2) 膨脹系數(shù)的影響。

對于差壓式流量計(jì)測量系統(tǒng),膨脹系數(shù)ε有以下公式[3]：

(4)

式中：β為直徑比(β=d/D,d、D分別為孔板開孔直徑和上游管道的管徑)；P2為管道內(nèi)蒸汽節(jié)流前絕對壓力,Pa；P1為管道內(nèi)蒸汽節(jié)流前絕對壓力,Pa；k為蒸汽等墑指數(shù)。

(3) 密度的影響。

由于蒸汽是可壓縮流體，當(dāng)其他條件不變的情況下，壓力變化時(shí)必然會(huì)導(dǎo)致蒸汽密度的變化。在實(shí)際測量中,如果孔板前后的差壓不變,但若蒸汽壓力發(fā)生變化造成密度變化,那么雖然孔板式流量計(jì)的顯示值不變,但實(shí)際流量卻會(huì)發(fā)生變化(因密度變化),這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)流量測量誤差。

綜合以上分析，隨著蒸汽負(fù)荷的波動(dòng)，特別是當(dāng)鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行或者是大負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，往往會(huì)由于壓力p、密度ρ、速度v的變化而引起流出系數(shù)C及膨脹系數(shù)ε的變化。因?yàn)榭装彘L時(shí)間使用，而沒有按照規(guī)定每年定期拆檢，導(dǎo)致孔板入口邊緣不尖銳，影響β值及d值，并且壓力的變化會(huì)導(dǎo)致密度ρ偏離設(shè)計(jì)值，這些因素最終會(huì)嚴(yán)重導(dǎo)致流量qm不準(zhǔn)確。

2 彎管流量計(jì)的測量原理及影響因素

2.1 基本原理

當(dāng)流體流經(jīng)彎曲管道時(shí)，由于受到管壁的導(dǎo)流作用，流體被迫做90°旋轉(zhuǎn)圓周運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生離心力，依靠測量管壁內(nèi)外側(cè)的壓力差可得到離心力的大小，并以強(qiáng)制旋流理論為基礎(chǔ)，可以計(jì)算得到流體流量。彎管流量計(jì)示意圖如圖3所示。

2.2 流量計(jì)算公式

當(dāng)流體流經(jīng)彎管做90°旋轉(zhuǎn)時(shí)，在彎管45°處管道內(nèi)外徑的流體速度梯度達(dá)到最大，內(nèi)外壓差達(dá)到最大，因此取45°處為測壓點(diǎn)。

圖3 彎管流量計(jì)示意圖

流量計(jì)算公式為[5]：

v=α(R/D)0.5(Δp/ρ)0.5

(5)

式中：v為流體平均流速，m/s ；α為流量系數(shù)；ΔP為45°截面外側(cè)、內(nèi)側(cè)壓差，Pa；D為彎管內(nèi)徑，m；R為彎管曲率半徑，m；ρ為流體介質(zhì)密度，kg/m3。

質(zhì)量流量qm與平均流速v的關(guān)系如下[6]：

(6)

式中：qm為質(zhì)量流量，kg/h；v為流體平均流速，m/s；D為彎管內(nèi)徑，mm；ρ為流體介質(zhì)密度，kg/m3。

2.3 影響測量結(jié)果的主要內(nèi)在因素

由式(5)可以看出，在假設(shè)壓差測量準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，理論上影響測量結(jié)果的因素是流量系數(shù)α的確定以及密度ρ。前面分析過隨著鍋爐負(fù)荷及外網(wǎng)負(fù)荷的波動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致壓力的變化，從而引起密度ρ的變化，而流量與密度的平方根成正比。對于流量系數(shù)α存在著很多不同的經(jīng)驗(yàn)公式，雖然各有不同，但普遍認(rèn)為其與雷諾數(shù)ReD及管徑D、彎管曲率半徑R有關(guān)。存在如下關(guān)系α=f(ReD，D，R)，例如國內(nèi)學(xué)者陸祖祥通過實(shí)驗(yàn)所得的經(jīng)驗(yàn)公式：

(7)

通過比較陸祖祥的流量公式與上面給出的流量公式，可以知道α∝(1-6.5/ReD0.5)。

所以流量系數(shù)對雷諾數(shù)的平方根存在函數(shù)關(guān)系，隨著ReD的變化α也隨之變化。綜上分析可知，影響測量精度的因素主要來自于負(fù)荷劇烈波動(dòng)下或者低負(fù)荷下所引起的蒸汽密度和速度偏離設(shè)計(jì)值，也使雷諾數(shù)偏離預(yù)定值，進(jìn)一步影響測量精確度。

3 兩種流量計(jì)分析比較

兩種流量計(jì)分析比較如下。

(1) 雷諾數(shù)ReD的影響：對于孔板流量計(jì)，雷諾數(shù)在大于104時(shí)可認(rèn)為對于流出系數(shù)沒有太大影響，但對于較小雷諾數(shù)影響較大。而對于彎管流量計(jì)，其要求的雷諾數(shù)下限較高，例如對于DN100以及DN200的管子需要雷諾數(shù)達(dá)到2.3×105和4.6×105，對于較低雷諾數(shù)的流體，會(huì)導(dǎo)致誤差增大甚至不能測量[8]。

(2) 密度的影響：對于孔板流量計(jì)，當(dāng)密度增加會(huì)引起兩部分變化，首先密度的平方根本身就與流量成正比;其次密度的增加會(huì)導(dǎo)致雷諾數(shù)的增加，會(huì)使流出系數(shù)減小，因此對于之前有一定的補(bǔ)償作用(但對于擁有較高雷諾數(shù)的流體，其流量系數(shù)基本保持定值)。而對于彎管流量計(jì)，流量qm與密度的平方根成正比，而與雷諾數(shù)如前所述影響不大。因此特別對于較高雷諾數(shù)的流體，密度對于兩者的影響相近，對于相對較低雷諾數(shù)的流體，較之于彎管流量計(jì)，孔板流量計(jì)的測量偏差會(huì)更大。

(3) 壓差的影響：對于以高壓蒸汽為介質(zhì)的測量系統(tǒng)而言，單純從精度分析，由于孔板流量計(jì)膨脹系數(shù)的不確定度隨著壓差的增大而增大。而彎管流量計(jì)不存在這樣的情況，因此對于測量高壓蒸汽而言彎管流量計(jì)有很多優(yōu)勢。

(4) 微量磨損的影響：由于孔板流量計(jì)常年運(yùn)行，長期經(jīng)受蒸汽的沖刷和腐蝕，會(huì)導(dǎo)致孔板入口邊緣磨損，導(dǎo)致開孔直徑D，如果磨損而不作修正，將會(huì)使測量值小于實(shí)際值。而彎管流量計(jì)對于微量磨損不敏感。

(5) 安裝條件的影響：孔板流量計(jì)對于直管段要求為前10D、后5D的最低要求，而彎管流量計(jì)只需要前5D、后2D的直管段要求，對安裝現(xiàn)場條件要求較低。

(6) 節(jié)能因素：孔板流量計(jì)需要在管道內(nèi)放入孔板，從而增加了截留損失，特別對于低參數(shù)蒸汽，累計(jì)的管道上的孔板對于降低蒸汽品質(zhì)較為明顯。而彎管流量計(jì)不需要任何附加節(jié)流件及插件，是一種節(jié)能的流量測量裝置。

(7) 孔板流量計(jì)發(fā)展時(shí)間較早，理論及技術(shù)發(fā)展非常成熟。而彎管流量計(jì)對于流量系數(shù)離散性大的問題雖然取得了長足的進(jìn)展，但是相比較孔板流量計(jì)仍不夠成熟。

4 結(jié)束語

通過以上分析和比較，隨著彎管流量計(jì)的不斷發(fā)展成熟，特別是對于低雷諾數(shù)測量技術(shù)的不斷完善以及測量精度的不斷提高，其優(yōu)越性會(huì)越來越明顯，它的結(jié)構(gòu)簡單、沒有任何節(jié)流原件和插件等特點(diǎn)，在維持熱力設(shè)備長周期運(yùn)行方面以及節(jié)能降耗方面是孔板流量計(jì)難以取代的。但是由于孔板流量計(jì)有著悠久的發(fā)展歷史和成熟的設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行、檢修技術(shù)以及完善的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，在很長一段時(shí)間內(nèi)，它仍然具有很大的生存空間。上述分析對于指導(dǎo)我們的生產(chǎn)實(shí)踐、充分掌握兩種流量測量系統(tǒng)的性能及所適應(yīng)的生產(chǎn)環(huán)境，都將帶來較大的幫助。

[1] 林琪，婁晨.基于壓差式孔板流量計(jì)的縮頸管段流場數(shù)值研究[J].壓力容器，2014,31(2):29-37.

[2] 中國國家標(biāo)注化管理委員會(huì).GB/T2624.2-2006 用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量[S].2006.

[3] 中國國家標(biāo)注化管理委員會(huì).GB/T2624.2-2006 用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量[S].2006.

[4] 辛立峰.孔板流量計(jì)的誤差來源與實(shí)際控制[J].科技傳播，2011(10):80-82.

[5] 楊婕，李文婷，任寧寧.彎管流量計(jì)在供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢[J].石油化工自動(dòng)化，2012,48(3):76-79.

[6] 國海東，董亞春,艾瑞金.關(guān)于彎管流量計(jì)的幾點(diǎn)看法[J].吉林化工學(xué)院報(bào)，2013，30(3):50.

[7] H.S.Bean.Fluid meters:their theory and application[R].Report of ASME Research Committee on Fluid Meters.1971.

[8] 董亞春,艾瑞金，國海東.關(guān)于彎管流量計(jì)的幾點(diǎn)看法[J].吉林化工學(xué)院報(bào)，2013，30(3):51-52.

Analysis and Comparison of Orifice Flowmeter and Elbow Flowmeter in Thermal System

In order to analyze and compare the differences between orifice steam flowmeter and elbow steam flowmeter in practical applications,the major parameters affecting the flow accuracy are analyzed qualitatively,and the important factors affecting the measurement accuracy of these two kinds of flowmeters are expounded.With steam as the medium,and combining with actual production situation,the advantages and disadvantage of these kinds of flowmeters are compared.The results of comparison indicate that different effects may occur to two kinds of flowmeters when important parameters changes,such as Reynolds number,density,differential pressure,etc.; and comparing with orifice steam flowmeter,the elbow steam flowmeter possess many obvious advantages and broad prospects for development.

Thermal system Steam flow Orifice flowmeter Elbow flowmeter Flow accuracy Qualitative analysis

牛偉(1985-)，男，現(xiàn)為西安石油大學(xué)動(dòng)力工程專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事化工過程機(jī)械方面的研究。

TH814；TP27

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201601021

修改稿收到日期：2015-03-08。