流量?jī)x表在實(shí)現(xiàn)有效計(jì)量的同時(shí)，也會(huì)造成能量損耗?？茖W(xué)選擇流量?jī)x表，以有效解決準(zhǔn)確計(jì)量與計(jì)量?jī)x表耗能這一矛盾，是做好能源計(jì)量的重要工作。經(jīng)過(guò)理論分析和實(shí)踐總結(jié)，筆者認(rèn)為，在氣體流量測(cè)量中以彎管流量計(jì)替代常見(jiàn)的孔板式差壓流量測(cè)量裝置，既能準(zhǔn)確測(cè)量氣體的流量，又可免除孔板節(jié)流裝置的壓損，達(dá)到節(jié)能的效果。
一、彎管流量計(jì)的測(cè)量原理和節(jié)能原理
1. 彎管流量計(jì)的測(cè)量原理
理論研究和大量的實(shí)驗(yàn)研究表明：流體在流經(jīng)彎管時(shí)，由于彎曲管壁的導(dǎo)流作用，使流體在流經(jīng)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(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(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(guò)程的復(fù)雜性，致使不可能用通常的理論方法推導(dǎo)出一個(gè)簡(jiǎn)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(guò)彎管流量計(jì)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———雷諾數(shù)；Fr———費(fèi)勞德數(shù)；Ma———馬赫數(shù)；R/D———彎徑比；L1、L2———前后直管長(zhǎng)度；λ1、
λ2———外側(cè)取壓孔位置；λ3、λ4———內(nèi)側(cè)取壓孔位置；Δ———管道內(nèi)壁粗糙度；β1、β2———前后直管段與彎管的夾角；D———管道的公稱內(nèi)徑。
根據(jù)歐拉數(shù)Eu的定義，式（2）可以進(jìn)一步改寫為
式（3）建立了流體流過(guò)彎管流量計(jì)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(jì)工作原理可以表述為：流過(guò)彎管流量計(jì)的流體動(dòng)能與彎管內(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(zhǎng)度、取壓孔（內(nèi)、外側(cè)）位置、直管段與彎管的連接角度，以及彎管內(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(duì)于該系數(shù)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(jì)的節(jié)能原理
對(duì)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(guò)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———節(jié)流件直徑比；ΔP———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(jì)算：
式中：D———汽輪機(jī)組蒸汽流量；h0———進(jìn)汽機(jī)蒸汽焓值；hh———供熱蒸汽焓值；ηi———汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率（約為82%）；ηm———汽輪機(jī)機(jī)械效率（約為98%）；ηg———發(fā)電機(jī)效率（約為98%）。
初始參數(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(cè)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(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(lái)的能量損耗，達(dá)到節(jié)能的目的。
二、彎管流量計(jì)系數(shù)的實(shí)流標(biāo)定
評(píng)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。筆者在此次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，采用測(cè)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(cè)介質(zhì)，對(duì)出廠編號(hào)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(cè)量系統(tǒng)）進(jìn)行流量計(jì)系數(shù)實(shí)流標(biāo)定。其中，編號(hào)為JZ123的彎管流量計(jì)計(jì)量裝置的檢定結(jié)果如表1所示。
由表1數(shù)據(jù)可以得出如下結(jié)論：經(jīng)過(guò)精密加工的彎管流量計(jì)計(jì)量裝置的計(jì)量特性穩(wěn)定可靠，通過(guò)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(cè)量范圍內(nèi)達(dá)到1.5%的準(zhǔn)確度，在計(jì)量特性方面*可以替代傳統(tǒng)的孔板式差壓流量計(jì)。
三、節(jié)能效益實(shí)例分析
下面結(jié)合南京新蘇熱電廠蒸汽測(cè)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#爐運(yùn)行時(shí)，鍋爐出口蒸汽流過(guò)孔板、閥門等阻流件到達(dá)汽機(jī)入口，壓力降低2kg；2#爐運(yùn)行時(shí)，壓力降低更是降低了3kg，造成汽機(jī)入口壓力始終低于設(shè)計(jì)值0.8kg左右。他們急需解決2#爐運(yùn)行壓損過(guò)大的問(wèn)題，原來(lái)計(jì)劃擴(kuò)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(tái)孔板流量計(jì)。該廠2#爐進(jìn)行技改前的相關(guān)參數(shù)如表2、表3所示。
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（1）可以算出常用流量為75t/h時(shí)2#爐和汽輪機(jī)兩道孔板產(chǎn)生的壓力分別為55.9kPa、54.4kPa，總壓損高達(dá)110.3kPa。為了蒸汽計(jì)量而造成如此高的能量損失，會(huì)使汽輪機(jī)少發(fā)很多電，這是一筆不小的長(zhǎng)期性的能源浪費(fèi)。
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(guò)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（見(jiàn)圖2，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P1′，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(guò)點(diǎn)1按定焓畫水平線與P1′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(guò)程（即等熵過(guò)程），水蒸氣在節(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(jié)流以后蒸汽可做功減少。
（1）無(wú)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)P0′＝3.38MPa，由圖2查得h0′=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)Ph′=Ph＝0.7MPa，sh′=s0′，由圖2查得hh′＝2900.8642kJ/kg。
由式（2）計(jì)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(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(jì)算，為46.06元/h?？紤]全年330天運(yùn)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(jì)替代孔板，可以實(shí)現(xiàn)增收36.48萬(wàn)元/年，節(jié)能效果非常明顯。彎管流量計(jì)使用3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(lái)的環(huán)保效益和彎管耐磨損（計(jì)量特性穩(wěn)定）、無(wú)跑冒滴漏等優(yōu)點(diǎn)，則優(yōu)勢(shì)更加明顯。
3. 改造前后數(shù)據(jù)對(duì)比
（1）2＃爐改造前相關(guān)數(shù)據(jù)如表4所示。
由2#爐技改實(shí)施前后的實(shí)際對(duì)比數(shù)據(jù)（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(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(guò)對(duì)2#爐主蒸汽流量與進(jìn)水流量、汽機(jī)入口流量的對(duì)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)，*蒸汽流量測(cè)量的準(zhǔn)確度要求。
四、研究結(jié)論
以上從理論、實(shí)驗(yàn)到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用等方面對(duì)彎管流量計(jì)性能作了綜合闡述，由實(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，*工業(yè)應(yīng)用條件；現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用前后的對(duì)比數(shù)據(jù)則充分展示了無(wú)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。
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