熱力系統中孔板式與彎管式流量計的分析比較

牛 偉 劉 暉

(西安石油大學機械工程學院，陜西 西安 710065)

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熱力系統中孔板式與彎管式流量計的分析比較

牛 偉 劉 暉

(西安石油大學機械工程學院，陜西 西安 710065)

為了分析比較孔板蒸汽流量計與彎管蒸汽流量計在實際應用中所存在的差異，通過對影響流量精度的主要參數進行定性分析，剖析了影響兩種流量計測量準確度的重要因素，并結合實際生產情況，比較了以蒸汽為測量介質的兩種流量計的優缺點。比較結果表明，不同的雷諾數、密度、壓差等重要參數的變化對兩種流量計會產生不同的影響；彎管蒸汽流量計較之孔板蒸汽流量計擁有諸多明顯優勢以及廣闊的發展前景。

熱力系統 蒸汽流量 孔板流量計 彎管流量計 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，它對整個系統效率的評定以及經濟效益的影響都起著至關重要的作用。

目前，鍋爐蒸汽流量的測量主要有孔板流量計和彎管流量計。兩者都是利用差壓來計算流量，但是二者的差壓產生方式以及運用的公式原理卻有著本質的不同。在生產中很多用戶都認為高品質的流量計就必然能夠帶來精確的測量，而忽略了因為流量計的測量原理不同、適用介質不同以及系統自身工況特點所引起的各種可能導致測量不準確的實際因素，而這些恰恰是選擇流量計類型的關鍵。

1 孔板流量計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，當流體流經管道內的節流原件時，由于孔板節流而使流體收縮，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，以流體連續性方程及伯努利方程為理論計算基礎，從而計算得到流體實時流量。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 流量計算公式

由GB/T 2624-2006[2],對于標準節流裝置，差壓與流量的函數關系式為：

(1)

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

1.3 影響測量結果的主要內在因素

下面分別就各個影響因素進行分析。

(1) 流出系數的影響。

c=0.591+0.026β2-0.216β8+0.000 521

(0.043+0.080e-10L1-0.123e-7L1)×

(2)

對于標準差壓式流量計測量系統,流出系數C有以下經驗公式[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；L1為高壓端取壓孔到孔板上游端面的距離和管道內徑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C與雷諾數ReD的函數關系如圖2所示。

圖2 流出系數與雷諾數的關系示意圖

由氣體狀態方程可以推導出如下公式：

(3)

式中：kV為容積絕熱指數；C′為常數。

因此當直徑比β一定時，壓力與密度的kv次冪成正比。由于在實際生產管網里的蒸汽參數很難保持恒定的壓力不變，會隨著鍋爐自身燃燒的工況變化而變化，也會隨著外界負荷的波動而波動，因此應當注意大負荷波動情況下由于蒸汽速度及密度的變化,以及雷諾數的變化，會引起的流出系數C的變化(特別是在雷諾數較小時變化最為明顯)，從而進一步影響孔板流量計測量的測量準確度。

(2) 膨脹系數的影響。

對于差壓式流量計測量系統,膨脹系數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為管道內蒸汽節流前絕對壓力,Pa；P1為管道內蒸汽節流前絕對壓力,Pa；k為蒸汽等墑指數。

(3) 密度的影響。

由于蒸汽是可壓縮流體，當其他條件不變的情況下，壓力變化時必然會導致蒸汽密度的變化。在實際測量中,如果孔板前后的差壓不變,但若蒸汽壓力發生變化造成密度變化,那么雖然孔板式流量計的顯示值不變,但實際流量卻會發生變化(因密度變化),這時就會出現流量測量誤差。

綜合以上分析，隨著蒸汽負荷的波動，特別是當鍋爐低負荷運行或者是大負荷波動時，往往會由于壓力p、密度ρ、速度v的變化而引起流出系數C及膨脹系數ε的變化。因為孔板長時間使用，而沒有按照規定每年定期拆檢，導致孔板入口邊緣不尖銳，影響β值及d值，并且壓力的變化會導致密度ρ偏離設計值，這些因素最終會嚴重導致流量qm不準確。

2 彎管流量計的測量原理及影響因素

2.1 基本原理

當流體流經彎曲管道時，由于受到管壁的導流作用，流體被迫做90°旋轉圓周運動，從而產生離心力，依靠測量管壁內外側的壓力差可得到離心力的大小，并以強制旋流理論為基礎，可以計算得到流體流量。彎管流量計示意圖如圖3所示。

2.2 流量計算公式

當流體流經彎管做90°旋轉時，在彎管45°處管道內外徑的流體速度梯度達到最大，內外壓差達到最大，因此取45°處為測壓點。

圖3 彎管流量計示意圖

流量計算公式為[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；ΔP為45°截面外側、內側壓差，Pa；D為彎管內徑，m；R為彎管曲率半徑，m；ρ為流體介質密度，kg/m3。

質量流量qm與平均流速v的關系如下[6]：

(6)

式中：qm為質量流量，kg/h；v為流體平均流速，m/s；D為彎管內徑，mm；ρ為流體介質密度，kg/m3。

2.3 影響測量結果的主要內在因素

由式(5)可以看出，在假設壓差測量準確的基礎上，理論上影響測量結果的因素是流量系數α的確定以及密度ρ。前面分析過隨著鍋爐負荷及外網負荷的波動，會導致壓力的變化，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α存在著很多不同的經驗公式，雖然各有不同，但普遍認為其與雷諾數ReD及管徑D、彎管曲率半徑R有關。存在如下關系α=f(ReD，D，R)，例如國內學者陸祖祥通過實驗所得的經驗公式：

(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)。

所以流量系數對雷諾數的平方根存在函數關系，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荷劇烈波動下或者低負荷下所引起的蒸汽密度和速度偏離設計值，也使雷諾數偏離預定值，進一步影響測量精確度。

3 兩種流量計分析比較

兩種流量計分析比較如下。

(1) 雷諾數ReD的影響：對于孔板流量計，雷諾數在大于104時可認為對于流出系數沒有太大影響，但對于較小雷諾數影響較大。而對于彎管流量計，其要求的雷諾數下限較高，例如對于DN100以及DN200的管子需要雷諾數達到2.3×105和4.6×105，對于較低雷諾數的流體，會導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，當密度增加會引起兩部分變化，首先密度的平方根本身就與流量成正比;其次密度的增加會導致雷諾數的增加，會使流出系數減小，因此對于之前有一定的補償作用(但對于擁有較高雷諾數的流體，其流量系數基本保持定值)。而對于彎管流量計，流量qm與密度的平方根成正比，而與雷諾數如前所述影響不大。因此特別對于較高雷諾數的流體，密度對于兩者的影響相近，對于相對較低雷諾數的流體，較之于彎管流量計，孔板流量計的測量偏差會更大。

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

(4) 微量磨損的影響：由于孔板流量計常年運行，長期經受蒸汽的沖刷和腐蝕，會導致孔板入口邊緣磨損，導致開孔直徑D，如果磨損而不作修正，將會使測量值小于實際值。而彎管流量計對于微量磨損不敏感。

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

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

(7) 孔板流量計發展時間較早，理論及技術發展非常成熟。而彎管流量計對于流量系數離散性大的問題雖然取得了長足的進展，但是相比較孔板流量計仍不夠成熟。

4 結束語

通過以上分析和比較，隨著彎管流量計的不斷發展成熟，特別是對于低雷諾數測量技術的不斷完善以及測量精度的不斷提高，其優越性會越來越明顯，它的結構簡單、沒有任何節流原件和插件等特點，在維持熱力設備長周期運行方面以及節能降耗方面是孔板流量計難以取代的。但是由于孔板流量計有著悠久的發展歷史和成熟的設計、制造、安裝、運行、檢修技術以及完善的標準和規范，在很長一段時間內，它仍然具有很大的生存空間。上述分析對于指導我們的生產實踐、充分掌握兩種流量測量系統的性能及所適應的生產環境，都將帶來較大的幫助。

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

[2] 中國國家標注化管理委員會.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] 中國國家標注化管理委員會.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.孔板流量計的誤差來源與實際控制[J].科技傳播，2011(10):80-82.

[5] 楊婕，李文婷，任寧寧.彎管流量計在供熱系統中的應用優勢[J].石油化工自動化，2012,48(3):76-79.

[6] 國海東，董亞春,艾瑞金.關于彎管流量計的幾點看法[J].吉林化工學院報，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.關于彎管流量計的幾點看法[J].吉林化工學院報，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，現為西安石油大學動力工程專業在讀碩士研究生；主要從事化工過程機械方面的研究。

TH814；TP27

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201601021

修改稿收到日期：2015-03-08。