彎管流量計(jì)的應(yīng)用效果和節(jié)能效益分析

王瑀（大慶油田技術(shù)監(jiān)督中心油氣水計(jì)量檢定站）

流量計(jì)在石化、熱電、冶金、天然氣開采和油氣儲運(yùn)等各個(gè)行業(yè)均有重要的作用。傳統(tǒng)的流量計(jì)如轉(zhuǎn)子流量計(jì)、電磁流量計(jì)、噴嘴流量計(jì)等，他們都有壓力損失大、量程比小、流量的波動對測量精度影響大[1]等缺點(diǎn)。彎管流量計(jì)具有壓力損失小、測量精度高、不易堵塞、抗腐蝕等特點(diǎn)，對企業(yè)節(jié)約能源、提高經(jīng)濟(jì)效益、減小維護(hù)費(fèi)用等方面具有巨大優(yōu)勢。目前正在得到廣泛的應(yīng)用和推廣。

1 彎管流量計(jì)的應(yīng)用

1.1 彎管流量計(jì)的原理

與傳統(tǒng)流量計(jì)相比，我們可以得知：彎管流量計(jì)實(shí)際是一種壓差流量計(jì)，其本質(zhì)和傳統(tǒng)流量計(jì)是一樣的。但彎管流量計(jì)壓差的產(chǎn)生又與傳統(tǒng)的不甚相同。傳統(tǒng)的流量計(jì)的壓差依靠節(jié)流裝置來產(chǎn)生，當(dāng)流體流經(jīng)節(jié)流裝置時(shí)，如閥口、通道、通流截面變化等，由于流體的流速和方向均發(fā)生變化，因此產(chǎn)生渦旋，導(dǎo)致壓力損失而產(chǎn)生壓差。彎管流量計(jì)的理論基礎(chǔ)是人們通過求解彎管內(nèi)的流體微分方程得到的，又通過實(shí)驗(yàn)、模擬的方法對彎管流量計(jì)進(jìn)行了完善，使其能夠?qū)嵱没?。?dāng)流體經(jīng)過彎管處時(shí)，彎管內(nèi)側(cè)速度增大，外側(cè)速度減小，根據(jù)質(zhì)量守恒和能量守恒得到的伯努利方程可知，同一截面速度的不同便會造成壓力的不同，在內(nèi)外表面就會形成壓力差，這種壓力差在角度為45°處達(dá)到最大。如圖1所示。

圖1 彎管45°截面處速度分布

經(jīng)研究表明，截面處的平均速度與壓力差的平方成正比，同時(shí)分析速度與彎管內(nèi)徑和彎曲半徑的關(guān)系。可得45°截面處的如下關(guān)系式：

其中：v是流體速度，m/s；D是彎管內(nèi)徑，mm；α(R ?D )是流量系數(shù)； R是彎曲半徑，mm；ΔP是45°處內(nèi)外壓差，Pa。

1.2 彎管流量計(jì)的優(yōu)勢

由于彎管流量計(jì)具有壓力損失小、測量精度高、不易堵塞、抗腐蝕等特點(diǎn)，其在石化、熱電、煤化工等領(lǐng)域應(yīng)用迅速推廣?？偨Y(jié)彎管流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）壓力損失小，節(jié)能。彎管流量計(jì)與普通的節(jié)流型孔板流量計(jì)相比壓力損失大大降低，這樣更節(jié)能，因節(jié)流而產(chǎn)生的壓力損失高達(dá)該流量壓差的70%至80%，為了達(dá)到某一設(shè)計(jì)參數(shù)，只能提高進(jìn)口壓力，這對設(shè)備是極其不利的，同時(shí)也降低了經(jīng)濟(jì)效益。若采用彎管流量計(jì)，將其安裝在管道90°轉(zhuǎn)彎處，可用于代替90°彎頭，并無其他插入件和節(jié)流元件，主要依靠流體流經(jīng)90°彎頭所產(chǎn)生的慣性離心力來測量同一截面處內(nèi)外側(cè)的壓力差而確定流量。所以除了流體流過彎管處時(shí)有微小壓力損失，整個(gè)過程并不會產(chǎn)生節(jié)流損失，也可減少動力消耗，適合應(yīng)用于大流量、大管徑、低壓力的工程中。

2）量程比大。彎管流量計(jì)量程比大，在惡劣的環(huán)境下也能適用。彎管流量計(jì)的量程比高達(dá)1∶10，即使在流量波動很大的情況下，也同樣能得到準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)，彎管流量計(jì)適應(yīng)性強(qiáng)，測量范圍廣。在一些較惡劣的環(huán)境下，如潮濕高溫的環(huán)境或者有粉塵有振動的條件下，彎管流量計(jì)依然能夠測量出準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

3）測量精度高。彎管流量計(jì)測量精度高，穩(wěn)定性強(qiáng)。彎管流量計(jì)的實(shí)驗(yàn)精度可達(dá)0.5級，實(shí)際精度可達(dá)1.0級。根據(jù)實(shí)際測量的偏差可補(bǔ)償0.2%的誤差，使得測量精度更高。與超聲波流量計(jì)相比，雖然沒有其精度高，但是超聲波流量計(jì)要求流動穩(wěn)定，在震動情況下測量精度低于彎管流量計(jì)。

4）穩(wěn)定性強(qiáng)、維護(hù)量小。彎管流量計(jì)無運(yùn)轉(zhuǎn)部件，其損耗僅為流體的磨損，對其精度影響小，重復(fù)精度高達(dá)0.2%，其使用壽命與管道的壽命相同。管道內(nèi)無其它突出部件，不易堵塞，安裝后不必拆下，大大減小了維護(hù)工作量和檢修費(fèi)用，保證了運(yùn)行的連續(xù)和安裝的精度。

5）安裝簡單。從整體上來看，彎管流量計(jì)就是一節(jié)管道，安裝過程與管道安裝無異。若采用焊接方法，解決了傳統(tǒng)流量計(jì)的跑冒滴漏現(xiàn)象。傳統(tǒng)流量計(jì)在其前要安裝一段其直徑10倍長度的直管，在其后要安裝其直徑5倍長度的直管。彎管流量計(jì)只需在其前安裝5倍口徑長度的直管，其后安裝2倍即可，彎管流量計(jì)更適合空間狹小地方的流量測量。

6）耐高溫、耐高壓、抗震。傳統(tǒng)流量計(jì)在高溫高壓下易發(fā)生變形，對其精度影響較大，同時(shí)降低了內(nèi)部精密部件的壽命，需要定期更換和維護(hù)。震動不會影響彎管流量計(jì)和孔板流量計(jì)，但是對于渦街流量計(jì)會造成影響，渦街流量計(jì)通過形成卡門渦街，再對渦旋的頻率進(jìn)行測量得出流量，管道震動的頻率渦旋的頻率進(jìn)行疊加，造成測量值不真實(shí)。

1.3 彎管流量計(jì)的應(yīng)用效果

1.3.1 蒸汽計(jì)量

石化廠的蒸汽在100MPa左右，傳統(tǒng)方法是使用孔板流量計(jì)對其進(jìn)行計(jì)量，孔板流量計(jì)與管道的連接處有兩個(gè)密封墊，受蒸汽的輸送與停止造成的熱脹冷縮影響，密封墊易失效，導(dǎo)致蒸汽泄漏無法使用。同時(shí)孔板流量計(jì)是通過圓孔面的銳角產(chǎn)生壓差測量流量，對于腐蝕性、高粘度流體極易磨損銳角，產(chǎn)生較大誤差。彎管流量計(jì)則是測量一個(gè)面的壓差得出流量，面的磨損可以忽略，能夠保證重復(fù)精度，保證長期穩(wěn)定運(yùn)行。彎管流量計(jì)是對稱結(jié)構(gòu)，可測雙向流，節(jié)約了設(shè)備的購置安裝成本。大慶石化化工一廠于2004年投入了14套彎管流量計(jì)測量蒸汽，與用戶的蒸汽測量計(jì)進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)彎管流量計(jì)完全滿足要求。

1.3.2 高壓天然氣的測量

天然氣的測量以孔板流量計(jì)和渦街流量計(jì)為主。孔板流量計(jì)使用方便，簡單可靠。但是安裝要求嚴(yán)格，不能測脈動流。渦街流量計(jì)對流體品質(zhì)要求高，無雜質(zhì)，對管網(wǎng)抗干擾能力要求高。同時(shí)天然氣的壓損較大。工藝要求管道可進(jìn)行雙向流，否則另建管道。彎管流量計(jì)可進(jìn)行雙向測量，可以滿足工藝要求，大大節(jié)約成本。因此彎管流量計(jì)在高壓天然氣計(jì)量得到了廣泛的應(yīng)用。

1.3.3 多相流的測量

目前的傳統(tǒng)流量計(jì)無法對多相流進(jìn)行可靠、準(zhǔn)確的測量，尤其是常見的氣液兩相流。在大多數(shù)情況下，多相流的密度、粘度都是未知的。大多數(shù)的流量計(jì)都是通過密度計(jì)算質(zhì)量流量，但在氣液等多相流的工程中，氣體與液體會隨著溫度壓力的變化而發(fā)生相變，因而密度隨之變化，無法得到穩(wěn)定的質(zhì)量流量；若在低溫低壓下測量，所得數(shù)據(jù)無法滿足工程實(shí)際需要。傳統(tǒng)的氣液兩相流的計(jì)量都是采用分離法進(jìn)行測量，近年來，世界各國石油石化、熱電等行業(yè)都致力于計(jì)量多相流的彎管流量計(jì)的研究，用小巧輕便的彎管流量計(jì)來代替大型累贅的分離設(shè)備。目前研究最多的就是高壓CO2氣液二相流計(jì)量[2]，該技術(shù)已經(jīng)在華東石油局投入使用。

2 彎管流量計(jì)的節(jié)能效果

目前工程上大多采用傳統(tǒng)的孔板流量計(jì)，這種流量計(jì)前面已簡單分析過，會造成很大的動力損耗，浪費(fèi)能源，經(jīng)濟(jì)效益并不高。很多公司已經(jīng)逐步采用彎管流量計(jì)，彎管流量計(jì)具有廣闊的市場前景，以下具體分析彎管流量計(jì)的節(jié)能效益。

2.1 理論分析

彎管流量計(jì)對蒸汽具有較好的主要節(jié)能效果。通過莫里爾焓—熵圖（見圖2）進(jìn)行節(jié)能分析。初始狀態(tài)為1點(diǎn)，溫度和壓力分別為（t1，p1），通過孔板流量計(jì)后為1′點(diǎn)，溫度和壓力分別為（t1′，p1′）節(jié)流前后焓不變，t1′在等溫線下，所以t1′＜t1。節(jié)流后溫度降低。同時(shí)s1′＞s1。節(jié)流后熵增大，說明有機(jī)械能的損失。通過1和1′點(diǎn)做垂線交等壓線與2和2′，可知無節(jié)流是技術(shù)功為h1-h2，節(jié)流后技術(shù)功為h1′-h2′。所以技術(shù)功減小，可用能降低。管道中有很多節(jié)流部件，蒸汽的能量降低很多。以汽輪機(jī)發(fā)電為例：壓力增加0.05MPa，可使3000kW發(fā)電機(jī)效率提高6%，可使6000kW發(fā)電機(jī)效率提高3%[3]。

圖2 莫里爾焓—熵

2.2 實(shí)際節(jié)能效果

2.2.1 經(jīng)濟(jì)效益

以6MW汽輪發(fā)電機(jī)組為例，同時(shí)通過汽輪機(jī)后的乏汽對用戶進(jìn)行供熱。節(jié)流壓力損失0.103304MPa。

1）節(jié)流前 p1=3.34MPa， t=435℃， h1=3305.0385kJ/kg， s1=6.9703kJ/（kg·K）。

2） 節(jié)流后 p1′=3.34-0.103304=3.326696MPa，h1′=h1，t1′=434.348℃， s1′=6.9839kJ/（kg·K）。

3）節(jié)流前排氣壓力 p2=0.98MPa、s2=s1，h2=2961.6976kJ/kg，t2=258.077℃。

4） 節(jié)流 后 排氣壓 力 p2′=p2， s2=s1， h2′=2968.9447kJ/kg，t2=261.367℃。

節(jié)流導(dǎo)致汽輪機(jī)功率降低值為：

式中：

D——汽輪機(jī)組蒸汽流量，D=85600kg/h;

ηi——汽輪機(jī)相對內(nèi)效率，ηi=84%；

ηm——汽輪機(jī)機(jī)械效率，ηm=98.5%；

ηg——管道效率，ηg=99%；

ηf——發(fā)電機(jī)效率，ηf=98%。

經(jīng)計(jì)算可知，由孔板流量計(jì)換為彎管流量計(jì)，每小時(shí)可多發(fā)電141.62kW，節(jié)能效果顯著。

每度電價(jià)按0.477元/kW計(jì)算，每年多得經(jīng)濟(jì)效益：141.62×24×365×0.477=591762元。

2.2.2 社會效益

節(jié)流后排氣壓力降低，使得管網(wǎng)供熱范圍減小。假設(shè)供氣量42.3t/h，平均流速30.1m/s。

雷諾數(shù)：

式中：

Dn——熱網(wǎng)管道內(nèi)徑，Dn=360mm；

v——蒸汽平均流速，v=30.1m/s；

ρ——蒸汽密度， ρ=3.8345kg/m3；

u——流體粘度，u=0.02×10-3N·s/m2。

增加遠(yuǎn)端熱用戶，獲得良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)論

1）彎管流量計(jì)與其他流量計(jì)相比，有許多不可比擬的優(yōu)勢，如壓力損失小，節(jié)能；量程比大；測量精度高；穩(wěn)定性強(qiáng)，維護(hù)量??；安裝簡單；耐高溫、耐高壓、抗震等。

2）目前彎管流量計(jì)已經(jīng)應(yīng)用于蒸汽，高壓天然氣以及多相流的測量中，其節(jié)能效果良好，社會效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著，很具有廣闊的應(yīng)用前景，值得大力推廣。

[1]梁立軍,王振利.彎管流量計(jì)蒸汽計(jì)量節(jié)能效益分析[J].自動化儀表,2009,27(7):67-69.

[2]謝明均.使用彎管流量計(jì)節(jié)能效益分析[J].計(jì)量學(xué)報(bào),2011,24(3).

[3]趙穎麟,趙文.用彎管流量計(jì)取代孔板流量計(jì)節(jié)能效益分析[J].工業(yè)計(jì)量,2007(1):22-23.