集中供熱系統(tǒng)中流量計(jì)的選型

聶夏洪

（山西省太原市熱力公司東山分公司，山西太原030013）

集中供熱系統(tǒng)中流量計(jì)的選型

聶夏洪

（山西省太原市熱力公司東山分公司，山西太原030013）

在集中供熱自動(dòng)化系統(tǒng)中，流量是體現(xiàn)集中供熱系統(tǒng)水力平衡和調(diào)節(jié)均衡供熱必不可少的參數(shù)之一。流量測量主要用于集中供熱的熱源傳輸、熱力站的流量監(jiān)測、熱用戶的分戶計(jì)量等方面。隨著集中供熱工程自動(dòng)化程度的提高，工況檢測也越來越精細(xì)。在集中供熱生產(chǎn)過程中，流量作為整個(gè)系統(tǒng)中的重要參數(shù)，對其測量顯得尤為重要。因此，在集中供熱生產(chǎn)過程中，流量計(jì)的選擇是非常重要的。簡要介紹了山西省太原市熱力公司集中供熱系統(tǒng)中的常用流量計(jì)，包括渦街流量計(jì)、差壓流量計(jì)、電磁流量計(jì)，闡述了其測量原理、選用和安裝要求，以期為日后的相關(guān)工作提供參考。

集中供熱系統(tǒng)；自動(dòng)化；流量測量；流量計(jì)

集中供熱測量的流量是表示熱水流過供熱管道截面的數(shù)量，而集中供熱過程控制的精細(xì)化使得集中供熱系統(tǒng)對流量的測量點(diǎn)位越來越多，對測量精度的要求不斷提高。在集中供熱系統(tǒng)中，測量流量是為了使整個(gè)熱網(wǎng)保持平衡，通過流量調(diào)節(jié)保證供熱效果。這樣做，也便于與第三方進(jìn)行熱源結(jié)算。在集中供熱生產(chǎn)過程中，如何選取適合的流量計(jì)呢？下面，筆者結(jié)合工作中的一些具體情況做一些簡單的闡述，以期為相關(guān)工作者提供借鑒。

1 流量的概念和流量計(jì)的分類

流量是指在一定時(shí)間內(nèi)流過管道某橫截面流體的體積或質(zhì)量。在集中供熱系統(tǒng)中，熱介質(zhì)多為高溫水和蒸汽，因此，在集中供熱生產(chǎn)過程中使用的多為體積流量，通常用體積流量表征，用qv表示，單位為m/h。一般流體在流動(dòng)過程中并非完全的均勻流動(dòng)，測量時(shí)，默認(rèn)在某單位截面上的無限小單元面積dA上的流動(dòng)速度是勻速的，速度為v。此時(shí)，流過此單元面積上的流體流量可寫成dqv＝vdA，而通過整個(gè)截面的流量qv為qv＝vdA。當(dāng)整個(gè)截面上的流量分布是均勻的，約等同于qv＝vA。質(zhì)量流量與體積流量的關(guān)系可以表示為：

式（1）中：p為流體的密度。

對于集中供熱系統(tǒng)，瞬時(shí)流量測量是表征管道內(nèi)的實(shí)時(shí)流量。同時(shí)，在結(jié)算集中供熱熱量時(shí)，很多情況下都需要總累計(jì)流量?？偫塾?jì)流量是指在一段時(shí)間內(nèi)流過管道的流量總和，即：

式（2）中：v為總的體積量。

通常情況下，將測量瞬時(shí)流量的表計(jì)稱為流量計(jì)，將檢測累計(jì)流量的表計(jì)稱為計(jì)量表。在集中供熱系統(tǒng)中，流量計(jì)有顯示總量的作用。流量是在動(dòng)態(tài)中測得的一個(gè)量，所以，流量測量過程與流體的物理特性、流體的工作環(huán)境、流量計(jì)的安裝位置等有關(guān)。因此，在實(shí)際工作中，要全面考慮各種因素，確定流量計(jì)的類型、測量方式，以及它在各種工況下的運(yùn)行情況，這樣才能達(dá)到精確測量的目的。流量檢測儀表包括體積流量儀表和質(zhì)量流量儀表2種。在集中供熱的過程中，使用最多的是體積流量儀表，因此，我們只介紹體積流量儀表。

由qv＝vdA可知，當(dāng)某一管道中流體介質(zhì)的橫截面積A確定后，測算出流過此截面流體的瞬時(shí)速度v，就可以計(jì)算出此處流體的體積流量qv。根據(jù)這個(gè)原理制作的儀表被稱為速度法體積流量儀表。速度法體積流量儀表通常分為差壓式流量計(jì)、電磁流量計(jì)、渦街流量計(jì)和超聲波流量計(jì)等。在集中供熱系統(tǒng)中，多使用的是速度法體積流量儀表。

2 常用流量計(jì)介紹

2.1 渦街流量計(jì)

山西省太原市熱力公司渦街流量計(jì)主要使用在自備燃煤鍋爐出口處，熱力站一次網(wǎng)回水流量監(jiān)測中。渦街流量計(jì)是20世紀(jì)后期才慢慢發(fā)展起來的，它利用的是流體振蕩工作原理。渦街流量計(jì)分為卡門渦街和旋進(jìn)式渦街2類?？ㄩT渦街運(yùn)用的是自然振蕩的卡門渦街原理，旋進(jìn)式渦街則是利用強(qiáng)迫振蕩的漩渦旋進(jìn)原理。目前，前者應(yīng)用廣泛。在集中供熱生產(chǎn)過程中，主要運(yùn)用的是卡門渦街式的渦街流量計(jì)。

2.1.1 測量原理

在管道中，垂直于流體流向放置一個(gè)非線性柱體，流體流量在流動(dòng)過程中慢慢增大到某種程度后，流體在非線性柱體兩側(cè)會交替產(chǎn)生兩列規(guī)則排序的漩渦，如圖1所示。

圖1 兩列規(guī)則排序的漩渦

圖2 渦街流量計(jì)結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，兩列漩渦的旋轉(zhuǎn)方向相反，且從發(fā)生體上分離出來，平行但不對稱，所以，這兩列漩渦被稱為卡門渦街（也稱“渦街”）。

渦街流量計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。如圖2所示，渦街流量計(jì)的底部是渦街流量傳感器，頭部是轉(zhuǎn)換電路。渦街流量傳感器包括流體介質(zhì)振動(dòng)檢測元器件和漩渦生產(chǎn)體。被測流體流過漩渦產(chǎn)生體時(shí)會有規(guī)則的漩渦生成，此時(shí)，漩渦會產(chǎn)生有規(guī)則變化的升力，檢測元器件則會將此轉(zhuǎn)換為交替的頻率送給轉(zhuǎn)換電路部分，通過轉(zhuǎn)換電路輸出頻率信號或4-20 MA電流信號。

2.1.2 渦街流量計(jì)的安裝及相關(guān)注意事項(xiàng)

渦街流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用，安裝程序也很簡化，與經(jīng)常使用的節(jié)流式差壓流量計(jì)相比，可以省去引壓管和三閥組等設(shè)備，節(jié)省維護(hù)工序和經(jīng)濟(jì)成本。該流量計(jì)適用的介質(zhì)種類比較多，比如氣體、液體、少部分的混合流體。另外，渦街流量計(jì)的測量精度也比較高，通常為測量值的±0.5%～±1.5%；測量范圍廣，可達(dá)10∶1或25∶1；壓損比較小，一般為節(jié)流式孔板流量計(jì)的25%；儀表適用性強(qiáng)。渦街流量計(jì)的產(chǎn)生漩渦很容易受到流速不穩(wěn)定等因素的干擾，因此，在安裝渦街流量計(jì)時(shí)，上游側(cè)至少要有10D的直管段，下游側(cè)有5D左右的直管段。在選擇安裝地點(diǎn)時(shí)，應(yīng)注意避免機(jī)械振動(dòng)，尤其要避免管道振動(dòng)。

2.2 差壓流量計(jì)

對于山西省太原市熱力公司集中供熱系統(tǒng)，差壓流量計(jì)主要運(yùn)用在3臺自備鍋爐的總供水管的流量測量和部分熱力站的一次網(wǎng)回水流量測量中。相比于其他流量計(jì)，差壓流量計(jì)的使用要更早一些，其應(yīng)用范圍更加廣泛，自然差壓流量計(jì)的技術(shù)也更成熟一些。節(jié)流差壓式流量計(jì)作為差壓流量計(jì)，是適用范圍最廣的一種。

2.2.1 測量原理

節(jié)流差壓式流量計(jì)的工作原理是，當(dāng)流體在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，遇到節(jié)流裝置，就會實(shí)現(xiàn)壓力能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能的能量轉(zhuǎn)換過程，由能量轉(zhuǎn)換產(chǎn)生壓差信號。節(jié)流差壓式流量計(jì)主要由節(jié)流裝置、差壓變送器兩部分組成，也被稱為“差壓式流量計(jì)”。節(jié)流裝置通常分為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置和非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，其作用就是阻擋管道中流動(dòng)的流體，迫使其形成壓力差。系統(tǒng)的節(jié)流裝置由節(jié)流原器件、取壓裝置和測量引管3部分組成?？装辶髁坑?jì)作為節(jié)流式差壓計(jì)的一種，其使用范圍特別廣。目前，在集中供熱系統(tǒng)中，有很多檢測處都使用的是孔板流量計(jì)，其主要是由標(biāo)準(zhǔn)孔板和差壓變送器組成的。

2.2.2 節(jié)流式差壓變送器優(yōu)劣勢

節(jié)流式差壓變送器的優(yōu)勢是：①國際通用，應(yīng)用歷史長，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)豐富；②一次件和二次儀表可分開生產(chǎn)供給，易于大批量生產(chǎn)，降低成本，便于采購；③測量介質(zhì)寬，適合液體和氣體。

節(jié)流式差壓變送器的不足有：①對安裝直管段要求高，一般要求10D以上；②長期使用精度嚴(yán)重下降，必須強(qiáng)制周期檢定；③有不可恢復(fù)壓力降，屬于高能耗流量計(jì)；④量程窄，法蘭裝夾式，維護(hù)工作量大；⑤不耐臟污，計(jì)量供暖水易短期失效（有顯示值，但與實(shí)際值偏差比較大）。

2.3 電磁流量計(jì)

在山西省太原市熱力公司集中供熱系統(tǒng)中，電磁流量計(jì)主要運(yùn)用在一二號隔壓站測試流量以及電廠出口處的測量中。近年來，電磁流量計(jì)也被廣泛應(yīng)用于不斷推廣的熱用戶結(jié)算的分戶計(jì)量中。電磁流量計(jì)是以法拉第電磁定律為原理制造的測量流量的表計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)比較多，比如可測流量的范圍廣，流量比值可以達(dá)到20∶1以上，可測量的管徑范圍大，最大可達(dá)3 m，測量精確度很高，可測量適當(dāng)電導(dǎo)率范圍內(nèi)的水、腐蝕性液體、酸堿等各種流體流量。但是，電磁流量計(jì)也有其缺點(diǎn)，它不能檢測氣體、蒸汽和純凈水的流量。

2.3.1 工作原理

在某磁場中，導(dǎo)體作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，在導(dǎo)體中會產(chǎn)生感應(yīng)電勢，感應(yīng)電勢的大小與導(dǎo)體在磁場中的有效長度和導(dǎo)體在磁場做垂直于磁場方向運(yùn)動(dòng)的速度成正比。其工作原理如圖3所示。

圖3 電磁流量計(jì)工作原理

導(dǎo)電流體在磁場中做垂直方向流動(dòng)而切割磁力線時(shí)，會在管道兩邊的電極上產(chǎn)生電勢。感應(yīng)電動(dòng)勢的方向由右手定則判定，感應(yīng)電勢的大小由式（3）確定，即：

式（3）中：Ex為感應(yīng)電勢，V；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；D為被測管道內(nèi)徑，m；v為測量流體的平均流速，m/s。

體積流量Qv等于流體的流速v與管道截面積（πD2）/4的乘積，即Qv＝πD2v/4.將其代入式（3）中可得：Qv＝πDEx/4B.由此可知，在被測管道內(nèi)徑D已確定，且磁感應(yīng)強(qiáng)度B保持不變時(shí)，被測Qv與B呈線性比例關(guān)系。如果同時(shí)各插入一根電極于管道兩側(cè)，就可引入Ex，即可測得Ex的大小，從而可以計(jì)算出Qv的值。

2.3.2 選擇時(shí)的注意事項(xiàng)

在集中供熱系統(tǒng)中，選用合適的電磁流量計(jì)會事半功倍——不僅可以節(jié)約成本，還可以獲得精確的測量值。因此，在選用電磁流量計(jì)時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①使用電磁流量計(jì)測量時(shí)，被測流體介質(zhì)必須為導(dǎo)電的液體。集中供熱生產(chǎn)過程中的介質(zhì)為非純凈熱水，正好符合要求。②使用電磁流量計(jì)測量時(shí)，其口徑本身應(yīng)該小于測量管道的內(nèi)徑。測量時(shí)，管內(nèi)液體的流量也要符合要求，一般情況下應(yīng)超過滿量程的1/2以上。③使用電磁流量計(jì)測量時(shí)的工作壓力必須以其額定工作壓力作為上限。④使用電磁流量計(jì)測量時(shí)，被測溫度一般不超過200℃。

2.3.3 在集中供熱系統(tǒng)中安裝的注意事項(xiàng)

在集中供熱系統(tǒng)中安裝電磁流量計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①電磁流量計(jì)的安裝位置可以是水平的，也可是垂直的，但是，必須根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況和運(yùn)行環(huán)境來確定，同時(shí)，要遵循各廠家針對流量計(jì)的安裝提出的要求。②在安裝電磁流量計(jì)時(shí)，要注意電磁干擾（遠(yuǎn)離比如循環(huán)水泵、補(bǔ)水泵、變壓器等），要正確接地。③作為速度式流量計(jì)的一種，使用電磁流量計(jì)進(jìn)行測量工作時(shí)，會受到流速不均等因素的影響，測量誤差會比較大。因此，在安裝電磁流量計(jì)時(shí)，在確定位置時(shí)，要注意前面管道必須保持留有10D左右的直管段，以免影響電磁流量計(jì)的正常使用。

3 總結(jié)

在集中供熱生產(chǎn)過程中，選擇流量計(jì)時(shí)必須注意設(shè)計(jì)要求、經(jīng)濟(jì)效益和適合特定類型流量計(jì)工作的工況。

每種流量計(jì)都有其特定的測量介質(zhì)范圍，也有其特定的工作環(huán)境，因此，我們必須根據(jù)集中供熱的具體生產(chǎn)情況，然后結(jié)合流量計(jì)本身的工作特點(diǎn)及其經(jīng)濟(jì)性，選擇合適的流量計(jì)。

〔編輯：白潔〕

TH814

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.18.110

2095－6835（2017）18－0110－04

聶夏洪（1980—），男，工程師，主要研究方向?yàn)樽詣?dòng)化。