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蒸汽热力系统中孔板式与弯管式流量计的分析比较

时间:2018/04/10来源:未知

摘    要:

为了分析比较孔板蒸汽流量计与弯管蒸汽流量计在实际应用中所存在的差异,通过对影响流量精度的主要参数进行定性分析,剖析了影响两种流量计测量准确度的重要因素,并结合实际生产情况,比较了以蒸汽为测量介质的两种流量计的优缺点。比较结果表明,不同的雷诺数、密度、压差等重要参数的变化对两种流量计会产生不同的影响;弯管蒸汽流量计较之孔板蒸汽流量计拥有诸多明显优势以及广阔的发展前景。

 
 

0 引言

蒸汽流量是锅炉出口蒸汽的重要控制参数,它对整个系统效率的评定以及经济效益的影响都起着至关重要的作用。

目前,锅炉蒸汽流量的测量主要有孔板流量计和弯管流量计。两者都是利用差压来计算流量,但是二者的差压产生方式以及运用的公式原理却有着本质的不同。在生产中很多用户都认为高品质的流量计就必然能够带来精确的测量,而忽略了因为流量计的测量原理不同、适用介质不同以及系统自身工况特点所引起的各种可能导致测量不准确的实际因素,而这些恰恰是选择流量计类型的关键。

1 孔板流量计的测量原理及影响因素

1. 1 基本原理

在充满流体的管道内,当流体流经管道内的节流原件时,由于孔板节流而使流体收缩,流体的速度增大,压力降低,孔板前后便形成了压差。利用前后形成的压差,以流体连续性方程及伯努利方程为理论计算基础,从而计算得到流体实时流量。孔板附近的流速和压力分布示意图如图1 所示[1]。

图1 孔板附近的流速和压力分布示意图Fig. 1 Flow velocity and pressure distribution near orifice plate

图1 孔板附近的流速和压力分布示意图Fig. 1 Flow velocity and pressure distribution near orifice plate   下载原图

 

1. 2 流量计算公式

由GB/T 2624-2006[2],对于标准节流装置,差压与流量的函数关系式为:

 

计算公式

 

式中: qm为质量流量,kg/h; C为流出系数; ε 为膨胀系数,只有对于不可压缩流体 ε = 1; d为节流装置开孔直径,mm; ρ 为流体节流前的密度,kg/m; ΔP为孔板前后差压值,Pa。

1. 3 影响测量结果的主要内在因素

下面分别就各个影响因素进行分析。

(1)流出系数的影响。

 

计算公式

 

对于标准差压式流量计测量系统,流出系数C有以下经验公式[3]。

当D < 71. 12 mm,应把计算公式加入式( 2) 。

以上公式中: β 为直径比( β = d /D,d、D分别为孔板开孔直径和上游管道的管径,mm) ; ReD为雷诺数; L1为高压端取压孔到孔板上游端面的距离和管道内径D之比; L2为低压端取压孔到孔板下游端面的距离和管道内径D之比。

在一定型式的孔板和一定截面比情况下,流出系数C与雷诺数ReD的函数关系如图2 所示。

图2 流出系数与雷诺数的关系示意图Fig. 2 Relationship between discharge coefficient and Reynolds number

图2 流出系数与雷诺数的关系示意图Fig. 2 Relationship between discharge coefficient and Reynolds number   下载原图

 

由气体状态方程可以推导出如下公式:

 

计算公式

 

式中: kV为容积绝热指数; C'为常数。

因此当直径比 β 一定时,压力与密度的kv次幂成正比。由于在实际生产管网里的蒸汽参数很难保持恒定的压力不变,会随着锅炉自身燃烧的工况变化而变化,也会随着外界负荷的波动而波动,因此应当注意大负荷波动情况下由于蒸汽速度及密度的变化,以及雷诺数的变化,会引起的流出系数C的变化( 特别是在雷诺数较小时变化最为明显) ,从而进一步影响孔板流量计测量的测量准确度。

( 2) 膨胀系数的影响。

对于差压式流量计测量系统,膨胀系数 ε 有以下公式[3]:

 

计算公式

 

式中:β为直径比(β=d/D,d、D分别为孔板开孔直径和上游管道的管径);P2为管道内蒸汽节流前绝对压力,Pa;P1为管道内蒸汽节流前绝对压力,Pa;k为蒸汽等墒指数。

从式( 3) 可以看出,ε 值与 β、P2、P1、k有关,且P2/P1> 0. 75 时,式( 3 ) 可以使用[3]。一般当 ΔP/P1<0. 04时,ε 的误差可忽略不计[4],但在低静压高差压的情况下,ε 值有不可忽略的误差。此时膨胀系数的不确定度为[3]:计算公式

( 3) 密度的影响。

由于蒸汽是可压缩流体,当其他条件不变的情况下,压力变化时必然会导致蒸汽密度的变化。在实际测量中,如果孔板前后的差压不变,但若蒸汽压力发生变化造成密度变化,那么虽然孔板式流量计的显示值不变,但实际流量却会发生变化( 因密度变化) ,这时就会出现流量测量误差。

综合以上分析,随着蒸汽负荷的波动,特别是当锅炉低负荷运行或者是大负荷波动时,往往会由于压力p、密度 ρ、速度v的变化而引起流出系数C及膨胀系数ε 的变化。因为孔板长时间使用,而没有按照规定每年定期拆检,导致孔板入口边缘不尖锐,影响 β 值及d值,并且压力的变化会导致密度 ρ 偏离设计值,这些因素最终会严重导致流量qm不准确。

2 弯管流量计的测量原理及影响因素

2. 1 基本原理

当流体流经弯曲管道时,由于受到管壁的导流作用,流体被迫做90°旋转圆周运动,从而产生离心力,依靠测量管壁内外侧的压力差可得到离心力的大小,并以强制旋流理论为基础,可以计算得到流体流量。弯管流量计示意图如图3 所示。

2. 2 流量计算公式

当流体流经弯管做90°旋转时,在弯管45°处管道内外径的流体速度梯度达到最大,内外压差达到最大,因此取45°处为测压点。

图3 弯管流量计示意图Fig. 3 Schematic diagram of elbow flowmeter

图3 弯管流量计示意图Fig. 3 Schematic diagram of elbow flowmeter   下载原图

 

流量计算公式为[5]:

 

计算公式

 

式中: v为流体平均流速,m/s ; α 为流量系数; ΔP为45°截面外侧、内侧压差,Pa; D为弯管内径,m; R为弯管曲率半径,m; ρ 为流体介质密度,kg/m。

质量流量qm与平均流速v的关系如下[6]:

 

计算公式

 

式中: qm为质量流量,kg/h; v为流体平均流速,m/s ; D为弯管内径,mm; ρ 为流体介质密度,kg/m。

2. 3 影响测量结果的主要内在因素

由式( 5) 可以看出,在假设压差测量准确的基础上,理论上影响测量结果的因素是流量系数 α 的确定以及密度 ρ。前面分析过随着锅炉负荷及外网负荷的波动,会导致压力的变化,从而引起密度 ρ 的变化,而流量与密度的平方根成正比。对于流量系数 α 存在着很多不同的经验公式,虽然各有不同,但普遍认为其与雷诺数ReD及管径D、弯管曲率半径R有关。存在如下关系 α = f( ReD,D,R) ,例如国内学者陆祖祥通过实验所得的经验公式:

 

计算公式

 

通过比较陆祖祥的流量公式与上面给出的流量公式,可以知道 α∝( 1 - 6. 5 /ReD0. 5) 。

所以流量系数对雷诺数的平方根存在函数关系,随着ReD的变化 α 也随之变化。综上分析可知,影响测量精度的因素主要来自于负荷剧烈波动下或者低负荷下所引起的蒸汽密度和速度偏离设计值,也使雷诺数偏离预定值,进一步影响测量精确度。

3 两种流量计分析比较

两种流量计分析比较如下。

( 1) 雷诺数ReD的影响: 对于孔板流量计,雷诺数在大于10时可认为对于流出系数没有太大影响,但对于较小雷诺数影响较大。而对于弯管流量计,其要求的雷诺数下限较高,例如对于DN100 以及DN200 的管子需要雷诺数达到2. 3 × 10和4. 6 × 10,对于较低雷诺数的流体,会导致误差增大甚至不能测量[8]。

( 2) 密度的影响: 对于孔板流量计,当密度增加会引起两部分变化,首先密度的平方根本身就与流量成正比; 其次密度的增加会导致雷诺数的增加,会使流出系数减小,因此对于之前有一定的补偿作用( 但对于拥有较高雷诺数的流体,其流量系数基本保持定值) 。而对于弯管流量计,流量qm与密度的平方根成正比,而与雷诺数如前所述影响不大。因此特别对于较高雷诺数的流体,密度对于两者的影响相近,对于相对较低雷诺数的流体,较之于弯管流量计,孔板流量计的测量偏差会更大。

( 3) 压差的影响: 对于以高压蒸汽为介质的测量系统而言,单纯从精度分析,由于孔板流量计膨胀系数的不确定度随着压差的增大而增大。而弯管流量计不存在这样的情况,因此对于测量高压蒸汽而言弯管流量计有很多优势。

( 4) 微量磨损的影响: 由于孔板流量计常年运行,长期经受蒸汽的冲刷和腐蚀,会导致孔板入口边缘磨损,导致开孔直径D,如果磨损而不作修正,将会使测量值小于实际值。而弯管流量计对于微量磨损不敏感。

( 5) 安装条件的影响: 孔板流量计对于直管段要求为前10D、后5D的最低要求,而弯管流量计只需要前5D、后2D的直管段要求,对安装现场条件要求较低。

( 6) 节能因素: 孔板流量计需要在管道内放入孔板,从而增加了截留损失,特别对于低参数蒸汽,累计的管道上的孔板对于降低蒸汽品质较为明显。而弯管流量计不需要任何附加节流件及插件,是一种节能的流量测量装置。

( 7) 孔板流量计发展时间较早,理论及技术发展非常成熟。而弯管流量计对于流量系数离散性大的问题虽然取得了长足的进展,但是相比较孔板流量计仍不够成熟。

4 结束语

通过以上分析和比较,随着弯管流量计的不断发展成熟,特别是对于低雷诺数测量技术的不断完善以及测量精度的不断提高,其优越性会越来越明显,它的结构简单、没有任何节流原件和插件等特点,在维持热力设备长周期运行方面以及节能降耗方面是孔板流量计难以取代的。但是由于孔板流量计有着悠久的发展历史和成熟的设计、制造、安装、运行、检修技术以及完善的标准和规范,在很长一段时间内,它仍然具有很大的生存空间。上述分析对于指导我们的生产实践、充分掌握两种流量测量系统的性能及所适应的生产环境,都将带来较大的帮助。


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