0 引言
流量?jì)x表在檢測被測流體參數的同時(shí),會(huì )導致被測流體能量的損耗。在蒸汽、天然氣等氣體介質(zhì)的流量檢測領(lǐng)域,孔板流量計被廣泛使用。流量?jì)x表在實(shí)現有效計量的同時(shí),也成為能量損耗的重要因素??茖W(xué)選擇流量?jì)x表,以有效解決準確計量與計量?jì)x表耗能這一矛盾,是做好能源計量的重要工作。經(jīng)過(guò)理論分析和實(shí)踐總結,我們提出在氣體流量測量中盡可能采用以彎管流量計替代常見(jiàn)的孔板式差壓流量測量裝置,可以實(shí)現既準確測量氣體的流量,又能免除孔板節流裝置的壓損,達到節能效果。
1 彎管流量計的測量原理和節能原理
1.1 彎管流量計的測量原理
流體在流經(jīng)彎管時(shí),由于彎曲管壁的導流作用,使流體在流進(jìn)彎管時(shí)其內側流速會(huì )逐漸增大,而外側流速卻逐漸減小,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在彎管45°截面處達到極限狀態(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)彎管流量計過(guò)程的復雜性,致使我們不可能用通常的理論方法推導出一個(gè)簡(jiǎn)單的數學(xué)表達式,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雜的數學(xué)表達式。根據量綱分析原理:流過(guò)彎管流量計流體的平均流速v與彎管內、外側壓力差Δp的關(guān)系可以用歐拉數Eu表示:
式中:Re為雷諾數;Fr為費勞德數;Ma為馬赫數;R/D為彎徑比;L1、L2為前后直管長(cháng)度;(λ1,λ2)表示外側取壓孔位置;(λ3,λ4)表示內側取壓孔位置;Δ為管道內壁粗糙度;β1、β2為前后直管段與彎管的夾角。
根據歐拉數Eu的定義,上式可以進(jìn)一步改寫(xiě)為:
式(3)建立了流體流過(guò)彎管流量計的工作原理表達式,根據歐拉數Eu的定義,彎管流量計工作原理可以表述為:流過(guò)彎管流量計的流體動(dòng)能(ρν2)與彎管內外側的壓力差(Δp)具有比例關(guān)系。其比例系數(流量系數)α是雷諾數、費勞德數、馬赫數、彎徑比、前后直管段長(cháng)度、取壓孔(內、外側)位置、直管段與彎管的連接角度、彎管內表面的粗糙度等影響因素的函數。
式(4)給出了理論流量系數α的函數表達式,對于該系數的確定可以通過(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。
1.2 彎管流量計的節能原理
對于火力發(fā)電企業(yè),彎管流量計取代孔板節流裝置是否具有節能效果,可以通過(guò)發(fā)電機組的汽輪機功率間接計算。
孔板的節流,會(huì )使蒸汽壓力降低,意味著(zhù)做功能力減小,造成不可恢復的能量損失??装瀹a(chǎn)生的壓力損失通常根據式(5)計算:
式中:β為節流件直徑比;Δp為節流孔板差壓值(kPa)。
發(fā)電機組的汽輪機功率Pi的計算:
式中:D為汽輪機組蒸汽流量;h0為進(jìn)汽機蒸汽焓值;hh為供熱蒸汽焓值;ηi為汽輪機相對內效率(約為82%);ηm為汽輪機機械效率(約為98%);ηg為發(fā)電機效率(約為98%);
初參數(入口蒸汽參數)p1、T1、h1和抽汽參數p2、T2、h2直接影響汽輪機的功率。
電廠(chǎng)為了監測和計量需要,通常在鍋爐出口和汽輪機入口的管道上加裝節流孔板,造成初壓p1降低;在汽輪機外供蒸汽總管加裝節流孔板,造成供熱總出口蒸汽壓力p2的升高,這兩個(gè)參數的變化均會(huì )造成汽輪機有效發(fā)電功率的降低。
而彎管流量計是安裝在管道轉彎處,取代現有的彎頭,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。如用彎管流量計替代孔板節流裝置,在鍋爐出口壓力不變的情況下將提高汽輪機初壓p1并降低供熱總出口壓力p2,從而提高汽輪機發(fā)電效率,減少節流元件帶來(lái)的能量損耗,達到節能目的。
2 彎管流量計系數的實(shí)流標定
評價(jià)彎管流量計替代孔板的實(shí)際效果,首先要保證彎管流量計替代孔板后計量準確度不下降。我們采用測量不確定度為0.25%(k=2)的常壓臨界流音速?lài)娮鞓藴恃b置,用空氣作為檢測介質(zhì),對出廠(chǎng)編號分別為JZ123和JZ124的兩只DN200的彎管流量計計量裝置(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量系統)進(jìn)行流量計系數實(shí)流標定。JZ123的檢定結果見(jiàn)表1(彎管流量計的常用流量測量范圍為1800~4500m3/h)。
另一只編號為JZ124的彎管流量計計量裝置的實(shí)際彎管流量計系數為0.59,示值誤差和重復性項目的檢定結果與表1的數據非常接近。
由表1的實(shí)測數據,我們可以得出結論:經(jīng)過(guò)精密加工的彎管流量計量裝置計量特性穩定可靠,通過(guò)實(shí)流標定確定彎管流量計的流量系數,彎管流量計可以在較寬的流量測量范圍內達到1.5%的準確度,在計量特性方面*可以替代傳統的孔板式差壓流量計。
3 節能效益實(shí)例分析
下面以南京新蘇熱電廠(chǎng)蒸汽測量系統的技改實(shí)例,分析彎管流量計取代孔板流量計的節能效果。該廠(chǎng)共2爐1機,通常1爐1機運行,鍋爐出口和汽輪機進(jìn)汽入口均安裝的是孔板流量計。當1號爐運行時(shí),鍋爐出口蒸汽流過(guò)孔板、閥門(mén)等阻流件到達汽機入口,壓力降低0.2MPa;2號爐運行時(shí),壓力降低更是達到0.3MPa,造成汽機入口壓力始終低于設計值0.1MPa左右。他們急需解決2號爐運行壓損過(guò)大問(wèn)題。由于擴大管徑,投資較大。決定淘汰產(chǎn)生壓損的主要部件———2臺孔板流量計。2號爐技改前的具體相關(guān)參數見(jiàn)表2、3。
3.1 阻力損失
以上參數為流量計計算書(shū)中的真實(shí)數據,根據式(5)可以算出常用流量75t/h時(shí)2號爐和汽輪機兩道孔板產(chǎn)生的壓損分別為55.9kPa、54.4kPa,總壓損高達110.3kPa。
3.2 節能計算
蒸汽流經(jīng)鍋爐出口和汽輪機入口的節流孔板是一個(gè)絕熱節流過(guò)程,蒸汽焓值不變。汽輪機功率的變化可以用莫里爾焓熵圖進(jìn)行計算,如圖2所示(h為焓值,s為熵)。已知節流前的狀態(tài)p1、t1及節流后的壓力p′1,根據節流前后焓值相等的特點(diǎn),可在h-s圖上確定節流后的各狀態(tài)參數。如圖2所示,點(diǎn)1的參數是p1、t1及h1,在圖2上過(guò)點(diǎn)1按定焓畫(huà)水平線(xiàn)與p′1相交得1′,即可得節流后的參數。汽輪機的做功為可逆絕熱膨脹過(guò)程(即等熵過(guò)程),水蒸汽在節流前由點(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)節流后的水蒸汽,同樣經(jīng)可逆絕熱膨脹至壓力p2時(shí),可利用的焓降為h′1-h′2,顯然h1-h2>h′1-h′2,節流以后蒸汽做功減少。
孔板等節流元件導致的蒸汽壓力降低,所造成的能量損失可以按照以下的方法與步驟計算:
1)無(wú)節流件時(shí)汽輪機入口壓力將提高0.1103MPa,初參數p0=(3.38+0.1103)=3.4903MPa,T0=437℃,根據工程熱力學(xué),可計算出h0=3305.185kJ/kg,s0=6.95348;
2)加節流后初參數p′0=3.38MPa,由圖2查得h′0=h0,求得s0=6.96756;
3)節流前供熱抽汽壓力ph=0.7MPa,sh=s0,則hh=2893.8458kJ/kg;
4)節流后抽汽參數p′h=ph=0.7MPa,s′h=s′0,由圖1查得h′h=2900.8642kJ/kg。
由式(6)計算出汽輪機功率下降值Px為:
汽輪機前兩道孔板節流所產(chǎn)生的能量損失使得汽輪機每小時(shí)少發(fā)電115.15kW。用彎管流量計替代孔板,節能效果非常明顯。彎管流量計使用三個(gè)月節能的錢(qián)即可將整套流量計設備技術(shù)改造投資全部收回。如果同時(shí)考慮節能帶來(lái)的環(huán)保效益和彎管耐磨損(計量特性穩定)、無(wú)跑冒滴漏等優(yōu)點(diǎn),則優(yōu)勢更加明顯。
3.3 改造前后數據對比
技改實(shí)施前后,2#爐相關(guān)數據分別如表4、5所示。
由表4、5的實(shí)際對比數據可知,技改前2#爐主汽管70t/h流量經(jīng)過(guò)兩套孔板流量計進(jìn)汽機時(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2#爐主蒸汽流量與進(jìn)水流量、汽機入口流量對比,也進(jìn)一步驗證了彎管流量計在1:5的量程范圍內的準確度可達到1.5%,計量性能優(yōu)于原孔板流量計,*蒸汽流量測量的準確度要求。
4 結論
以上從理論、實(shí)驗到現場(chǎng)實(shí)際應用幾方面對彎管流量計性能作了綜合闡述。實(shí)流標定實(shí)驗可以看出,彎管流量計準確度高、性能穩定,*工業(yè)應用條件;現場(chǎng)應用前后的對比數據則充分展示了無(wú)壓力損失的節能效果,在當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)大力推廣應用。