流量儀表在檢測被測流體參數的(de)同時(shí)，會導緻被測流體能量的(de)損耗。在蒸汽、天然氣等氣體介質的(de)流量檢測領域，孔闆流量計被廣泛使用(yòng)。流量儀表在實現有效計量的(de)同時(shí)，也(yě)成爲能量損耗的(de)重要因素。科學選擇流量儀表，以有效解決準确計量與計量儀表耗能這(zhè)一矛盾，是做(zuò)好能源計量的(de)重要工作。經過理(lǐ)論分(fēn)析和(hé)實踐總結，我們提出在氣體流量測量中盡可(kě)能采用(yòng)以彎管流量計替代常見的(de)孔闆式差壓流量測量裝置，可(kě)以實現既準确測量氣體的(de)流量，又能免除孔闆節流裝置的(de)壓損，達到節能效果。

    1 彎管流量計的(de)測量原理(lǐ)和(hé)節能原理(lǐ)

    1.1 彎管流量計的(de)測量原理(lǐ)

    流體在流經彎管時(shí)，由于彎曲管壁的(de)導流作用(yòng)，使流體在流進彎管時(shí)其内側流速會逐漸增大(dà)，而外側流速卻逐漸減小，這(zhè)就形成了(le)各個(gè)過流斷面的(de)近似梯形速度分(fēn)布，且這(zhè)種梯形速度分(fēn)布在彎管45°截面處達到極限狀态。彎管45°截面各質點流速分(fēn)布如圖1所示。

    由于流體流經彎管流量計過程的(de)複雜(zá)性，緻使我們不可(kě)能用(yòng)通(tōng)常的(de)理(lǐ)論方法推導出一個(gè)簡單的(de)數學表達式，而隻能借助于量綱分(fēn)析的(de)方法建立一個(gè)涵蓋全部可(kě)能影(yǐng)響因素而形式上複雜(zá)的(de)數學表達式。根據量綱分(fēn)析原理(lǐ)：流過彎管流量計流體的(de)平均流速v與彎管内、外側壓力差Δp的(de)關系可(kě)以用(yòng)歐拉數Eu表示：

    式中：R_e爲雷諾數；F_r爲費勞德數；M_a爲馬赫數；R/D爲彎徑比；L₁、L₂爲前後直管長(cháng)度；（λ₁，λ₂）表示外側取壓孔位置；（λ₃，λ₄）表示内側取壓孔位置；Δ爲管道内壁粗糙度；β₁、β₂爲前後直管段與彎管的(de)夾角。

    根據歐拉數E_u的(de)定義，上式可(kě)以進一步改寫爲：

    式（3）建立了(le)流體流過彎管流量計的(de)工作原理(lǐ)表達式，根據歐拉數E_u的(de)定義，彎管流量計工作原理(lǐ)可(kě)以表述爲：流過彎管流量計的(de)流體動能（ρν²）與彎管内外側的(de)壓力差（Δp）具有比例關系。其比例系數（流量系數）α是雷諾數、費勞德數、馬赫數、彎徑比、前後直管段長(cháng)度、取壓孔（内、外側）位置、直管段與彎管的(de)連接角度、彎管内表面的(de)粗糙度等影(yǐng)響因素的(de)函數。

    式（4）給出了(le)理(lǐ)論流量系數α的(de)函數表達式，對(duì)于該系數的(de)确定可(kě)以通(tōng)過求解包含相關影(yǐng)響因素的(de)納維—斯托克斯微分(fēn)方程确定。

    1.2 彎管流量計的(de)節能原理(lǐ)

    對(duì)于火力發電企業，彎管流量計取代孔闆節流裝置是否具有節能效果，可(kě)以通(tōng)過發電機組的(de)汽輪機功率間接計算(suàn)。

    孔闆的(de)節流，會使蒸汽壓力降低，意味著(zhe)做(zuò)功能力減小，造成不可(kě)恢複的(de)能量損失。孔闆産生的(de)壓力損失通(tōng)常根據式（5）計算(suàn)：

    式中：β爲節流件直徑比；Δp爲節流孔闆差壓值（kPa）。

    發電機組的(de)汽輪機功率P_i的(de)計算(suàn)：

    式中：D爲汽輪機組蒸汽流量；h₀爲進汽機蒸汽焓值；h_h爲供熱(rè)蒸汽焓值；η_i爲汽輪機相對(duì)内效率（約爲82%）；η_m爲汽輪機機械效率（約爲98%）；η_g爲發電機效率（約爲98%）；

    初參數（入口蒸汽參數）p₁、T₁、h₁和(hé)抽汽參數p₂、T₂、h₂直接影(yǐng)響汽輪機的(de)功率。

    電廠爲了(le)監測和(hé)計量需要，通(tōng)常在鍋爐出口和(hé)汽輪機入口的(de)管道上加裝節流孔闆，造成初壓p₁降低；在汽輪機外供蒸汽總管加裝節流孔闆，造成供熱(rè)總出口蒸汽壓力p₂的(de)升高(gāo)，這(zhè)兩個(gè)參數的(de)變化(huà)均會造成汽輪機有效發電功率的(de)降低。

    而彎管流量計是安裝在管道轉彎處，取代現有的(de)彎頭，沒有增加新的(de)阻力，因此，在使用(yòng)中不會使蒸汽品質下(xià)降。如用(yòng)彎管流量計替代孔闆節流裝置，在鍋爐出口壓力不變的(de)情況下(xià)将提高(gāo)汽輪機初壓p₁并降低供熱(rè)總出口壓力p₂，從而提高(gāo)汽輪機發電效率，減少節流元件帶來(lái)的(de)能量損耗，達到節能目的(de)。

    2 彎管流量計系數的(de)實流标定

    評價彎管流量計替代孔闆的(de)實際效果，首先要保證彎管流量計替代孔闆後計量準确度不下(xià)降。我們采用(yòng)測量不确定度爲0.25%（k=2）的(de)常壓臨界流音(yīn)速噴嘴标準裝置，用(yòng)空氣作爲檢測介質，對(duì)出廠編号分(fēn)别爲JZ123和(hé)JZ124的(de)兩隻DN200的(de)彎管流量計計量裝置（由彎管流量傳感器、流量積算(suàn)儀以及溫度和(hé)差壓變送器組成的(de)測量系統）進行流量計系數實流标定。JZ123的(de)檢定結果見表1（彎管流量計的(de)常用(yòng)流量測量範圍爲1800～4500m³/h）。

    另一隻編号爲JZ124的(de)彎管流量計計量裝置的(de)實際彎管流量計系數爲0.59，示值誤差和(hé)重複性項目的(de)檢定結果與表1的(de)數據非常接近。

    由表1的(de)實測數據，我們可(kě)以得(de)出結論：經過精密加工的(de)彎管流量計量裝置計量特性穩定可(kě)靠，通(tōng)過實流标定确定彎管流量計的(de)流量系數，彎管流量計可(kě)以在較寬的(de)流量測量範圍内達到1.5%的(de)準确度，在計量特性方面完全可(kě)以替代傳統的(de)孔闆式差壓流量計。

    3 節能效益實例分(fēn)析

    下(xià)面以南(nán)京新蘇熱(rè)電廠蒸汽測量系統的(de)技改實例，分(fēn)析彎管流量計取代孔闆流量計的(de)節能效果。該廠共2爐1機，通(tōng)常1爐1機運行，鍋爐出口和(hé)汽輪機進汽入口均安裝的(de)是孔闆流量計。當1号爐運行時(shí)，鍋爐出口蒸汽流過孔闆、閥門等阻流件到達汽機入口，壓力降低0.2MPa；2号爐運行時(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(tā)們急需解決2号爐運行壓損過大(dà)問題。由于擴大(dà)管徑，投資較大(dà)。決定淘汰産生壓損的(de)主要部件———2台孔闆流量計。2号爐技改前的(de)具體相關參數見表2、3。

    3.1 阻力損失

    以上參數爲流量計計算(suàn)書(shū)中的(de)真實數據，根據式（5）可(kě)以算(suàn)出常用(yòng)流量75t/h時(shí)2号爐和(hé)汽輪機兩道孔闆産生的(de)壓損分(fēn)别爲55.9kPa、54.4kPa，總壓損高(gāo)達110.3kPa。

    3.2 節能計算(suàn)

    蒸汽流經鍋爐出口和(hé)汽輪機入口的(de)節流孔闆是一個(gè)絕熱(rè)節流過程，蒸汽焓值不變。汽輪機功率的(de)變化(huà)可(kě)以用(yòng)莫裏爾焓熵圖進行計算(suàn)，如圖2所示（h爲焓值，s爲熵）。已知節流前的(de)狀态p₁、t₁及節流後的(de)壓力p′1，根據節流前後焓值相等的(de)特點，可(kě)在h-s圖上确定節流後的(de)各狀态參數。如圖2所示，點1的(de)參數是p₁、t₁及h₁，在圖2上過點1按定焓畫(huà)水(shuǐ)平線與p′₁相交得(de)1′，即可(kě)得(de)節流後的(de)參數。汽輪機的(de)做(zuò)功爲可(kě)逆絕熱(rè)膨脹過程（即等熵過程），水(shuǐ)蒸汽在節流前由點1經可(kě)逆絕熱(rè)膨脹至抽汽壓力p₂時(shí)，可(kě)利用(yòng)的(de)焓降爲h₁-h₂，而經節流後的(de)水(shuǐ)蒸汽，同樣經可(kě)逆絕熱(rè)膨脹至壓力p₂時(shí)，可(kě)利用(yòng)的(de)焓降爲h′₁-h′₂，顯然h₁-h₂>h′₁-h′₂，節流以後蒸汽做(zuò)功減少。

    孔闆等節流元件導緻的(de)蒸汽壓力降低，所造成的(de)能量損失可(kě)以按照(zhào)以下(xià)的(de)方法與步驟計算(suàn)：

    1）無節流件時(shí)汽輪機入口壓力将提高(gāo)0.1103MPa，初參數p₀=（3.38+0.1103）=3.4903MPa，T₀=437℃，根據工程熱(rè)力學，可(kě)計算(suàn)出h₀=3305.185kJ/kg，s₀=6.95348；

    2）加節流後初參數p′₀=3.38MPa，由圖2查得(de)h′₀=h₀，求得(de)s₀=6.96756；

    3）節流前供熱(rè)抽汽壓力ph=0.7MPa，s_h=s₀，則h_h=2893.8458kJ/kg；

    4）節流後抽汽參數p′_h=p_h=0.7MPa，s′_h=s′₀，由圖1查得(de)h′_h=2900.8642kJ/kg。

    由式（6）計算(suàn)出汽輪機功率下(xià)降值P_x爲：

    汽輪機前兩道孔闆節流所産生的(de)能量損失使得(de)汽輪機每小時(shí)少發電115.15kW。用(yòng)彎管流量計替代孔闆，節能效果非常明(míng)顯。彎管流量計使用(yòng)三個(gè)月(yuè)節能的(de)錢即可(kě)将整套流量計設備技術改造投資全部收回。如果同時(shí)考慮節能帶來(lái)的(de)環保效益和(hé)彎管耐磨損（計量特性穩定）、無跑冒滴漏等優點，則優勢更加明(míng)顯。

    3.3 改造前後數據對(duì)比

    技改實施前後，2#爐相關數據分(fēn)别如表4、5所示。

    由表4、5的(de)實際對(duì)比數據可(kě)知，技改前2#爐主汽管70t/h流量經過兩套孔闆流量計進汽機時(shí)，總壓降平均爲0.3MPa，包括孔闆壓力損失、管道沿程阻力損失、局部阻力損失。改造後，總壓降爲0.2MPa，壓力損失減少0.1MPa。通(tōng)過對(duì)2#爐主蒸汽流量與進水(shuǐ)流量、汽機入口流量對(duì)比，也(yě)進一步驗證了(le)彎管流量計在1:5的(de)量程範圍内的(de)準确度可(kě)達到1.5%，計量性能優于原孔闆流量計，完全滿足蒸汽流量測量的(de)準确度要求。