弯管流量计的计量特性和在热电行业节能效益验证

　　0　引言

　　流量仪表在检测被测流体参数的同时,会导致被测流体能量的损耗。在蒸汽、天然气等气体介质的流量检测领域,孔板流量计被广泛使用。流量仪表在实现有效计量的同时,也成为能量损耗的重要因素。科学选择流量仪表,以有效解决准确计量与计量仪表耗能这一矛盾,是做好能源计量的重要工作。经过理论分析和实践总结,我们提出在气体流量测量中尽可能采用以弯管流量计替代常见的孔板式差压流量测量装置,可以实现既准确测量气体的流量,又能免除孔板节流装置的压损,达到节能效果。

　　1　弯管流量计的测量原理和节能原理

　　1.1　弯管流量计的测量原理

　　流体在流经弯管时,由于弯曲管壁的导流作用,使流体在流进弯管时其内侧流速会逐渐增大,而外侧流速却逐渐减小,这就形成了各个过流断面的近似梯形速度分布,且这种梯形速度分布在弯管45°截面处达到极限状态。弯管45°截面各质点流速分布如图1所示。

　　由于流体流经弯管流量计过程的复杂性,致使我们不可能用通常的理论方法推导出一个简单的数学表达式,而只能借助于量纲分析的方法建立一个涵盖全部可能影响因素而形式上复杂的数学表达式。根据量纲分析原理:流过弯管流量计流体的平均流速与弯管内、外侧压力差Δp的关系可以用欧拉数Eu表示:

　　式中:Re为雷诺数;Fr为费劳德数;Ma为马赫数;R/D为弯径比;L1、L2为前后直管长度;(λ1,λ2)表示外侧取压孔位置;(λ3,λ4)表示内侧取压孔位置;Δ为管道内壁粗糙度;β1、β2为前后直管段与弯管的夹角。

　　根据欧拉数Eu的定义,上式可以进一步改写为:

　　式中:α为流量系数。

　　式(3)建立了流体流过弯管流量计的工作原理表达式,根据欧拉数Eu的定义,弯管流量计工作原理可以表述为:流过弯管流量计的流体动能(ρν2)与弯管内外侧的压力差(Δp)具有比例关系。其比例系数(流量系数)α是雷诺数、费劳德数、马赫数、弯径比、前后直管段长度、取压孔(内、外侧)位置、直管段与弯管的连接角度、弯管内表面的粗糙度等影响因素的函数。

　　式(4)给出了理论流量系数α的函数表达式,对于该系数的确定可以通过求解包含相关影响因素的纳维—斯托克斯微分方程确定。

　　1.2　弯管流量计的节能原理

　　对于火力发电企业,弯管流量计取代孔板节流装置是否具有节能效果,可以通过发电机组的汽轮机功率间接计算。

　　孔板的节流,会使蒸汽压力降低,意味着做功能力减小,造成不可恢复的能量损失。孔板产生的压力损失通常根据式(5)计算: