热力系统中孔板式与弯管式流量计的分析比较.pdf

热力系统中孔板式与弯管式流量计的分析比较牛伟，等 热力系统 中孔板式与弯管式流量计的分析比较 An a l y s i s a n d Co mp a r i s o n o f Or i f i c e F l o wme t e r a n d El b o w F l o w me t e r i n Th er ma l S y s t e m，丰 伟 纠 哆(西安石油大学机械工程学院，陕西 西安7 1 0 0 6 5)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。关键词：热力系统蒸汽流量孔板流量计弯管流量计流量精度定性分析 中图分类号：T H 8 1 4；2 7 文献标志码：A D O I：1 0 1 6 0 8 6 j c n k i i s s n l O 0 0 0 3 8 0 2 0 1 6 0 1 0 2 1 Abs t r a c t：I n o r d e r t o a n a l y z e a n d c o mp a r e t h e d i ffe r e n c e s b e t we e n o r i f i c e s t e a m fl o wme t e r a n d e l b o w s t e a m flo wme t e r i n p r a c t i c a l a p p e a fi o n s，t h e ma j o r p a r a me t e r s a ff e c t i n gt h efl o w a c c u r a c y a r eana l y z e dq u a l i t a ti v e l y，a n dt h ei mp o r t a n t f a c t o rs a ff e c t i n gtheme a s u r e me n t a c c u r a c y o f the s e t wo ki n d s o f flo wme t e r s are e x po u n d e d Wi t h s t e a m a s the me d i u m，an d c o mb i n i n g wi th a c t u al p r o d u e d o n s i t ua t i o n，the a d v ant a g e s a n d dis ad v a n t a g e o fthe s e k i n d s of fl o wr a e t e rs a r e c o mp a r e dT h e r e s u l t s o f e o m,t i s o n i n dic a t e t h a t d i ffe r e n t e ffe c ts ma y o c c ur t o two k i n ds o f flo wme t e r s wh e n i mpor t a n t pa r a me t e rs c h a n g e s，s u c h a s Re y n o l ds n u mb e r，d e n s i t y，d i ffe r e n t i al p r e s s u r e，e t c；a n d c o mpa r i n g wi t h o r i fic e s t e am flo wme t e r，t h e e l b o w s t e am flo wme t e r po s ses s ma n y o b v i o us a dv an tag e s an d b r o a d p r o s p e c ts f o r d e v e l o p me nt Ke y w o r d s：The r m al s y s t e m S t e a m fl o w O l qc e fl o w me t e r E l b o w fl o w m e t e r n O W a c c u r a c y Q u al i t a ti v e a n al y s i s 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 修改稿收到 日期：2 0 1 5 0 3 0 8。第一作者牛伟(1 9 8 5一)，男，现为西安石油大 学动力工程专业在读 硕士研究生；主要从事化工过程机械 方面的研究。自动化仪表 第 3 7卷第 1 期2 0 1 6年 1月 大，压力降低，孑 L 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。I l _c ，：=二二 J l _-_ t i 4 1 1 趴-一 山 l I I 图 1 孔板 附近的流速和压力分布示意 图 F i g I F l o w v e l o c i t y a n d p r e s s u r e d i s t r i b u t i o n n e a r o r i f i c e p l a t e 1 2 流量计 算公 式 由G B T 2 6 2 4-2 0 0 6 ，对于标准节流装置，差压与 流量的函数关系式为：g m=一2,o&p (1)g m (8 5 热力系统中孔板式与弯管式流量计的分析比较牛伟，等 式 中：q 为质量 流量，k g h；C为流 出系数；为膨胀 系 数，只有对于不可压缩流体 占=1；d为节流装置开孔直 径，m m；p为流体节流前的密度，k g m 3；P为孔板前 后差压值，P a。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。c=0 5 9 1+0 0 2 一 0 2 1 。+O 0 0 0 5 2 1 ()+c 0 0 1 8 8+0 0 0 6 3 A (+(0 0 4 3+0 0 8 0 e-1 0 L t 一0 1 2 3 e 一 )(1 0 I l A)一 0 0 3 1(M2 0 8 )(2)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。当 D 0 7 5时，式(3)可 以使 用。一 般 当 A P P。0 0 4 时，s的误差可忽略不计，但在低静压高差压的 情况下，值有 不可 忽 略的误 差。此 时膨 胀 系数 的不 确定度为：3 5 。，(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p、速度 的变化而引起流出系数 c及膨胀系数 s的变化。因为孑 L 板长时问使用，而没有按照规定每 年定期拆检，导致孑 L 板入口边缘不尖锐，影响 值及 d 值，并且压力的变化会导致密度P偏离设计值，这些因 素最终会严重导致流量 g 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 9 0。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 9 0。旋转 时，在 弯管 4 5。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，8 6 P ROCES S AUT OMATI ON I NS T RUMENTAT I ON Vo L 3 7 No 1 J a n u r a r y 2 0 1 6 热力系统中孔板式与弯管式流量计 的分析 比较牛伟，等 因此取 4 5。处为测压点。图 3 弯管流量 计示意 图 F i g 3 S c h e ma t i c d i a g r a m o f e l b o w fl o w me t e r 流量计算公式为：(R D)(p p)(5)式 中：为流 体平 均 流 速，m s；o t 为流 量 系 数；P为 4 5。截面外侧、内侧压差，P a；D为弯管内径，m；为弯 管曲率半径，m；为流体介质密度，k g m 。质量 流量 q 与平均流速 的关系如下：1 q m 面 P (o 式中：为质量流量，k g h；为流体平均流速，m s；D 为弯管内径，i n l n；p为流体介质密度，k g 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 O t 的确定 以及密度P。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 P的变化，而 流量与密度的平方根成正比。对于流量系数 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。及管径 D、弯管曲率半径 R有关。存在如 下关系 a=R e ，D，R)，例 如 国内学者陆 祖祥通 过实 验所得 的经验公 式：24 7 (1 一 芸)(7)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 0 。c(1 6 5 D。)。所以流量系数对雷诺数的平方根存在 函数关系，随着 R e。的变化 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 e。的影响：对于孔板流量计，雷诺数 自动化仪表 第 3 7卷第 1 期2 0 1 6年 1月 在大于 1 0 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 D N 1 0 0以及 D N 2 0 0的 管子需要雷诺数达到 2 31 0 和 4 61 0 ，对于较低 雷诺数的流体，会导致误差增大甚至不能测量。(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 q 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，会导致孑 L 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 1 0 D、后 5 D的最低要求，而弯管流量计只需要 前 5 D、后 2 D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人孔 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(下转第 9 2页)8 7 开关 D C-D C变换器恒频定关 断时间控 制技术研 究史 国栋，等 I p l 0 s，产1 0 0 k H z I U o f一 一 j 0 (b)开关控制脉冲波形 图 6 不 同输入 电压 时 B u c k变换器 实验结果 F i g 6 E x p e r i me n t a l r e s u l t s u n d e r d i ffe r e n t i n p u t v o l t a g e s 4结束语 本文在研究传统的固定关断时间(F O T)控制技术 基础上，提出了一种基于输入输 出电压反馈调节 的 C F F O T控制技术，消除了 F O T控制方法中开关频率可变 的不足。以工作在 C C M 的 B u c k变换器为例，对 C F F O T控制技术进行了理论分析、电路仿真和实验研究。研究结果表 明：通过 实时采 样 B u c k变 换器 的输 入输 出电压，C F F O T控制技术可调整其固定关断时间来维 持开关频率的恒定。这给开关 D C D C变换器滤波器 综合设计带来了很大的方便，同时也可以有效地控制 开关损耗。与 现有 的 F O T控制 技术 相 比，C F F O T控 制技术同样具有优良的动态响应。值得注意的是，c F F O T控制技术虽然保持 了开关变换器的恒频工作状 态，但其输出电压纹波却有微小的波动，但仍能满足一 般开关电源对输 出电压调整 精 度 的要 求。P S I M 电路 仿真和实验结果验证了理论分析的正确性。参考文献 1 陈爱亚，张为平，周京华，等 开关变换 器控制技 术综述 J 电 气应用，2 0 0 8，2 7(4)：41 0 2 陈志强张蕊萍 电压型 P WM整流器电流控制策略研究 J 自 动化仪表，2 0 1 3，3 4(7)：1 61 8 3许峰，徐殿国，柳玉秀 具有最优动态响应的 P WM型 D C D C变换器 非线性控制新策略 J 中国电机工程学报，2 0 0 4，2 3(1 2)：1 3 31 3 9 4 王金平，许建平，兰燕妮，等 基于输入 电压前馈 补偿的开关变换器 恒定导通时间控制技术 J 电 工技术学报，2 0 1 2，2 7(2)：1 8 2 2 5 B a o B C，Z h a n gX，X u J P，e t a 1 C r i t i c a l E S R o f o u t p u t c a p a c i t o r f o r s ta b i l i t y of fi x e d o ff-t i m e c o n t r o l l e d b u c k c o n v e e r f J E l e c t r o n i c s L e t t e r s，2 0 1 3，4 9(4)：2 8 72 8 8 6 R e d l R，S u n J R i p p l e b a s e d c o n t r o l o f s w i t c h i n g r e g u l a t o r s：a n o v e r v i e w J I E E E T r a n s a c t i o n s o n P o w e r E l e c t r o n i c s，2 0 0 9(1 2)：2 6 6 92 6 8 0 7张希，包伯成，王金平，等 固定关断时 间控 制 B u c k变换 器输 出 电容 等 效 串 联 电 阻 的稳 定 性 分 析 J 物 理 学 报，2 0 1 2，6 1(1 6)：1 6 0 5 0 3 8 杨苹，石安辉，胡郴 龙 控 制关断 时间 的峰值 电流模 式准 P WM 控制方法 J 电力系统及其 自动化学报，2 0 1 0(3)：7 3 7 7 9 张美健 固定关断时 间控 制对 B u c k变换器 稳定性 的影 响 J 通信 电源技术，2 0 1 4，3 1(2)：3 0 3 2 1 O 罗萍，李强，熊 富贵，等 新 型开关 电源 的关 键技术 J 微 电 子 学，2 0 0 5，3 5(1)：l 31 6 1 1 B i s h n o i H，B a i s d e n A C，Ma t tav e l l i P，e t a1A n a l y s i s of E MI t e r m i n a l mo d e l i n g o f s wit c h e d p o w e r c o n v e n e rs J I E E E T r a n s a c t i o n s o n P o w e r E l e c t r o n i c s，2 0 1 2，2 7(9)：3 9 2 43 9 3 3 1 2 陈恒林，钱照明 布局对 E M I 滤波器性能影响的研究 J 电工 技术学报，2 0 0 8，2 3(8)：71 2 (上接 第 8 7页)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孑 L 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。参考文献 1 林琪，娄晨 基于压差式孔板流量计的缩颈管段流场数值研究 J 压力容器 2 0 1 4 3 1(2)：2 9 3 7 2 中国国家标注化管理委员会 GB T 2 6 2 4 2-2 0 0 6用安装 在 圆形 截面管 道中的差压装 置测量满 管流体 流量【S 2 0 0 6 3 中国国家标注化管理委员会 GB T 2 6 2 4 2-2 0 0 6用安装 在 圆形 截面管道中的差压装 置测量满 管流体 流量 S 2 0 0 6 4 辛立峰 孔板流量计的误差来源与实际控制 J 科技传播，2 01 1 f 1 0)：8 08 2 5 杨婕，李文婷，任宁宁 弯管流量计在供热系统中的应用优势【J 石 油化工 自动化，201 2，4 8(3)：7 6 7 9 6 国海东，董亚春，艾瑞金 关于弯管流量计的几点看法 J 吉林 化工学院报，2 0 1 3，3 0(3)：5 0 7 H S B e a n F l u i d me t e r s：t h e i r t h e o r y a n d a p p l i c a t i o n R R e p o r t of AS ME Re s e a r c h C o mmi t t e e o n F l u i d Me t e r s 1 9 71 8 董亚春，艾瑞金，国海东 关于弯管流量计 的几点看法 J 吉林 化工学 院报，2 0 1 3，3 0(3)：5 1 5 2 9 2 P ROCES S AUTOM ATI ON I NS TRUMENTATI ON Vo L 3 7 No 1 J a n u r a r y 2 0 1 6