摘要:從介紹產品工作原理入手,闡述了彎管流量計與孔板流量計在原理上的本質區別。在性能比較的基礎上突出說明了彎管流量計具有的無附加壓力損失的節能性能明顯優于孔板流量計。文章指出,在長期運行的大流量系統中應充分考慮這種區別所引起的能源合理利用問題。
一、引言
彎管流量計也是一種差壓式流量計,但其差壓的產生與孔板流量計有根本性區別:孔板流量計是節流型差壓流量計,是利用對流體節流裝置施行節流產生差壓來測量流體的流量的:彎管流量計的流量傳感器是一個90°標準彎管,它是利用流體的慣性原理產生差壓來測量流體的流量的。
二、彎管流量計和孔板流量計原理
1.彎管流計
(1)基本原理
當流體流經彎管時,由于彎管的約束作用,迫使流體在彎管內作近似于圓周運動。根據流體強制旋流理論,流體在管道內作圓周運動必然會產生慣性離心力,該離心力的大小與流體的流速、流體的質量(密度)以及作圓周運動的曲率半徑等因素有關。離心力的大小可以通過對彎管內、外側壓力差的測量來確定的:因此,只要測出彎管內、外側的差壓值,就可以方便地計.算出管道內流體的流速,進而算出管道內流體的流量值,這就是彎管流量計的基本測量原理(見圖1).
(2)流量方程
式中，?一流體的平均流速
a一流量系數
R/D一彎管的彎徑比
P1-P2一彎管內、外側壓力差
β一指數
ρ一流體的密度
2.孔板流量t計
(1)基本原理
充滿管道的流體,當它流經管道內的節流件時。如圖2所示，流體將在節流件處形成局部收縮.因此，流速增加,靜壓力降低,在節流件前后產生了壓差。流體流量愈大,產生的壓差愈大,因而可依據壓差來衡量流量大小。這種測量方法是以流動連續性方程(質量守恒定律)和伯努力方程(能量守恒定律)為基礎的:
(2)流量方程
式中.qm一質量流量,kg/s
C一流出系數
E一可膨脹性系數
β一直徑比.β=d/D
d.一工作條件下節流件的孔徑,m
D一工作條件下.上游管道內徑,m
△p一差壓,Pa
P1一流體密度,kg/m3
三、彎管流量計的基本特點及其與孔板流量計性能比較
以供熱系統為對象,選定孔板流量計與彎管流量.計作對比，是因為孔板流量計目前在供熱系統中仍然是使用普遍的流量計。
(1)無任何附加節流件或插人件.可大大降低流體在管道內輸送的動力消耗,節約能源。
由于彎管流量計獨特的測量原理,它沒有其它流量計必須具備的節流件或插入件,這一特點給彎管流量計的工業化應用帶來了巨大的便利和好處。
對于節流型孔板流量計來說，流體在孔板上的壓力損失是不可避免的。在通常情況下,該節流壓力損失(稱其為不可恢復壓力損失)可達孔板在該流量下產生的差壓值的30%~90%(與孔板的β值有關)。為了提高孔板流量計的測量精度,設計人員在選定孔板流量計的工作差壓值時一般都取高值,于是該壓力損失就相當可觀。在供熱系統中,由于孔板的阻力損失會使供熱循環水泵耗電量增加或使同樣的水泵壓頭不能滿足遠端供熱用戶的需求。對于一個完整的供熱系統來說，它所安裝的流量檢測孔板不會只是一塊,而多孔板的安裝使系統功率損失更大。對于蒸汽介質來說,孔板節流壓力損失會使蒸汽品質下降,或需要提供更高的供汽質量才能滿足用戶對蒸汽品位的要求。無論是哪--種情況都會造成附加的經濟損失和提高系統.的運行費用。如果用彎管流量計代替孔板流量計進行流量檢測.則不存在管道附加阻力損失的問題,孔板流量計的節流損耗也可簡單地看作是彎管流量計的節能效果。這種替代對于那些大系統、大管徑、大流量、低壓頭的測量對象好處將更加明顯。
(2)結構簡單,價格低廉
彎管傳感器就是一個90標準彎頭,隨著彎管機械加工工，業的發展和行業標準化、規范化管理的不斷完善.用作彎管傳感器的標準機制彎頭其質量越來越好.價格也越來越低,它一方面使彎管傳感器的技術指標能得到更好的保證.同時.也大大降低了彎管傳感器的價格，目前.彎管傳感器甚至比市場上價格便宜的.法蘭式孔板傳感器還要便宜.而且管徑愈大.愈便宜。
(3)彎管傳感器耐磨損,對微量磨損不敏感
傳感器對磨損不敏感是保證流量計長期精度佳測量的重要條件之一.這方面彎管流量計有著不可比擬的優勢:而孔板流量計的人口銳角對微量磨損就十分敏感。規程規定,計量用孔板流量計的孔板每年必須進行一次或一次以上的強制性磨損檢查,這是保證孔板流量計正確計量的必要條件:即便如此.在兩個檢修周期內也很難保證孔板流量計測量精度的一致性.這樣頻繁的拆裝、檢查、維修不是一般單位都可以作到.的,對于那些大管徑的孔板.尤其是蒸汽孔板其拆裝難度之大使維修者無不望而卻步.大量的維修費用也給使用者帶來了額外的經濟負擔:因此.現實情況是多數孔板流量計使用單位以損失測量精度為代價來減少孔板流量計的檢修次數。這種方法當然是不可取的:彎管傳感器不僅耐磨性能好,即使有輕微磨損,對彎管傳感器的工作性能和測量精度的影響也是極小的。因此.彎管流量計可以長期保持精度的狀態。
(4)可測量容易臟污、堵塞傳感器的流體
供熱系統的循環水其水質是比較差的,原因是在一個供暖期內循環水是反復使用而不更換(只是少量補充).加上防腐需求等其它原因在循環水中還要加入一些化學物質,使循環水對流量測量裝置的污染影響更大。孔板傳感器人口的直角部分即使是輕微的沾污也會對測量精度造成極大的影響。而彎管傳感器對于供熱循環水這樣的介質其適應性是很強的.即使是長期的運行也能保證其正常工作,且能保證足夠的測量精度不受影響。
(5)量程范圍寬、直管段要求不嚴格.適應性強
只要是可以用孔板流量計進行測量的對象都可以用彎管流量計來代替。而在耐高溫、耐高壓、耐沖擊、耐震動、耐潮濕、耐粉塵等方面,彎管流量計遠遠優于其它常用流量計(如渦街流量計、電磁流量計、超聲波流量計等等)。震動、沖擊對彎管傳感器的正常工作幾乎沒有影響.而高溫、高壓對于彎管流量計來說只是采用與工藝管道相同材質的標準彎頭作傳感器,就可以方便地得到解決。.
彎管傳感器的幾何尺寸幾乎沒有限制，管經小可到幾十mm甚至十兒mm.大可到Im甚至2m以上,只要彎管的彎徑比符臺規定要求。都可以作為傳感器進行流量測量,這一-特點是一般流量傳感器不容易作到的:
直管段要求不太嚴格也是彎管流量計在現場使用.中十分重要的特點之一。許多流量測量裝置都因為現場直管段不能滿足要求而不能進行測螢或不能保證其瀏量精度.彎管流量計由于其特殊的測量原理使其在實際應用時對直管段的要求不嚴格，一-般只需保證前5D后2D即可.遠遠低于其它流量測量裝置的要求。
(6)可采用直接焊接法進行安裝
流量測量裝置現場跑、冒、滴、漏是一個十分令人頭痛的現實問題,它包含了諸如能源和物料的浪費,環保、安全、計量正確等方面的問題.是運行、管理部門十分重視又不易徹底解決的老大難問題:流量傳感器直.接焊接法安裝就是為解決這個實際問題而產生的(例如焊接式孔板):但是.孔板的不耐磨損給焊接式孔板保持長期精度正常使用帶來了困難.既然孔板檢修周期短,那么,嚴格地說焊接法安裝紿孔板流量計帶來的不是好處,相反使經常性的檢修工作變得更加困難。因此,焊接式孔板并不是解決測量裝置現場的跑冒滴漏的好方法。而彎管傳感器完全可以滿足直接焊接法安裝的一-切技術條件.它的耐磨損、免維護、長周期.精度運行的特點使焊接法安裝這一優勢得到了充分的發揮.現場跑冒滴漏的麻煩得到了徹底的解決
(7)通過實驗研究.提出了彎徑比為1.5~1.6范圍內.在該條件下的蒸汽彎管流量計的簡化模型,不但可使彎管參量無須單獨標定即可實現蒸汽流量高精度測量,而且在采用了蒸汽溫度、壓力智能補償后,使流量計能適用于溫度、壓力變化范圍大的蒸汽流量測量:二次儀表以計算機技術為核心,采用蒸汽密度補償處理.因而使二次儀表精度達到0.29.流量測量系統實測精度達到了1.14%(引用誤差):
四、結束語
雖然將彎管流量計和經典的孔板流量計作了一系列的對比.指出了孔板流量計存在的一些不盡人意的缺點,但是.有一點是十分清楚的.孔板流量計作為一種流量計量器具.它具有悠久的歷史.經過無數專家、學者的潛心研究和完善，它的設計、計算、加工、安裝、使用、維護等等環節都具備了完備的標準和規范.尤其值得強調的是它已具備了計量管理部門承認的、具有.法律效用的幾何相似檢定的許可、獲得了有關管理部門的正式推薦,所有這一切使它在工業化應用中具備了極其強大的競爭力。目前還沒有任何一種流量計可以和它“相提并論”。正如歷史是不會停止一樣.流量計的發展也是日新月異的。孔板流量計的諸多缺點愈來愈為人們所重視,要么解決這些缺點,要么用一種更好的流量計代替它。
其實,彎管流量計研究工作也有80余年的歷史，只是過去的工作受到諸多客觀條件的限制,使彎管流量計的工，業化推廣應用十分困難,其中重要的是彎管加工技術和彎管的空間測量技術。這些限制條件的存在幾乎葬送了彎管流量計的發展前途。現在這一切都得到了解決,高精度的彎管加工技術可以保王彎管傳感器的彎徑比能夠控制在一個極小的范圍內.而科學的測量方法又使彎管彎徑比的測量精度得到了保證,所有這些使彎管傳感器的幾何相似性成為可能。同時.通過研究我們發現，在彎管傳感器特定彎徑比條件下,彎徑比與流量系數之間出現的互補性規律,由此大大提高了這種流量計的測量精度及其穩定性。
在流速為7~70m/s范圍內，檢定其相應的測量范圍,其系統流量精度(包括差壓、壓力、溫度變送器及二次儀表等配套儀表)小于企業標準規定的+2.5%FS的精度,在檢定樣機中.流速為25~70m/s的常用蒸汽流速范圍內,其實測精度優于1.14%FS:
彎管流量計突破了困擾它發展的流量系數離散性大、測量精度低的困難,滿足了工業應用的要求:彎管流量計的精度.無附加壓力損失、量程比大、適應能力強,經濟效益高等特性完全符合能源建設和科學化計量管理事業的發展要求:如在供熱行業全面推廣使用彎管流量計.僅計算它的無附加阻力損失并將其折.算成水泵電耗所能獲得的效益,在一個取暖期就可高達3億元人民幣:據初步統計,在全國用彎管流量計全面替代目前應用廣泛的孔板流量計.每年就叮取得數十億元人民幣的經濟效益,且節約大量的能源:因此.大力發展彎管流量計,把它盡快地推廣到能源建.設和科學化管理的各個領域是必要和可能的。
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