熱電廠供熱蒸汽流量計(jì)選型
在熱電廠的生產(chǎn)過程中，供熱介質(zhì)( 例如蒸汽和熱水) 結(jié)算用流量的測(cè)量精度要求很高( 要求誤差小于 ± 0． 5% ) ; 而且由于熱負(fù)荷不穩(wěn)定，供熱介質(zhì)的流量變化范圍很大。一般情況下，供熱介質(zhì)的最大流量與最小流量的比值可達(dá)幾十比一，甚至高達(dá) 400∶1。但是，常用流量計(jì)的量程比( 量程比: 滿足精度要求的前提下，所能測(cè)量的最大值與最小值的比) 通常低于10∶1，無法實(shí)現(xiàn)供熱介質(zhì)流量的全計(jì)量范圍的精確測(cè)量，尤其是小流量區(qū)域的精確量。因此，大量程比的供熱介質(zhì)流量測(cè)量方案的研究就十分必要。
1 現(xiàn)有測(cè)量方案
當(dāng)前，蒸汽和熱水的常用流量方案有差壓式流量計(jì)和渦街流量計(jì)兩種測(cè)量方案。
1． 1 差壓式流量計(jì)
以節(jié)流裝置作為檢測(cè)件的差壓式流量計(jì)是歷史悠久、理論和時(shí)間資料豐富、用量最大的一類流量計(jì)。節(jié)流裝置配合差壓變送器可用來對(duì)液體、蒸汽和氣體的流量進(jìn)行測(cè)量和控制。差壓式流量計(jì)具有技術(shù)成熟、適用范圍管，安維護(hù)簡(jiǎn)便、重復(fù)性好、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。
1． 1． 1 節(jié)流裝置
節(jié)流裝置形式和種類繁多，本文僅介紹火電廠中常用的三類節(jié)流裝置: 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置、均速管流量計(jì)和平衡流量計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置: 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置是按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO5167、中國(guó)標(biāo)準(zhǔn) GB /T—2624 的技術(shù)規(guī)范書進(jìn)行設(shè)計(jì)、造和使用的節(jié)流裝置。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置有標(biāo)準(zhǔn)孔板、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴和標(biāo)準(zhǔn)文丘利管。標(biāo)準(zhǔn)孔板是最常用的節(jié)流件，標(biāo)準(zhǔn)噴嘴和標(biāo)準(zhǔn)文丘利管的原理、特性與標(biāo)準(zhǔn)孔板相似; 因此，本文中以標(biāo)準(zhǔn)孔板為例討論標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置。均速管流量計(jì): 均速管流量計(jì)是基于皮托管測(cè)速原理發(fā)展而來的一種新型差壓流量測(cè)量裝置，具有永久壓縮小的特點(diǎn)。平衡流量計(jì): 平衡流量計(jì)是一個(gè)多孔的圓盤節(jié)流整流器，每個(gè)孔的尺寸和分布是基于特殊的公式和測(cè)試數(shù)據(jù)而制定，稱為函數(shù)孔。當(dāng)流體穿過圓盤的函數(shù)孔時(shí)，流體被平衡整流，渦流被最小化，形成近似理想流體，通過取壓裝置，可獲得穩(wěn)定的差壓信號(hào)。
1． 1． 2 節(jié)流裝置特性對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置、均速管流量計(jì)和平衡流量計(jì)的主要性能對(duì)比如表 1 所示。
1． 1． 2 節(jié)流裝置特性對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置、均速管流量計(jì)和平衡流量計(jì)的主要性能對(duì)比如表 1 所示。
表 1 常用節(jié)流裝置的主要性能對(duì)比表
節(jié)流裝置 標(biāo)準(zhǔn)孔板 均速管流量計(jì) 平衡流量計(jì)
工作壓力/MPa ≤40 ≤40 ≤42工作溫度/℃ ≤700 ≤700 ≤850精度/% 0． 5 ～ 1． 5 1． 0 0． 3 ～ 0． 5量程比 3∶1 10∶1 30∶1管道尺寸 DN50 ～ DN3 000 DN40 ～ DN9 000 DN15 ～ DN3 000壓力損失/% 50 ～ 70 10 ～ 20 10 ～ 30雷諾數(shù) 5 000≤Ｒe≤10780 000≤Ｒe≤107200≤Ｒe≤107其它 —對(duì)介質(zhì)流速:氣體≥4． 5 m /s，液體≥0． 6 m /s，蒸汽≥9． 7 m /s從常用節(jié)流裝置的主要性能對(duì)比表中可以得出
以下結(jié)論:
1) 精度: 平衡流量計(jì)最優(yōu)，標(biāo)準(zhǔn)孔板( 標(biāo)定)次之，均速管流量計(jì)最差。
2) 壓力損失: 均速管流量計(jì)最優(yōu)，平衡流量計(jì)次之，標(biāo)準(zhǔn)孔板最差。
3) 量程比: 平衡流量計(jì)最優(yōu); 均速管流量計(jì)的理論量程比可達(dá)到 10∶1，但是均速管流量計(jì)的適用雷諾數(shù)范圍較小且對(duì)流速有要求，均速管流量計(jì)在小流速工況的應(yīng)用效果不佳，實(shí)際量程比接近標(biāo)準(zhǔn)孔板的量程比 3∶1。
基于以上結(jié)論，三種常用節(jié)流裝置中平衡流量計(jì)的性能較為優(yōu)越，對(duì)大量程比流量測(cè)量方案更為有利。因此，本專題后續(xù)討論中以平衡流量計(jì)為例
討論大量程流量測(cè)量方案。
1． 1． 3 差壓變送器
差壓式流量計(jì)由節(jié)流裝置和差壓變送器共同組成，其特性也由兩者共同決定。表 2 給出了當(dāng)前主流變送器 品 牌 的 常 用 差 壓 變 送 器 型 號(hào) 主 要 性 能參數(shù)。
表 2 常用差壓變送器主要性能參數(shù)表
廠家 EJA 羅斯蒙特 霍尼韋爾 西門子系列 EJA110A 3 051 ST3 000 DSIII精度/% 0． 015 0． 025 0． 065 0． 075量程比 50∶1 100∶1 200∶1 100∶1
由表 2 可以得出，常用差壓變送器的量程比為100∶1。而根據(jù)流量計(jì)算公式:Q = k ▽ p
槡ρ ( 1)式中: Q 為體積流量; ▽ p 為差壓; ρ 為流體密度。可以得出: 流量與差壓是平方根關(guān)系。因此可以得出差壓變送器用于流量測(cè)量時(shí)量程比為 10∶1。
但是，差壓式流量計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)，節(jié)流裝置的刻度流量為介質(zhì)最大流量的 1． 1 倍以上; 節(jié)流裝置的刻度流量對(duì)應(yīng)的差壓值也小于差壓變送器自身最大量程，因此差壓式變送器用于流量測(cè)量時(shí)，實(shí)際的
有效量程比一般在 7∶1 ～ 9∶1。因此，當(dāng)節(jié)流件采用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置或均速管流量計(jì)時(shí)，整套差壓流量計(jì)的最大量程受節(jié)流件的限制，最大量程比為 3∶1。當(dāng)節(jié)流件采用平衡流量計(jì)時(shí)，整套差壓流量計(jì)的最大量程受差壓變送器的限制，最大量程比為 7∶1 ～ 9∶1。
1． 1． 4 雙變送器測(cè)量方案
由于差壓變送器量程比的限制，平衡流量計(jì)大量程比( 10∶1 甚至 30∶1) 的優(yōu)勢(shì)無法充分體現(xiàn)。為突破差壓變送器對(duì)整套差壓流量計(jì)量程比的限制，一些項(xiàng)目采用了雙變送器的測(cè)量方案，具體原
由于差壓變送器量程比的限制，平衡流量計(jì)大量程比( 10∶1 甚至 30∶1) 的優(yōu)勢(shì)無法充分體現(xiàn)。為突破差壓變送器對(duì)整套差壓流量計(jì)量程比的限制，一些項(xiàng)目采用了雙變送器的測(cè)量方案，具體原
理圖具體見圖 1。
雙變送器測(cè)量方案: 一套平衡流量計(jì)的同時(shí)配兩套差壓變送器，其中差壓變送器 1 的差壓測(cè)量范圍覆蓋整個(gè)平衡流量計(jì)刻度流量對(duì)應(yīng)的差壓值范圍，差壓變送器 2 的差壓測(cè)量范圍覆蓋平衡流量計(jì)0 ～ 60% 刻度流量范圍。為避免差壓變送器 2 超量程，可以在差壓變送器 2 一次門后加裝電磁閥。兩套差壓變送器測(cè)量值同時(shí)送入流量計(jì)算裝置( 如: DCS，PLC 或者就地控制器) 。當(dāng)差壓變送器
1 的流量計(jì)算值大于 60% 時(shí)，使用差壓變送器 1 計(jì)算流量; 當(dāng)差壓變送器 1 的流量計(jì)算值小于 60% ，使用差壓變送器 2 計(jì)算流量。平衡流量計(jì)的流量計(jì)算公式按照 0 ～ 60% 和 60% ～ 100% 兩個(gè)流量區(qū)間分別修正。
雙變送器測(cè)量方案可以克服差壓變送器的有效量程比的限制; 配合寬量程比的平衡流量計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)量程比為 30∶1 的寬量程比的流量精確測(cè)量。
1． 2 渦街流量計(jì)
渦街流量計(jì)是根據(jù)“卡門渦街”原理制造的一種速度式流量?jī)x表，是目前國(guó)際主要的流量測(cè)量?jī)x表之一。適用于液體、氣體和蒸汽的流量計(jì)量。渦街流量計(jì)的主要技術(shù)參數(shù)如表 3 所示:
渦街流量計(jì)不需要額外的變送器，因此具有安裝簡(jiǎn)單和大量程比的特點(diǎn); 但是渦街流量計(jì)的適用溫度和壓力范圍較小，應(yīng)用場(chǎng)合較少。
渦街流量計(jì)不需要額外的變送器，因此具有安裝簡(jiǎn)單和大量程比的特點(diǎn); 但是渦街流量計(jì)的適用溫度和壓力范圍較小，應(yīng)用場(chǎng)合較少。
1． 3 推薦方案
根據(jù)上文對(duì)差壓式流量計(jì)和渦街流量計(jì)的綜合分析，本文給出不同量程比情況下的推薦流量測(cè)量方案
多測(cè)量管道方案
通過對(duì)差壓式流量計(jì)和渦街流量計(jì)的分析，可以看出采用單個(gè)流量變送器時(shí)，流量計(jì)的量程比最大不超過 30∶1。而在熱電廠生產(chǎn)過程中，部分工況下供熱介質(zhì)流量的量程比可能高達(dá) 100∶1 甚至更高。對(duì)于這類應(yīng)用場(chǎng)合常規(guī)單套的流量測(cè)量裝置無法滿足流量精確測(cè)量的要求。
2． 1 多測(cè)量管道方案
針對(duì)高量程比的應(yīng)用場(chǎng)合，本文提出多測(cè)量管道方案。本章節(jié)以兩測(cè)量管道方案為例說明方案測(cè)
量原理，具體原理圖詳見圖 2。
本方案采用兩段截面積不一樣的流量測(cè)量管
道，分別為大流量管道( PL) 和小流量管道( PS) 。
每段測(cè)量管道上相應(yīng)配一個(gè)流量計(jì)用于流量測(cè)量，
分別為大流量流量計(jì)( FL) 和小流量流量計(jì)( FS) 。
增刊 1 裴順，等: 熱電廠供熱流量?jī)x表的設(shè)計(jì) 37兩測(cè)量管道方案對(duì)于流量計(jì)的具體方案沒有要求。
每段測(cè)量管道上游均設(shè)有一個(gè)遠(yuǎn)控閥門( 可以
是電動(dòng)閥、氣動(dòng)閥，本文以氣動(dòng)閥為例) ，分別為
MV － PL 和 MV － PS。下游設(shè)有一個(gè)手動(dòng)閥( 正常
工作時(shí)，處于全開狀態(tài)) ，分別為 HV － PL 和 HV
－ PS。正常流量測(cè)量時(shí)，僅有一段流量測(cè)量管路上
的電動(dòng)閥處于全開狀態(tài)，另一個(gè)管路上的電動(dòng)閥處
于全關(guān)狀態(tài)。測(cè)量過程如下:
當(dāng)大流量測(cè)量管道 PL 處于測(cè)量狀態(tài)時(shí)，即閥門 MV － PL 全開，大流量流量計(jì)( FL) 處于工作狀態(tài)。如大流量流量計(jì)( FL) 的測(cè)量值大于 FLmin 時(shí)，以大流量流量計(jì)( FL) 的測(cè)量值為準(zhǔn); 如大流量流量計(jì)( FL) 的測(cè)量值小于 FLmin 時(shí)，控制打開閥門MV － PS 投入小流量測(cè)量管道 PS 和小流量流量計(jì)( FS) ，待 MV － PS 全開后關(guān)閉 MV － PL 閥門。當(dāng)小流量測(cè)量管道 PS 處于測(cè)量狀態(tài)時(shí)，即閥門 MV － PS 全開，小流量流量計(jì)( FS) 處于工作狀
態(tài)。如小流量流量計(jì)( FS) 的測(cè)量值小于 FSmin，以小流量流量計(jì)( FS) 的測(cè)量值為準(zhǔn); 如小流量流量計(jì)( FS ) 的測(cè) 量 值 大 于 FSmax 時(shí)，控 制 打 開 閥 門MV － PL 投入測(cè)量管道 PL 和大流量流量計(jì)( FL) ，待 MV － PL 全開后關(guān)閉 MV － PS 閥門。測(cè)量管路切換過程中，保持上一個(gè)有效測(cè)量值。為減短測(cè)量管路切換時(shí)間，選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)全行程動(dòng)作時(shí)間盡量短( 氣動(dòng)閥動(dòng)作時(shí)間小于 10 S) 。熱電廠生產(chǎn)中，熱負(fù)荷變化較為均勻，切換過程對(duì)測(cè)
量影響不大。通過工程實(shí)踐證明，通過合理設(shè)計(jì)兩段測(cè)量管路和選用流量計(jì)方案，可以實(shí)現(xiàn)的大量程比流量的測(cè)量。當(dāng)兩套流量計(jì)采用平衡流量計(jì) + 單差壓變送器方案，本方案可以實(shí)現(xiàn)量程比為 60∶1 的流量測(cè)量。
如需工況確實(shí)需要更大量程比，可采用量程比更大的流量計(jì); 例如: 小流量流量計(jì)可以采用平衡流量計(jì) + 雙 變 送 器 方 案，即可以實(shí)現(xiàn)量程比為200∶1 的流量測(cè)量。當(dāng)然采用三測(cè)量管道方案能實(shí)現(xiàn)更大量程比流量的精確測(cè)量，但是系統(tǒng)復(fù)雜度和控制難度將大幅度提升。
2． 2 實(shí)際工程案例分析
某工程提供近期的供熱需求方案。具體數(shù)據(jù)見用的蒸汽流量計(jì)所需的量程比均小于 3∶1，采用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件/均速管流量計(jì) + 單差壓變送器的方案即可滿足要求，預(yù)計(jì)每套流量計(jì)設(shè)備價(jià)格為 2 萬元;
供熱蒸汽母管計(jì)量用的蒸汽流量計(jì)所需的量程比達(dá)到 7． 03∶1，需要采用平衡流量計(jì) + 單差壓變送器的測(cè)量方案，預(yù)計(jì)流量計(jì)設(shè)備價(jià)格為 11 萬元。用戶 D 計(jì)量用的蒸汽流量計(jì)所需的量程比達(dá)到200∶1，需要采用兩段測(cè)量管路方案: 其中大流量測(cè)量管道流量計(jì)采用平衡流量計(jì) + 單差壓變送器，小流量測(cè)量管道流量計(jì)采用平衡流量計(jì) + 雙變送器。具體配置如表 6。表 6 用戶 D 測(cè)量方案