蒸汽流量是鍋爐出口蒸汽的重要控制參數(shù),它對(duì)整個(gè)系統(tǒng)效率的評(píng)定以及經(jīng)濟(jì)效益的影響都起著至關(guān)重要的作用。
目前,鍋爐蒸汽流量的測(cè)量主要有孔板流量計(jì)和彎管流量計(jì)。兩者都是利用差壓來(lái)計(jì)算流量,但是二者的差壓產(chǎn)生方式以及運(yùn)用的公式原理卻有著本質(zhì)的不同。在生產(chǎn)中很多用戶都認(rèn)為高品質(zhì)的流量計(jì)就必然能夠帶來(lái)**的測(cè)量,而忽略了因?yàn)榱髁坑?jì)的測(cè)量原理不同、適用介質(zhì)不同以及系統(tǒng)自身工況特點(diǎn)所引起的各種可能導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確的實(shí)際因素,而這些恰恰是選擇流量計(jì)類型的關(guān)鍵。1 孔板流量計(jì)的測(cè)量原理及影響因素
1.1基本原理
在充滿流體的管道內(nèi),當(dāng)流體流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流原件時(shí),由于孔板節(jié)流而使流體收縮,流體的速度增大,壓力降低,孔板前后便形成了壓差。利用前后形成的壓差,以流體連續(xù)性方程及伯努利方程為理論計(jì)算基礎(chǔ),從而計(jì)算得到流體實(shí)時(shí)流量??装甯浇牧魉俸蛪毫Ψ植际疽鈭D如圖1所示。
1.2流量計(jì)算公式
由GB/T 2624-2006,對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置,差壓與流量的函數(shù)關(guān)系式為:
式中:qm為質(zhì)量流量,kg/h;C為流出系數(shù);ε為膨脹系數(shù),只有對(duì)于不可壓縮流體ε=1;d為節(jié)流裝置開孔直徑,mm;p為流體節(jié)流前的密度,kg/m3;ΔP為孔板前后差壓值,Pa。
1.3影響測(cè)量結(jié)果的主要內(nèi)在因素
下面分別就各個(gè)影響因素進(jìn)行分析。
(1)流出系數(shù)的影響。
對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)差壓式流量計(jì)測(cè)量系統(tǒng),流出系數(shù)C有以下經(jīng)驗(yàn)公式。
以上公式中:β為直徑比(p= d/D,d、D分別為孔板開孔直徑和上游管道的管徑,mm);ReD為雷諾數(shù);L1為高壓端取壓孔到孔板上游端面的距離和管道內(nèi)徑D之比;L2為低壓端取壓孔到孑L板下游端面的距離和管道內(nèi)徑D之比。
在一定型式的孔板和一定截面比情況下,流出系數(shù)C與雷諾數(shù)ReD的函數(shù)關(guān)系如圖2所示。
由氣體狀態(tài)方程可以推導(dǎo)出如下公式:
式中:Kv為容積絕熱指數(shù);C’為常數(shù)。
因此當(dāng)直徑比p一定時(shí),壓力與密度的kv次冪成正比。由于在實(shí)際生產(chǎn)管網(wǎng)里的蒸汽參數(shù)很難保持恒定的壓力不變,會(huì)隨著鍋爐自身燃燒的工況變化而變化,也會(huì)隨著外界負(fù)荷的波動(dòng)而波動(dòng),因此應(yīng)當(dāng)注意大負(fù)荷波動(dòng)情況下由于蒸汽速度及密度的變化,以及雷諾數(shù)的變化,會(huì)引起的流出系數(shù)C的變化(特別是在雷諾數(shù)較小時(shí)變化*為明顯),從而進(jìn)一步影響孔板流量計(jì)測(cè)量的測(cè)量準(zhǔn)確度。
(2)膨脹系數(shù)的影響。
對(duì)于差壓式流量計(jì)測(cè)量系統(tǒng),膨脹系數(shù)ε有以下公式:
式中:盧為直徑比(p= d/D,d、D分別為孔板開孔直徑和上游管道的管徑);P2為管道內(nèi)蒸汽節(jié)流前優(yōu)良?jí)毫Γ琍a;P1為管道內(nèi)蒸汽節(jié)流前優(yōu)良?jí)毫?,Pa;k為蒸汽等墑指數(shù)。
從式(3)可以看出,ε值與β、P2、P1、k有關(guān),且P2/P1>0. 75時(shí),式(3)可以使用。一般當(dāng)ΔP/P1<0. 04時(shí),ε的誤差可忽略不計(jì),但在低靜壓高差壓的情況下,ε值有不可忽略的誤差。此時(shí)膨脹系數(shù)的不確定度為:
(3)密度的影響。
由于蒸汽是可壓縮流體,當(dāng)其他條件不變的情況下,壓力變化時(shí)必然會(huì)導(dǎo)致蒸汽密度的變化。在實(shí)際測(cè)量中,如果孔板前后的差壓不變,但若蒸汽壓力發(fā)生變化造成密度變化,那么雖然孔板式流量計(jì)的顯示值不變,但實(shí)際流量卻會(huì)發(fā)生變化(因密度變化),這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)流量測(cè)量誤差。
綜合以上分析,隨著蒸汽負(fù)荷的波動(dòng),特別是當(dāng)鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行或者是大負(fù)荷波動(dòng)時(shí),往往會(huì)由于壓力p、密度p、速度v的變化而引起流出系數(shù)C及膨脹系數(shù)ε的變化。因?yàn)榭装彘L(zhǎng)時(shí)間使用,而沒有按照規(guī)定每年定期拆檢,導(dǎo)致孔板入口邊緣不尖銳,影響β值及d值,并且壓力的變化會(huì)導(dǎo)致密度p偏離設(shè)計(jì)值,這些因素*終會(huì)嚴(yán)重導(dǎo)致流量qm不準(zhǔn)確。
2彎管流量計(jì)的測(cè)量原理及影響因素
2.1基本原理
當(dāng)流體流經(jīng)彎曲管道時(shí),由于受到管壁的導(dǎo)流作用,流體被迫做90°旋轉(zhuǎn)圓周運(yùn)動(dòng),從而產(chǎn)生離心力,依靠測(cè)量管壁內(nèi)外側(cè)的壓力差可得到離心力的大小,并以強(qiáng)制旋流理論為基礎(chǔ),可以計(jì)算得到流體流量。彎管流量計(jì)示意圖如圖3所示。
2.2流量計(jì)算公式
當(dāng)流體流經(jīng)彎管做90°旋轉(zhuǎn)時(shí),在彎管45°處管道內(nèi)外徑的流體速度梯度達(dá)到*大,內(nèi)外壓差達(dá)到*大,因此取45°處為測(cè)壓點(diǎn)。
流量計(jì)算公式為:
式中:v為流體平均流速,m/s;a為流量系數(shù);ΔP為45°截面外側(cè)、內(nèi)側(cè)壓差,Pa;D為彎管內(nèi)徑,m;R為彎管曲率半徑,m;p為流體介質(zhì)密度,kg/m3。
質(zhì)量流量qm與平均流速v的關(guān)系如下:
式中:qm為質(zhì)量流量,kg/h;v為流體平均流速,m/s;D為彎管內(nèi)徑,mm;p為流體介質(zhì)密度,kg/m3。
2.3影響測(cè)量結(jié)果的主要內(nèi)在因素
由式(5)可以看出,在假設(shè)壓差測(cè)量準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上,理論上影響測(cè)量結(jié)果的因素是流量系數(shù)a的確定以及密度p。前面分析過(guò)隨著鍋爐負(fù)荷及外網(wǎng)負(fù)荷的波動(dòng),會(huì)導(dǎo)致壓力的變化,從而引起密度p的變化,而流量與密度的平方根成正比。對(duì)于流量系數(shù)a存在著很多不同的經(jīng)驗(yàn)公式,雖然各有不同,但普遍認(rèn)為其與雷諾數(shù)Re。及管徑D、彎管曲率半徑R有關(guān)。存在如下關(guān)系a=f(ReD,D,R),例如國(guó)內(nèi)學(xué)者陸祖祥通過(guò)實(shí)驗(yàn)所得的經(jīng)驗(yàn)公式:
通過(guò)比較陸祖祥的流量公式與上面給出的流量公式,可以知道a oC(1 -6.5/Reco.s)。
所以流量系數(shù)對(duì)雷諾數(shù)的平方根存在函數(shù)關(guān)系,隨著ReD的變化a也隨之變化。綜上分析可知,影響測(cè)量精度的因素主要來(lái)自于負(fù)荷劇烈波動(dòng)下或者低負(fù)荷下所引起的蒸汽密度和速度偏離設(shè)計(jì)值,也使雷諾數(shù)偏離預(yù)定值,進(jìn)一步影響測(cè)量**度。
3兩種流量計(jì)分析比較
兩種流量計(jì)分析比較如下。
(1)雷諾數(shù)ReD的影響:對(duì)于孔板流量計(jì),雷諾數(shù)在大于104時(shí)可認(rèn)為對(duì)于流出系數(shù)沒有太大影響,但對(duì)于較小雷諾數(shù)影響較大。而對(duì)于彎管流量計(jì),其要求的雷諾數(shù)下限較高,例如對(duì)于DN100以及DN200的管子需要雷諾數(shù)達(dá)到2.3×l05和4.6×l05,對(duì)于較低雷諾數(shù)的流體,會(huì)導(dǎo)致誤差增大甚至不能測(cè)量。
(2)密度的影響:對(duì)于孔板流量計(jì),當(dāng)密度增加會(huì)引起兩部分變化,首先密度的平方根本身就與流量成正比;其次密度的增加會(huì)導(dǎo)致雷諾數(shù)的增加,會(huì)使流出系數(shù)減小,因此對(duì)于之前有一定的補(bǔ)償作用(但對(duì)于擁有較高雷諾數(shù)的流體,其流量系數(shù)基本保持定值)。而對(duì)于彎管流量計(jì),流量qm與密度的平方根成正比,而與雷諾數(shù)如前所述影響不大。因此特別對(duì)于較高雷諾數(shù)的流體,密度對(duì)于兩者的影響相近,對(duì)于相對(duì)較低雷諾數(shù)的流體,較之于彎管流量計(jì),孔板流量計(jì)的測(cè)量偏差會(huì)更大。
(3)壓差的影響:對(duì)于以高壓蒸汽為介質(zhì)的測(cè)量系統(tǒng)而言,單純從精度分析,由于孔板流量計(jì)膨脹系數(shù)的不確定度隨著壓差的增大而增大。而彎管流量計(jì)不存在這樣的情況,因此對(duì)于測(cè)量高壓蒸汽而言彎管流量計(jì)有很多優(yōu)勢(shì)。
(4)微量磨損的影響:由于孔板流量計(jì)常年運(yùn)行,長(zhǎng)期經(jīng)受蒸汽的沖刷和腐蝕,會(huì)導(dǎo)致孔板入口邊緣磨損,導(dǎo)致開孔直徑D,如果磨損而不作修正,將會(huì)使測(cè)量值小于實(shí)際值。而彎管流量計(jì)對(duì)于微量磨損不敏感。
(5)安裝條件的影響:孔板流量計(jì)對(duì)于直管段要求為D、后SD的*低要求,而彎管流量計(jì)只需要前5D、后2D的直管段要求,對(duì)安裝現(xiàn)場(chǎng)條件要求較低。
(6)節(jié)能因素:孔板流量計(jì)需要在管道內(nèi)放入孔板,從而增加了截留損失,特別對(duì)于低參數(shù)蒸汽,累計(jì)的管道上的孔板對(duì)于降低蒸汽品質(zhì)較為明顯。而彎管流量計(jì)不需要任何附加節(jié)流件及插件,是一種節(jié)能的流量測(cè)量裝置。
(7)孔板流量計(jì)發(fā)展時(shí)間較早,理論及技術(shù)發(fā)展非常成熟。而彎管流量計(jì)對(duì)于流量系數(shù)離散性大的問(wèn)題雖然取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展,但是相比較孔板流量計(jì)仍不夠成熟。
通過(guò)以上分析和比較,隨著彎管流量計(jì)的不斷發(fā)展成熟,特別是對(duì)于低雷諾數(shù)測(cè)量技術(shù)的不斷完善以及測(cè)量精度的不斷提高,其*性會(huì)越來(lái)越明顯,它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、沒有任何節(jié)流原件和插件等特點(diǎn),在維持熱力設(shè)備長(zhǎng)周期運(yùn)行方面以及節(jié)能降耗方面是孔板蒸汽流量計(jì)難以取代的。但是由于孔板流量計(jì)有著悠久的發(fā)展歷史和成熟的設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行、檢修技術(shù)以及完善的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi),它仍然具有很大的生存空間。上述分析對(duì)于指導(dǎo)我們的生產(chǎn)實(shí)踐、充分掌握兩種流量測(cè)量系統(tǒng)的性能及所適應(yīng)的生產(chǎn)環(huán)境,都將帶來(lái)較大的幫助。