平衡流量计原理及应用.doc

新型流量计-平衡流量计原理及应用于文静 何衍庆（华东理工大学，上海，200237）俞旭波 邱宣振 （中国石化集团上海工程有限公司，上海，200120）2004年美国A+FLOWTEK公司推出第一台A+K平衡流量计。它在美国的专利号是10/750628。该专利技术是由美国航空航天局马歇尔太空中心和A+FLOWTEK公司共同开发，并经德州A&M大学确认，已经在美国军用和民用工业得到广泛应用。平衡流量计被美国航空航天局提名为2006年空间技术的重大发明。从该公司网站可以查到，该公司在我国的唯一代理厂商是上海科洋科技发展有限公司。1 基本原理平衡流量计的基本原理是伯努利方程，关键技术是开孔的分布和精确的加工技术。采用A+FLOWTEK公司制造图用数控机床进行精确开孔保证流体流动状态达到动量、动能和热焓等性能的平衡，这些性能是标准孔板或仿造产品所无法达到的。尽管一些仿制产品的外形相似，但由于开孔不精确，不符合制造加工精度要求将会造成测量精度的下降、压损的提高和流出系数的降低。根据伯努利方程，流体在两点a和b的能量保持不变，即：对水平管道等特定情况，可简化为：根据连续性方程，有：因此，管道中流动截面的变化将引起压头p的改变，压头的改变可通过差压检测元件直接检测，因此，根据截面积的改变和检测到的差压改变，就可确定流过的流体流量。即：因此，孔板的通用流量方程：对气体，考虑其可压缩性，有超压缩因子Y：其中，径比可根据面积比确定。；同样，对平衡流量计，有流量方程：超压缩因子Y：其中，径比与上述计算相同。根据能量守恒，总动能不变。有：因此，对任何流体，伯努利方程可表示为：对于平衡流量计，有动量和动能的修正因子可计算。但对标准孔板，则由于流体的涡流大，使动量和动能修正因子的计算无法进行，因此，不能实现动能和动量的平衡，使精度降低。图1是标准孔板和平衡流量计的流路分布。图1 标准孔板和平衡流量计的流路分布2 平衡流量计的特点表1和表2是传统流量计和新型流量计性能的比较。与传统的流量计比较，A+K平衡流量计具有下列特点。表1 传统流量计性能比较传统差压式流量计容积式流量计涡轮流量计明渠流量计量热式流量计变面积流量计（转子）应用清洁液体、蒸汽和气体清洁、无腐蚀性液体和气体清洁、平稳的中速到高速液体或气体清洁、自由流动的或部分充满管道的溪流已知热容的清洁气体不需要高精度的清洁液体和气体流体液、气、蒸汽液、气液、气液液、气液、气缺点取决于节流件的永久压损，孔板易磨损移动部件容易磨损， 移动部件容易磨损，需要清洁流体堰槽容易阻塞，压损与所用技术有关有限地用于液体，低和中等精度低精度，优点成本低众所周知精度高；可测量低流速和粘性流体可靠性和精度高众所周知取决于所用技术的有限的精度测量质量流量低成本，低成本，不需要能源工作原理缩径处的压降与流率的平方成正比流体进入已知容积并排空，根据计数确定流量流率与转子转速成正比液位和高度确定堰槽的流率流率与流体中的热耗散成比例流率显示根据流体提升浮子的高度表2 新型流量计性能比较科里奥利质量流量计电磁式流量计超声流量计涡街流量计多变量差压式流量计平衡式流量计应用清洁的10”以下管道的中、高速液体和气体导电液体，满管无涡流的属性已知的液体或气体清洁、低粘度无涡流中、高速流体清洁气体、液体和蒸汽液体和气体、泥浆、密度确定的两相流，低到高粘度的流体流体液、气、蒸汽液液、气、蒸汽液、气、蒸汽液、气、蒸汽液、气、蒸汽缺点价格高，管道尺寸受限不能测量非导电流体时差法需要相对清洁流体 容易受振动影响有插入部件永久压损与节流件有关取决于径比的最小的旋涡优点精度高非插入式，最小的压损非插入式，最小的压损最小压损，精度高降低成本，集成测量有效提高精度和降低压损工作原理质量流量与管的数量有关流率取决于流体流过磁场产生的电压流率取决于超声脉冲传送时间流率与涡街体产生的旋涡数量成比例通过测量压力、温度来推断质量流率与节流件两端压差的开方成正比 永久压损：图2是标准孔板和平衡流量计压力恢复的比较。从图可见，平衡流量计的永久压损是标准孔板永久压损的二分之一到三分之一。低差压有利于降低噪声，因此，平衡流量计的噪声比标准孔板要小得多。 应用流体的极端条件：平衡流量计没有可动部件，选用合适的材料，可适用于极高温度（例如，航天工业应用的高温燃料的温度可达6000，约3300）；应用于极低的温度（极端的低温可达-465，约-276）；高压（约7000psia，约48MPa）和极端的流体流速（雷诺数大于107）。它也适用于有振动、两相流体、压损接近零的低速流体等流量的检测。空气流量百分数（%）压力恢复百分数（%）图2 标准孔板和平衡流量计永久压损的比较 平衡：在流量计平板上的多孔，其位置和大小是由惟一的方程组确定，使质量流量、体积流量、动能或动量在节流装置的两侧是平衡的。而标准孔板由于流体形成涡流，使动量和动能的修正无法进行，因此，孔板节流装置两侧的动量和动能等不能平衡。一些平衡流量计的仿制产品不能满足精度等质量指标的主要原因是没有实现平衡关系式。 直管段：由于平衡流量计集多孔孔板和整流器的功能于一体，因此，其直管段要求大大降低。一些极端的应用场合，例如，截止阀时，上游侧直管段长度仅5D，下游侧直管段长度仅3D。一般应用时，上游侧直管段长度为1D3D，下游侧直管段长度为1D。直管段的缩短，极大地有利于工艺配管，也有利于降低成本和节能。 精度：采用精确的计算，可对动量、动能和温度等影响进行修正，使平衡流量计的精度大大提高。一般应用场合，测量范围10:1时，其精度为0.5%，测量范围3:1时，精度可达0.3%。如果，串联非线性补偿环节，其精度可提高更多。 流出系数。正常工况下，标准孔板流出系数为0.61，而平衡流量计流出系数为0.89，接近文丘利管。根据流出系数的计算公式，流出系数大，有利于降低差压和永久压损。3 平衡流量计的应用平衡流量计具有高精度和永久压损小等特点，它具有下列应用。 作为标准孔板的升级换代产品，以提高测量精度，节能降耗。【示例一】DN200的蒸汽管道，压力p=1MPa(表压)，蒸汽流速v=31.6m/s，蒸汽单价为0.15元/kg。原采用标准孔板，现改用平衡流量计。根据流速v=31.6m/s，管道内径和蒸汽在1 MPa(表压)下的密度，可计算得到蒸汽质量流量为19767kg/h。由于平衡流量计仪表精度比标准孔板的精度提高0.7%，以300天/年计算（下同），则因精度提高可少付费用为：19767*0.007*24*300*0.15=149 439元/年。这表明，由于采用高精度的平衡流量计，该系统每年就可少支付近15万元。【示例二】电厂锅炉，过量二次风带走大量热量，增加煤耗。假设烟气温度120，空气温度30，因二次风量测量精度提高0.7%，按年发电7000小时计算，可以减少煤耗为M*0.24*(120-300)/7000*0.7%，如果发电煤耗为每度电耗煤300克，每度电电价0.40元计算，由于采用平衡流量计，提高测量精度而节省的燃煤和降低的费用如表3所示。表3 不同发电机组的煤耗降低和费用降低发电机组容量二次风量（kg/h）年煤耗（kg）按0.7%测量误差计算产生的年煤耗（kg）折算到电价（元）300 MW1 920 24041 477 184 290 340387 120600 MW3 230 00069 767 996488 376651 1681000 MW4 071 04087 934 464615 541820 722示例说明，对300MW发电机组，年度节省的电价达38.7万元。而1000MW的机组节省的费用为82万元。相应地，煤耗也有大幅降低，对环境的污染也可降低。另一方面，二次风量的降低，也降低了二次风变频风机的用电量，产生节能价值。对大机组，节能效果更明显。 直管段缩短，降低安装空间。标准孔板需要足够的直管段，以提高测量精度，而平衡流量计所需直管段短，不仅减少了直管段的支出，而且因大大缩小安装空间，降低了投资成本。 仪表永久压损降低，有利于降低供能设备的供能。仪表本身是耗能设备，采用平衡流量计代替标准孔板，由于平衡流量计的永久压损是标准孔板的一半到三分之一。因此，对采用变频泵和风机的应用场合，用平衡流量计代替标准孔板时，可采用PFC控制变频电动机，降低能耗。参考文献1 Marshall Sp