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选购弯管蒸汽流量计量节能效益分析

时间:2017/10/07来源:未知

摘要:阐述了弯管流量计无附加压力损失 、测量范围宽等特性, 并结合用户具体使用情况, 重点进行了弯管流量计蒸汽测量节能效益分析 , 同时给出了此流量计测量流量的基本原理 , 说明弯管流量计是一种具有广阔发展前景的节能型流量计量仪表。 弯管流量计相继在蒸汽 、水、空气上大量采用, 使用效果良好。

0、引言:蒸汽是化工行业生产中一种重要能源 。蒸汽计量准确与否 , 直接关系到企业节能降耗 、成本核算 , 关系到企业的经济效益 。目前大多采用孔板这种传统流量计 , 而孔板节流降压造成很大的能源浪费 。我企业为了降低成本 , 加强计量管理 , 控制能源消耗 , 特选用弯管流量计来代替孔板进行蒸汽计量 。

1、弯管流量计测量流量的基本原理:
  流体流经弯管时 , 由于弯管管壁的导流作用 , 弯管内外侧产生压差 , 此压差与流经弯管的流体的平均流速符合平方比例关系 , 其数学表达式为 :

V =α(R. D ) R   P (1)
D   ρ  
式中 :V为流体的平均流速 m /s;α(R. D )为流量系数 ;
 
R 为弯管弯曲半径 , m ;D 为弯管内径 , m ;ΔP 为外侧 、内侧差压 , Pa;ρ为流体密度 , kg m/2 。
 
所以弯管流量计对应的流量计算公式为 :
 
G =3.6 1 /4 π D2    V  ρ(t /h)
 
2 、弯管流量计特性及节能效益分析:
2. 1 、降低输送消耗节约能源:

 当今煤炭价格日益增高 , 节能降耗是各企业面临的当务之急 。目前工业企业计量管理应用***广泛的是还是传统孔板流量计 , 但孔板的节流压力损失 (称其为不可恢复压力损失 )可达其在运行流量下产生的差压值的 30% ~ 90%(与孔板的 β值有关 )。
  在锅炉出口和汽轮机入口之间一般装有两道孔板进行流量计量 , 每道孔板均可产生零点几公斤的不可恢复压损 , 导致进入汽机的蒸汽压力因孔板节流而降低 , 这将使汽轮机功率降低 , 降低了汽轮机出力和发电机发电量下降 。而企业整个计量系统 (各车间计量考核 )通常都安装几十道孔板 , 势必造成能源的巨大浪费 。同时 , 孔板节流压力损失会使蒸汽品质下降 , 影响了正常的生产需求 。
  弯管流量计安装于管道的 90°转弯处 , 取代原 90°弯头 , 利用弯管内外侧产生的压力差测量流量 。因此 ,用弯管流量计取代工艺弯头 , 不增加任何压力损失 , 可将节流装置产生的能量损失完全节省下来 。
下面以我企业实例分析弯管流量计取代孔板流量计的节能效果。我企业有 2 台 35 t /h 蒸汽炉 , 直接推
动 3 000 kW 汽轮机发电。  
节流装置压力损失 δD通常根据式 (1)计算 :  
δD  =(1 - β1.9 )ΔP (1)
式中 :β为节流件直径比 ;ΔP 为节流孔板差压值 , kP a。锅炉出口和汽机进汽均为孔板流量计 , 参数如表 1所示。
  表 1 孔板流量计参数  
Tab. 1 Param eters of orifice flowm eter
安装位置   1#、2#炉出口 汽轮机入口
       
节流装置   标准孔板
     
刻度流量   40 t /h 100 t /h
       
常用流量   30 t /h 60t /h
工作表压   3.82M Pa 3.38MPa
直径比 β   0.71177 0.65329
常用差压   98.5kPa 94.6kPa
工作温度   450℃ 450℃

  以上参数为流量计计算书中的真实数据 , 根据式 (1)可以算出锅炉出口常用流量 30 t /h时 2 台炉和汽轮机入口 60 t /h孔板产生的压力损失分别为 46.88 kPa、45 kPa, 总压损高达 91.88 kPa。将使汽轮机少发
 
很多电 , 给企业造成很大的能源浪费。  
2.2  节能计算      
发电机组的汽轮机功率    
Pi   =D (h0 - hh )ηi ηηmg (2)
3 600    
式中 :D 为汽轮机组蒸汽流量 , kg /h;h0 为进汽机蒸汽焓值 , kJ /kg;hh 为供热蒸汽焓值 kJ /kg;ηi为汽轮机相对内效率 (约为 82%);ηm 为汽轮机机械效率 (约为98%);ηg为发电机效率 (约为 98%)。
 
  汽机总效率包括锅炉效率 (约 94%)、管道效率(97%)、汽轮机相对内效率 (82%)、汽轮机机械效率(98%)、发电机效率 (98%)、朗肯循环热效率 (40 ~ 45%), 以上效率的乘积才为总效率 。此处仅涉及 3个效率。
 
  初参数 (入口蒸汽参数 )p1 、 t1 、h 1 和抽汽参数 p2 、 t1 、h2 直接影响汽轮机的功率电厂为了监测和计量需要 , 通常在锅炉出口和汽轮机入口的管道上加装节流孔板 , 造成初压 p1 降低 ; 在汽轮机外供蒸汽总管加装节流孔板 , 造成供热总出口蒸汽压力 p2 的升高 , 这两个参数的变化均会造成汽轮机功率的降低 , 以下分别说明。
 
  主蒸汽节流对汽轮机功率的变化可以用焓熵图 , 如图 1所示进行计算 , 图 1 中 :h 为焓值 , s 为熵。蒸汽流经锅炉出口和汽轮机入口的节流孔板是一个绝热节流过程 , 蒸汽焓值不变 ;同时根据熵增原理 , 节流产生机械能损失造成熵值增加。已知节流前的状态 p1 、t1及节流后的压力 p1′, 根据节流前后焓值相等的特点 , 可在水蒸汽的 h -s图上确定节流后的各状态参数。如图 1所示 , 点 1 的参数是 p1 、t1 及 h1 , 在图 1 上过点 1 按定焓画水平线与 p1′相交得 1′, 即可得节流后的参数。汽轮机的做功为可逆绝热膨胀过程 (即等熵过程 ), 水蒸汽在节流前由点 1经可逆绝热膨胀至抽汽压力 p2 时 , 可利用的焓降为 h1  - h2 , 而经节流后的水蒸汽 , 同样经可逆绝热膨胀至压力 p2 时 , 可利用的焓降为 h 1′- h2′, 显然 h1  -h 2 >h1′- h2′, 节流以后蒸汽可作出功减少。
图 1  主蒸汽节流的影响

图 1  主蒸汽节流的影响
  对于本电厂 , 两道孔板使汽轮机初压降低 91.88 kPa。下面计算两道孔板浪费的能源 :无节流件时汽轮机入口压力将提高 91.88 kPa, 初参数 p0 =3.82 +0.091 88 =3.911 88M Pa, t0 =450℃, 可计算出 h0 =3 329.033 68 kJ /kg, s0 =6.933 301 72;
 加节流后初参数 p0′=3.82 M Pa, 由图 1 查得 h0′=h 0 , 求得 s0′=6.944 688 85;
 节流前供热抽汽压力 ph  =0.7 M Pa, sh  =s0 , 则 hh
  =2 883.77 kJ /kg;
 
节流后抽汽参数 ph′=ph =0.7 M Pa, sh′=s0′, 由图 1
查得 hh′=2 889.44 kJ /kg;        
由式 (2), 计算出汽轮机功率下降值 PX 为 :  
PX   =P - P ′          
=D (h0  - hh )ηi ηηmg - D(h0′- hh )ηi ηηmg  
   
3 600   3 600    
=D (hh′- hh )ηi ηηmg        
3 600          
=60 000 ×(2 889.44 - 2 883.77) ×0.82 ×
  3 600    
0.98 ×0.98          
 
=74.42 kW
  即汽轮机前两道孔板每小时使汽轮机少发电 74.42 度 , 按每度电 0.4元上网电价计算, 为 29.77 元 /h。全年按 330天运行少发电合人民币 29.77 ×24 ×330 =23.58万元。如用弯管流量计取代孔板, 则将浪费的能源完全节省下来。因此 , 弯管流量计使用三个月产生的效益即可将整套流量计设备改造投资全部收回。
 再看汽轮机抽汽管道和外供蒸汽总管加装节流孔板的能量损失 :为克服孔板产生的约 0.5 kg压损 , 它将造成抽汽压力由 p2 升高到 p2′, 由图 2 可以看到 , 水蒸汽在由初参数点 1 经可逆绝热膨胀至抽汽压力 p2 时 , 可利用的焓降为 h1 - h2 , 而可逆绝热膨胀至抽汽压力 p2′时 , 可利用的焓降为 h1  - h2′, 显然 h1  - h2  >h1  -h2′, 抽汽压力升高时蒸汽可作出功减少 。因此 , 抽气孔板换成弯管可使抽汽压力降低 , 既满足供热要求又增加发电量 , 此处不再计算。
图 2  抽汽节流的影响
图 2  抽汽节流的影响

2. 3、测量范围宽:
  由于各车间的生产用汽量波动较大 , 孔板流量计范围度 (仅为 1 ∶3), 造成小流量无法测量。而弯管流量计测量范围比较宽 , 范围度达 1 ∶10, 能更好地适应流量波动较大的现场应用。
 
2. 4、直管段要求低:
  孔板流量计直管段要求为前 20D 、后 10D。 弯管流量计对直管段的要求只需保证前 5D 、后 2D (甚至更短 ), 即可满足计量要求。

  目前,供热系统使用孔板流量计作为重要流量测量设备。采用节流原理的孔板流量计造成系统的压力损失是众所周知的,不过因该压力损失通常为几十kPa,且又转变为热能注入供热系统,所以在考虑这种流量计具有较高可靠性的情况下,目前仍广泛使用。但是,从能源合理利用和供热管理部门的直接经济利益的角度来看,为了维持一台安装在数千吨/小时流量供热管道上的孔板流量计运行,一个取暖季约需多耗电数万度,折合人民币数万元。显然由这几十kPa压力损失引起的经济损失是不应忽视的。
  本文先容了弯管流量计无附加压力损失的测量原理,通过计算对比说明了弯管流量计替换孔板流量计后带来的直接经济效益,试图以此引起供热工程界对节能仪表的进一步关注。

一、弯管流量计是一种无附加压力损失型流量计:
   弯管流量计通过测量流动流体在弯管内外侧形成的压力差ΔP实现流速V和流量Q的测量,管道内无任何节流件和插入件,如图一,流速υ由下式计算:        υ=α(ΔP/ρ)2 s)                (1)                               
     式中:     ΔP——弯管内外侧压力差(Pa)              ρ——流体介质密度(kg/m3)
              α——综合流量系数,与弯径比相关        β——指数
     质量流量Q由下式求取:       Q=Avρ 3600/1000(t/h)             (2)                            

式中:A——弯管横截面积(m2) 

图1 弯管流量计测量原理图

由上可知,虽然弯管流量计和孔板流量计都是差压型流量计,但弯管流量计所测取的差压是流体流经弯头时根据流体动力学原理在弯头内外侧必然形成的压力差,不同于采用节流件人为造成压差的方式。因此,这种流量计为原理性无附加能量损失型流量计。
  其次,由于弯管流量计对弯管的空间安顿状态无特殊要求,并且对前后直管段长度的要求极低,仅为前5D后2D,因此安装使用弯管流量计完全可以利用管网设计中存在的工艺转弯点,不需要敷设专用管道,不附加管道压力损失,方便了管道设计和施工。
  除此之外,弯管流量计可适用于各种管径条件,直接安装与管径相同的标准弯管传感器即可。我企业的弯管流量计产品“FC系列智能流量热量积算仪”,在50到600的10余种不同规格管道上使用情况表明,其测量精度具有良好的保持性。因此,应用弯管流量计不存在变径要求,以及由此产生的附加压力损失。

二、弯管流量计的直接经济效益分析:
  ·孔板流量计因具有较强的抗干扰能力和较高的可靠性,在流量计用量上目前仍占优势。因此,在分析弯管流量计的直接经济效益时把孔板流量计作为参照流量计是适当的。由于弯管流量计对供热系统来说无附加压力损失,故而孔板流量计的运行费用就可看作采用弯管流计带来的效益。
  ·单台孔板流量计的压力损失造成循环水泵的电力损耗由下式计算:
                                                      (3)
   式中:    W—压力损失引起的水泵的额外总耗电量(kW.h);     ΔP—孔板压力损失(Pa);
   Q—流过孔板的流量(m3/h);   T—孔板工作时间(h);   A—焦耳(J)与度(kW.h)换算系数,A=3.6×106
   压力损失转换为热能的折合标准煤量由下式计算:
                                                   (4)
   式中:G—与压力损失转换的有用热能对等的标准煤量(t);   B—焦耳(J)与卡(Cal)转换系数,B=4.1868;
         C—标准煤与卡的转换系数,C=7×106(Cal/kg);    D—质量单位换算系数,D=1000(kg/t)。
   在不计及电机、水泵及锅炉效率的情况下,单台孔板流量计的压力损失造成的额外耗费或称孔板流量计的运行费用可由下式确定:    C=W×P1-G×P2                                                      (5)
   式中:   C—单台孔板流量计运行费用(元);     P1—电价(元/度);    P2—标准煤价格(元/吨)
   根据式(3)、式(4)和式(5)可以计算出目前热力管网常用主管道流量范围在不同压力损失时,孔板流量计引起的循环泵额外耗电量、电耗费用、折合标准煤量、购煤费用及单台孔板流量计在一个取暖季运行费用,如表一所示,其中运行天数按120天计算,电价按0.35元/度计算,标准煤价按200元/吨计算。
    由表一可见,一个流量为4000m3/h的中型热网,当孔板压力损失为30kPa时,仅一台孔板流量计就多耗电9.6万度,运行费用为3.22万元。对于流量为10000 m3/h的大型热网,额外耗电量高达24万度,运行费用8万元,而对应压力损失折合的标准煤费用仅为数千元。由此可见,孔板流量计造成的经济损失对热力部门是不能忽视的。特别是当使用多台孔板流量计时更是如此。
    从另一角度看,现行电价为0.35元/度,煤价(按标准煤)为200元/吨,热价为22.5元/百万千焦,换算成每百万千焦能量的价格分别为:电:97.22元,煤:6.824元,热:22.5元,其比价为:4.32︰1︰0.303(以热量为基准)或14.25︰3.297︰1(以煤为基准)。可见,压力损失所转变成的热能,与其取用的电能,其价格水平不同,价值相差很大。显然,电能额外耗费必然会加大系统运行费用。

表一

压力损失

(kpa)

流量

(m3/h)

耗电量

(kW﹒h)

电费

(万元)

煤量

(t)

煤费

(万元)

运行费用

(万元)

 

30

2000

48000

1.68

5.90

0.118

1.562

4000

90000

3.36

11.79

0.2358

3.1242

8000

102000

6.27

23.58

0.4616

6.2584

10000

240000

8.40

29.48

0.5896

7.8104

 

20

2000

32000

1.12

3.93

0.0786

1.0414

4000

64000

2.24

7.86

0.1572

2.0828

8000

128000

4.48

15.72

0.3144

4.1656

10000

160000

5.6

19.65

0.3930

5.207

 

10

2000

16000

0.56

1.965

0.0393

0.5207

4000

32000

1.12

3.93

0.0786

1.0414

8000

84000

2.24

7.86

0.1572

2.0828

10000

80000

2.80

9.825

0.1965

2.6035

弯管流量计作为无附加能量损失型流量计,不会产生附加压力损失,不需要上述昂贵的运行费用,因此其经济效益是明显的。此外,由于弯管流量计压差信号的产生是依靠惯性原理而不是节流原理,具有更强的抗干扰能力;并且测量精度对管道磨损具有不敏感性。而孔板流量计的精度对节流件几何尺寸却有严格的依赖性。因此,综合比较,弯管流量计具有比孔板流量计更高的可靠性和精度保持性,这个特点突出地满足了热力系统长期监测的使用要求。


BWG系列弯管流量计属于差压式流量测量系统,是利用流体离心力原理测量管道内介质流量的仪表。
     BWG系列弯管流量计可用于测量液体、气体、蒸汽各种介质。
     BWG系列弯管流量计由弯管传感器、弯管流量计主机、差压变送器及一些管道阀门组件构成。当流量测量需温度、压力补偿时还应配备压力变送器、温度变送器。
     BWG系列弯管流量计测量范围宽,重现性精度高,无附加压力损失,现场维护量小,运行费用低,可实现温压在线补偿。
  BWG系列弯管传感器
  类型
    弯管传感器按照安装方式分为两种类型:安装在直管上的S型弯管传感器、安装在自然转弯处的L型弯管传感器。按照加工方式分为两种类型普通推制传感器和机加工传感器。
普通推制传感器
S型弯管传感器 
S型弯管传感器为我企业研制的新型流量传感器,已申请专利,专利号为:ZL01208041.1。


1. 安装费用低:无须再为安装L型弯管传感器制造“U”型弯,降低了安装费用,提高了工作效率。
2. 应用范围广:只要有直管段的地方即可安装S型弯管传感器。
3. 测量更可靠:测量的差压信号高于L型弯管传感器,尤其是气体流量测量,有利于差压变送器运行在合理的量程范围内, 使其更稳定可靠。
L型弯管传感器
L型弯管传感器是标准的1.5D弯管传感器(高温高压条件下,可选大弯径比弯管传感器)其空间状态有以下三种
水平转水平:
水平转垂直向下或垂直向上转水平:
水平转垂直向上或垂直向下转水平:
机加工弯管传感器
    1.高精度数控车床加工而成,保证了弯管传感器同一性。
     2.弯管传感器规范化、标准化。
  弯管传感器安装条件
    弯管传感器可采用直接焊接方式或法兰安装方式安装在管道上,“L”型弯管传感器适合安装在原有管道的自然转弯处,以水平安装状态为***佳工作状态:“S”型弯管传感器适合安装在任意空间状态下的直管段上。
前后直管段要求为:前5D,后2D。
  弯管传感器的特点
    结构简单,无插入节流件,无附加阻力损失。
     耐磨性能好,使用寿命长,重现性精度高。
     安装方便,长周期运行免维护,采用直接焊接的安装方法,不会产生泄漏问题。
     适应性强,测量范围宽,不受现场的高温、粉尘、潮湿、震动、电磁场等不利因素的影响。
     直管段的要求较低,只要能满足前5D后2D就可获得足够的测量精度。
  弯管传感器的材质
    碳钢、20#钢、不锈钢、耐热钢、其它材质。
  弯管流量计主机
    BWG系列仪表是我企业生产的弯管流量计专利智能仪表,集流量热量积算于一体,具有防盗及防掉电记录功能,是一种智能化多功能仪表。
类型  仪表采用液晶显示器,全中文人机界面,操作极其简单,组态简便、可靠、无需专门培训即可掌握,App密码锁保证组态安全。
       实时趋势曲线显示、历史曲线追忆、超限报警、报警状态显示。
       三路输入,带温压补偿功能,充分发挥液晶屏图形界面的优势,参数输入简单、直观、方便。
  BWG系列弯管流量计仪表型谱表

弯管流量计选型


型号

规格代码

说明

BWG111

 

 

 

结构组成

A------

包括传感器 差压变送器 温度一体化 压力变送器 显示表及阀门组件

B-----

包括传感器 差压变送器 温度一体化  显示表及阀门组件

C-----

包括传感器 差压变送器  压力变送器 显示表及阀门组件

D----

包括传感器 差压变送器 显示表及阀门组件

E----

包括传感器 显示表及阀门组件

 

显示表类型

1----

显示表横式盘装

2----

显示表竖式盘装

3----

显示表为壁挂表

4-----

流量转换卡

 

传感器类型

L----

L型传感器

S----

S型传感器

T----

特殊形式传感器

G----

管段式传感器

加工方式

1----

机加

2---

推制

 

传感器材质

0----

20#普通碳钢

1----

不锈钢材质

2---

特殊材质

 

测量介质

-S

液体

-Q

普通气体

-M

煤气

-Z

蒸汽

传感器管径-

-

见公称直径代码表

  注: 此选型中,每一分项如不需选用用“—”代替。 
  公称直径代码表

A

20

J

125

S

600

B

25

K

150

T

700

C

32

L

200

U

800

D

40

M

250

V

900

E

50

N

300

W

1000

F

65

O

350

X

1100

G

70

P

400

Y

1200

H

80

Q

450

Z

﹥1200

I

100

R

500

 

 

 

测量范围  管径:DN15~2000  
           流速:0.1~5.0m/s(液体介质)7~70m/s(蒸汽与一般气体介质)
          温度:0~600℃  
           压力:0~16Mpa
测量介质  液体、气体、蒸汽
测量精度  系统测量准确度:1.0级:1.5级
           差压变送器精度:不低于0.2%
           压力变送器精度:不低于0.5%
           温度变送器精度:不低于0.5%
           弯管流量计主机:不低于0.5%


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3、结束语:
  弯管流量计是用数控机床严格按一定规格尺寸加工的 90°金属弯头 , 除上述特性外 , 耐高温、 耐高压、耐脏污、可采用焊接法安装等优点也很突出。我企业2005年开始选用弯管流量计 , 相继在蒸汽、 水 、 空气上大量采用 , 使用效果良好。随着能源的日益短缺和市场竞争的日趋激烈 , 企业势必加大对能源计量工作的投入。弯管流量计作为一种测量附加、适应性极强的流量仪表 , 具有广阔的发展前景。

    综上所述,可以得到如下基本结论:
  1.弯管流量计是一种无附加能量损失型节能仪表;
  2.理论计算及实际应用表明:用弯管流量计替换孔板流量计可节约用电,用户可由此获得显著的经济效益;
  3.弯管流量计比孔板流量计具有更高的可靠性和抗干扰能力,适合于热力管网长期监测使用。
    本文未涉及应用弯管流量计实现热网科学化管理后产生巨大经济效益的问题,对于这方面的内容拟专题讨论。

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