摘要:从介绍产品工作原理入手,阐述了弯管流量计与孔板流量计在原理上的本质区别。在性能比较的基础上突出说明了弯管流量计具有的无附加压力损失的节能性能明显优于孔板流量计。文章指出,在长期运行的大流量系统中应充分考虑这种区别所引起的能源合理利用问题。
一、引言
弯管流量计也是一种差压式流量计,但其差压的产生与孔板流量计有根本性区别:孔板流量计是节流型差压流量计,是利用对流体节流装置施行节流产生差压来测量流体的流量的:弯管流量计的流量传感器是一个90°标准弯管,它是利用流体的惯性原理产生差压来测量流体的流量的。
二、弯管流量计和孔板流量计原理
1.弯管流计
(1)基本原理
当流体流经弯管时,由于弯管的约束作用,迫使流体在弯管内作近似于圆周运动。根据流体强制旋流理论,流体在管道内作圆周运动必然会产生惯性离心力,该离心力的大小与流体的流速、流体的质量(密度)以及作圆周运动的曲率半径等因素有关。离心力的大小可以通过对弯管内、外侧压力差的测量来确定的:因此,只要测出弯管内、外侧的差压值,就可以方便地计.算出管道内流体的流速,进而算出管道内流体的流量值,这就是弯管流量计的基本测量原理(见图1).
(2)流量方程
式中，?一流体的平均流速
a一流量系数
R/D一弯管的弯径比
P1-P2一弯管内、外侧压力差
β一指数
ρ一流体的密度
2.孔板流量t计
(1)基本原理
充满管道的流体,当它流经管道内的节流件时。如图2所示，流体将在节流件处形成局部收缩.因此，流速增加,静压力降低,在节流件前后产生了压差。流体流量愈大,产生的压差愈大,因而可依据压差来衡量流量大小。这种测量方法是以流动连续性方程(质量守恒定律)和伯努力方程(能量守恒定律)为基础的:
(2)流量方程
式中.qm一质量流量,kg/s
C一流出系数
E一可膨胀性系数
β一直径比.β=d/D
d.一工作条件下节流件的孔径,m
D一工作条件下.上游管道内径,m
△p一差压,Pa
P1一流体密度,kg/m3
三、弯管流量计的基本特点及其与孔板流量计性能比较
以供热系统为对象,选定孔板流量计与弯管流量.计作对比，是因为孔板流量计目前在供热系统中仍然是使用普遍的流量计。
(1)无任何附加节流件或插人件.可大大降低流体在管道内输送的动力消耗,节约能源。
由于弯管流量计独特的测量原理,它没有其它流量计必须具备的节流件或插入件,这一特点给弯管流量计的工业化应用带来了巨大的便利和好处。
对于节流型孔板流量计来说，流体在孔板上的压力损失是不可避免的。在通常情况下,该节流压力损失(称其为不可恢复压力损失)可达孔板在该流量下产生的差压值的30%~90%(与孔板的β值有关)。为了提高孔板流量计的测量精度,设计人员在选定孔板流量计的工作差压值时一般都取高值,于是该压力损失就相当可观。在供热系统中,由于孔板的阻力损失会使供热循环水泵耗电量增加或使同样的水泵压头不能满足远端供热用户的需求。对于一个完整的供热系统来说，它所安装的流量检测孔板不会只是一块,而多孔板的安装使系统功率损失更大。对于蒸汽介质来说,孔板节流压力损失会使蒸汽品质下降,或需要提供更高的供汽质量才能满足用户对蒸汽品位的要求。无论是哪--种情况都会造成附加的经济损失和提高系统.的运行费用。如果用弯管流量计代替孔板流量计进行流量检测.则不存在管道附加阻力损失的问题,孔板流量计的节流损耗也可简单地看作是弯管流量计的节能效果。这种替代对于那些大系统、大管径、大流量、低压头的测量对象好处将更加明显。
(2)结构简单,价格低廉
弯管传感器就是一个90标准弯头,随着弯管机械加工工，业的发展和行业标准化、规范化管理的不断完善.用作弯管传感器的标准机制弯头其质量越来越好.价格也越来越低,它一方面使弯管传感器的技术指标能得到更好的保证.同时.也大大降低了弯管传感器的价格，目前.弯管传感器甚至比市场上价格便宜的.法兰式孔板传感器还要便宜.而且管径愈大.愈便宜。
(3)弯管传感器耐磨损,对微量磨损不敏感
传感器对磨损不敏感是保证流量计长期精度佳测量的重要条件之一.这方面弯管流量计有着不可比拟的优势:而孔板流量计的人口锐角对微量磨损就十分敏感。规程规定,计量用孔板流量计的孔板每年必须进行一次或一次以上的强制性磨损检查,这是保证孔板流量计正确计量的必要条件:即便如此.在两个检修周期内也很难保证孔板流量计测量精度的一致性.这样频繁的拆装、检查、维修不是一般单位都可以作到.的,对于那些大管径的孔板.尤其是蒸汽孔板其拆装难度之大使维修者无不望而却步.大量的维修费用也给使用者带来了额外的经济负担:因此.现实情况是多数孔板流量计使用单位以损失测量精度为代价来减少孔板流量计的检修次数。这种方法当然是不可取的:弯管传感器不仅耐磨性能好,即使有轻微磨损,对弯管传感器的工作性能和测量精度的影响也是极小的。因此.弯管流量计可以长期保持精度的状态。
(4)可测量容易脏污、堵塞传感器的流体
供热系统的循环水其水质是比较差的,原因是在一个供暖期内循环水是反复使用而不更换(只是少量补充).加上防腐需求等其它原因在循环水中还要加入一些化学物质,使循环水对流量测量装置的污染影响更大�？装宕衅魅丝诘闹苯遣糠旨词故乔嵛⒌恼次垡不岫圆饬烤仍斐杉蟮挠跋�。而弯管传感器对于供热循环水这样的介质其适应性是很强的.即使是长期的运行也能保证其正常工作,且能保证足够的测量精度不受影响。
(5)量程范围宽、直管段要求不严格.适应性强
只要是可以用孔板流量计进行测量的对象都可以用弯管流量计来代替。而在耐高温、耐高压、耐冲击、耐震动、耐潮湿、耐粉尘等方面,弯管流量计远远优于其它常用流量计(如涡街流量计、电磁流量计、超声波流量计等等)。震动、冲击对弯管传感器的正常工作几乎没有影响.而高温、高压对于弯管流量计来说只是采用与工艺管道相同材质的标准弯头作传感器,就可以方便地得到解决。.
弯管传感器的几何尺寸几乎没有限制，管经小可到几十mm甚至十儿mm.大可到Im甚至2m以上,只要弯管的弯径比符台规定要求。都可以作为传感器进行流量测量,这一-特点是一般流量传感器不容易作到的:
直管段要求不太严格也是弯管流量计在现场使用.中十分重要的特点之一。许多流量测量装置都因为现场直管段不能满足要求而不能进行测萤或不能保证其瀏量精度.弯管流量计由于其特殊的测量原理使其在实际应用时对直管段的要求不严格，一-般只需保证前5D后2D即可.远远低于其它流量测量装置的要求。
(6)可采用直接焊接法进行安装
流量测量装置现场跑、冒、滴、漏是一个十分令人头痛的现实问题,它包含了诸如能源和物料的浪费,环保、安全、计量正确等方面的问题.是运行、管理部门十分重视又不易彻底解决的老大难问题:流量传感器直.接焊接法安装就是为解决这个实际问题而产生的(例如焊接式孔板):但是.孔板的不耐磨损给焊接式孔板保持长期精度正常使用带来了困难.既然孔板检修周期短,那么,严格地说焊接法安装绐孔板流量计带来的不是好处,相反使经常性的检修工作变得更加困难。因此,焊接式孔板并不是解决测量装置现场的跑冒滴漏的好方法。而弯管传感器完全可以满足直接焊接法安装的一-切技术条件.它的耐磨损、免维护、长周期.精度运行的特点使焊接法安装这一优势得到了充分的发挥.现场跑冒滴漏的麻烦得到了彻底的解决
(7)通过实验研究.提出了弯径比为1.5~1.6范围内.在该条件下的蒸汽弯管流量计的简化模型,不但可使弯管参量无须单独标定即可实现蒸汽流量高精度测量,而且在采用了蒸汽温度、压力智能补偿后,使流量计能适用于温度、压力变化范围大的蒸汽流量测量:二次仪表以计算机技术为核心,采用蒸汽密度补偿处理.因而使二次仪表精度达到0.29.流量测量系统实测精度达到了1.14%(引用误差):
四、结束语
虽然将弯管流量计和经典的孔板流量计作了一系列的对比.指出了孔板流量计存在的一些不尽人意的缺点,但是.有一点是十分清楚的.孔板流量计作为一种流量计量器具.它具有悠久的历史.经过无数专家、学者的潜心研究和完善，它的设计、计算、加工、安装、使用、维护等等环节都具备了完备的标准和规范.尤其值得强调的是它已具备了计量管理部门承认的、具有.法律效用的几何相似检定的许可、获得了有关管理部门的正式推荐,所有这一切使它在工业化应用中具备了极其强大的竞争力。目前还没有任何一种流量计可以和它“相提并论”。正如历史是不会停止一样.流量计的发展也是日新月异的�？装辶髁考频闹疃嗳钡阌从嗣撬厥�,要么解决这些缺点,要么用一种更好的流量计代替它。
其实,弯管流量计研究工作也有80余年的历史，只是过去的工作受到诸多客观条件的限制,使弯管流量计的工，业化推广应用十分困难,其中重要的是弯管加工技术和弯管的空间测量技术。这些限制条件的存在几乎葬送了弯管流量计的发展前途。现在这一切都得到了解决,高精度的弯管加工技术可以保王弯管传感器的弯径比能够控制在一个极小的范围内.而科学的测量方法又使弯管弯径比的测量精度得到了保证,所有这些使弯管传感器的几何相似性成为可能。同时.通过研究我们发现，在弯管传感器特定弯径比条件下,弯径比与流量系数之间出现的互补性规律,由此大大提高了这种流量计的测量精度及其稳定性。
在流速为7~70m/s范围内，检定其相应的测量范围,其系统流量精度(包括差压、压力、温度变送器及二次仪表等配套仪表)小于企业标准规定的+2.5%FS的精度,在检定样机中.流速为25~70m/s的常用蒸汽流速范围内,其实测精度优于1.14%FS:
弯管流量计突破了困扰它发展的流量系数离散性大、测量精度低的困难,满足了工业应用的要求:弯管流量计的精度.无附加压力损失、量程比大、适应能力强,经济效益高等特性完全符合能源建设和科学化计量管理事业的发展要求:如在供热行业全面推广使用弯管流量计.仅计算它的无附加阻力损失并将其折.算成水泵电耗所能获得的效益,在一个取暖期就可高达3亿元人民币:据初步统计,在全国用弯管流量计全面替代目前应用广泛的孔板流量计.每年就叮取得数十亿元人民币的经济效益,且节约大量的能源:因此.大力发展弯管流量计,把它尽快地推广到能源建.设和科学化管理的各个领域是必要和可能的。
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