熱電廠供熱蒸汽流量計選型
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，常用流量計的量程比( 量程比: 滿足精度要求的前提下，所能測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)流量的全計量范圍的精確測量，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)流量測量方案的研究就十分必要。
1 現(xiàn)有測量方案
當(dāng)前，蒸汽和熱水的常用流量方案有差壓式流量計和渦街流量計兩種測量方案。
1． 1 差壓式流量計
以節(jié)流裝置作為檢測件的差壓式流量計是歷史悠久、理論和時間資料豐富、用量最大的一類流量計。節(jié)流裝置配合差壓變送器可用來對液體、蒸汽和氣體的流量進(jìn)行測量和控制。差壓式流量計具有技術(shù)成熟、適用范圍管，安維護(hù)簡便、重復(fù)性好、使用壽命長等特點(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、均速管流量計和平衡流量計。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置: 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置是按照國際標(biāo)準(zhǔn)ISO5167、中國標(biāo)準(zhǔn) GB /T—2624 的技術(shù)規(guī)范書進(jìn)行設(shè)計、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: 均速管流量計是基于皮托管測速原理發(fā)展而來的一種新型差壓流量測量裝置，具有永久壓縮小的特點(diǎn)。平衡流量計: 平衡流量計是一個多孔的圓盤節(jié)流整流器，每個孔的尺寸和分布是基于特殊的公式和測試數(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，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。
1． 1． 2 節(jié)流裝置特性對比標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置、均速管流量計和平衡流量計的主要性能對比如表 1 所示。
1． 1． 2 節(jié)流裝置特性對比標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置、均速管流量計和平衡流量計的主要性能對比如表 1 所示。
表 1 常用節(jié)流裝置的主要性能對比表
節(jié)流裝置 標(biāo)準(zhǔn)孔板 均速管流量計 平衡流量計
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比表中可以得出
以下結(jié)論:
1) 精度: 平衡流量計最優(yōu)，標(biāo)準(zhǔn)孔板( 標(biāo)定)次之，均速管流量計最差。
2) 壓力損失: 均速管流量計最優(yōu)，平衡流量計次之，標(biāo)準(zhǔn)孔板最差。
3) 量程比: 平衡流量計最優(yōu); 均速管流量計的理論量程比可達(dá)到 10∶1，但是均速管流量計的適用雷諾數(shù)范圍較小且對流速有要求，均速管流量計在小流速工況的應(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的性能較為優(yōu)越，對大量程比流量測量方案更為有利。因此，本專題后續(xù)討論中以平衡流量計為例
討論大量程流量測量方案。
1． 1． 3 差壓變送器
差壓式流量計由節(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 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量時量程比為 10∶1。
但是，差壓式流量計設(shè)計時，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量時，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時，整套差壓流量計的最大量程受節(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時，整套差壓流量計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 雙變送器測量方案
由于差壓變送器量程比的限制，平衡流量計大量程比( 10∶1 甚至 30∶1) 的優(yōu)勢無法充分體現(xiàn)。為突破差壓變送器對整套差壓流量計量程比的限制，一些項(xiàng)目采用了雙變送器的測量方案，具體原
由于差壓變送器量程比的限制，平衡流量計大量程比( 10∶1 甚至 30∶1) 的優(yōu)勢無法充分體現(xiàn)。為突破差壓變送器對整套差壓流量計量程比的限制，一些項(xiàng)目采用了雙變送器的測量方案，具體原
理圖具體見圖 1。
雙變送器測量方案: 一套平衡流量計的同時配兩套差壓變送器，其中差壓變送器 1 的差壓測量范圍覆蓋整個平衡流量計刻度流量對應(yīng)的差壓值范圍，差壓變送器 2 的差壓測量范圍覆蓋平衡流量計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。兩套差壓變送器測量值同時送入流量計算裝置( 如: DCS，PLC 或者就地控制器) 。當(dāng)差壓變送器
1 的流量計算值大于 60% 時，使用差壓變送器 1 計算流量; 當(dāng)差壓變送器 1 的流量計算值小于 60% ，使用差壓變送器 2 計算流量。平衡流量計的流量計算公式按照 0 ～ 60% 和 60% ～ 100% 兩個流量區(qū)間分別修正。
雙變送器測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，可以實(shí)現(xiàn)量程比為 30∶1 的寬量程比的流量精確測量。
1． 2 渦街流量計
渦街流量計是根據(jù)“卡門渦街”原理制造的一種速度式流量儀表，是目前國際主要的流量測量儀表之一。適用于液體、氣體和蒸汽的流量計量。渦街流量計的主要技術(shù)參數(shù)如表 3 所示:
渦街流量計不需要額外的變送器，因此具有安裝簡單和大量程比的特點(diǎn); 但是渦街流量計的適用溫度和壓力范圍較小，應(yīng)用場合較少。
渦街流量計不需要額外的變送器，因此具有安裝簡單和大量程比的特點(diǎn); 但是渦街流量計的適用溫度和壓力范圍較小，應(yīng)用場合較少。
1． 3 推薦方案
根據(jù)上文對差壓式流量計和渦街流量計的綜合分析，本文給出不同量程比情況下的推薦流量測量方案
多測量管道方案
通過對差壓式流量計和渦街流量計的分析，可以看出采用單個流量變送器時，流量計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。對于這類應(yīng)用場合常規(guī)單套的流量測量裝置無法滿足流量精確測量的要求。
2． 1 多測量管道方案
針對高量程比的應(yīng)用場合，本文提出多測量管道方案。本章節(jié)以兩測量管道方案為例說明方案測
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量管
道，分別為大流量管道( PL) 和小流量管道( PS) 。
每段測量管道上相應(yīng)配一個流量計用于流量測量，
分別為大流量流量計( FL) 和小流量流量計( FS) 。
增刊 1 裴順，等: 熱電廠供熱流量儀表的設(shè)計 37兩測量管道方案對于流量計的具體方案沒有要求。
每段測量管道上游均設(shè)有一個遠(yuǎn)控閥門( 可以
是電動閥、氣動閥，本文以氣動閥為例) ，分別為
MV － PL 和 MV － PS。下游設(shè)有一個手動閥( 正常
工作時，處于全開狀態(tài)) ，分別為 HV － PL 和 HV
－ PS。正常流量測量時，僅有一段流量測量管路上
的電動閥處于全開狀態(tài)，另一個管路上的電動閥處
于全關(guān)狀態(tài)。測量過程如下:
當(dāng)大流量測量管道 PL 處于測量狀態(tài)時，即閥門 MV － PL 全開，大流量流量計( FL) 處于工作狀態(tài)。如大流量流量計( FL) 的測量值大于 FLmin 時，以大流量流量計( FL) 的測量值為準(zhǔn); 如大流量流量計( FL) 的測量值小于 FLmin 時，控制打開閥門MV － PS 投入小流量測量管道 PS 和小流量流量計( FS) ，待 MV － PS 全開后關(guān)閉 MV － PL 閥門。當(dāng)小流量測量管道 PS 處于測量狀態(tài)時，即閥門 MV － PS 全開，小流量流量計( FS) 處于工作狀
態(tài)。如小流量流量計( FS) 的測量值小于 FSmin，以小流量流量計( FS) 的測量值為準(zhǔn); 如小流量流量計( FS ) 的測 量 值 大 于 FSmax 時，控 制 打 開 閥 門MV － PL 投入測量管道 PL 和大流量流量計( FL) ，待 MV － PL 全開后關(guān)閉 MV － PS 閥門。測量管路切換過程中，保持上一個有效測量值。為減短測量管路切換時間，選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)全行程動作時間盡量短( 氣動閥動作時間小于 10 S) 。熱電廠生產(chǎn)中，熱負(fù)荷變化較為均勻，切換過程對測
量影響不大。通過工程實(shí)踐證明，通過合理設(shè)計兩段測量管路和選用流量計方案，可以實(shí)現(xiàn)的大量程比流量的測量。當(dāng)兩套流量計采用平衡流量計 + 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; 例如: 小流量流量計可以采用平衡流量計 + 雙 變 送 器 方 案，即可以實(shí)現(xiàn)量程比為200∶1 的流量測量。當(dāng)然采用三測量管道方案能實(shí)現(xiàn)更大量程比流量的精確測量，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 + 單差壓變送器的方案即可滿足要求，預(yù)計每套流量計設(shè)備價格為 2 萬元;
供熱蒸汽母管計量用的蒸汽流量計所需的量程比達(dá)到 7． 03∶1，需要采用平衡流量計 + 單差壓變送器的測量方案，預(yù)計流量計設(shè)備價格為 11 萬元。用戶 D 計量用的蒸汽流量計所需的量程比達(dá)到200∶1，需要采用兩段測量管路方案: 其中大流量測量管道流量計采用平衡流量計 + 單差壓變送器，小流量測量管道流量計采用平衡流量計 + 雙變送器。具體配置如表 6。表 6 用戶 D 測量方案