平衡均速流量計及在能源管理系統中的應用

杜學強 ，錢俊磊，劉穎錄，林 偉

（1.唐山阿諾達自動化有限公司，唐山 063020；2.華北理工大學 電氣工程學院，唐山 063009；3.唐山東海鋼鐵集團有限公司，唐山 063700）

能源管理系統EMS是綜合采用智能儀表、網絡通訊、計算機等技術構建的信息化管控系統，為生產企業的能源調度提供依據，是耗能企業對能源生產、消耗和回收進行全面監控、計劃和調度的有效工具，對企業合理利用能源、降低能源消耗、增加能源回收、減少CO2排放，進而提高經濟效益具有重要的意義。

能源管理系統需要對煤氣、氧氣、水蒸汽等各類能源介質的主管道和重要末端管道配備大量的計量儀表。與流程工業的過程控制系統相比，能源管理系統的介質測量對可靠性、精確度、介質的適用性、滿足惡劣環境等有更高的要求。針對能源管理系統的特點，設計合適的測量裝置，確保能源介質的可靠計量是實現能源管理系統穩定運行的關鍵。

智能平衡均速流量計是一種新型流量測量裝置。在能源管理系統的應用實踐表明，與傳統流量測量儀表相比，該裝置具有顯著的優越性。

1 智能平衡均速流量計的結構

智能平衡均速流量計包括智能變送測量主機和節流裝置，智能變送測量主機置于管道外部，節流裝置用法蘭安裝在管道上，如圖1所示。

圖1 智能平衡均速流量計的構成Fig.1 Structure of intelligent balanced flowmeter

智能變送測量主機包括箱體和安裝在箱體內的智能儀表、差壓變送單元和壓力變送單元，如圖2所示。

圖2 測量主機的原理Fig.2 Mechanism of apparatus

智能儀表包括處理器模塊、模數轉換模塊、存儲模塊、人機交互模塊、電源處理模塊、通訊模塊、信號輸出模塊等。儀表采集差壓、壓力和溫度信號，并進行流量的計算、累積、存儲和查詢；提供LED顯示屏和觸摸鍵盤人機交互接口，用于測量參數及儀器狀態的顯示和組態參數及操作指令的輸入；具有標準的Ethernet和Modbus網絡接口，以方便直接接入或通過網關接入信息網絡。

節流裝置包括連接法蘭、取壓室和節流板，采用一體化多孔結構的獨特設計，如圖3所示。節流板設置在沿連接法蘭的軸線方向的中間位置，為圓形板體。其中心設置1個大節流孔，其外圓周上均布若干小節流孔。節流孔的數量、位置和孔徑根據不同管道的口徑通過計算與測試確定。取壓室是一個中空管體，其端面分別與連接法蘭內壁和節流板固接，取壓管開口于取壓室管壁上。節流板中嵌裝有溫度傳感器。

圖3 平衡均速節流裝置的結構Fig.3 Structure of blanced throttle orifice plate

一體化多孔節流裝置以法蘭連接形式接入能源介質的管道中，輸出一路測量溫度的電阻信號、一路測量壓力的流體信號、二路測量差壓的流體信號。流體信號接入智能變送測量主機的壓力變送單元和差壓變送單元，變送成4～20 mA的電流信號。電流信號和電阻信號接入主機的計算顯示單元，通過軟件計算出能源介質溫度、壓力、流量的瞬時值及流量的累積值，實時顯示于面板上，并通過網絡上傳至能源管理系統。

2 平衡均速節流裝置的原理

平衡均速流量計是差壓式流量儀表，其工作原理是基于流體在封閉管道中的能量守恒定律。一體化多孔節流裝置安裝在管道的截面上，當流體流過該裝置時，在節流孔處形成局部收縮后，流速增加，在節流板前后產生壓力差。通過取壓裝置，可獲得穩定的差壓信號。同時，流體將被平衡整流，渦流被最小化。對于理想流體，管道中的流量與差壓的平方根成正比，測出該差壓值即可計算出管道中的流量。

2.1 不可壓縮流體的流量

對不可壓縮流體，在充分紊流的理想情況下，在節流前后（分別設為a截面和b截面）滿足流動連續性方程（式1）和伯努利方程（式2），進而計算出流體的流量。

引入收縮系數 μ＝db/d，等效孔徑比 β＝d/D，取壓系數 Ψ＝（Pa-Pb）/（P1-P2），則：

記差壓ΔP=Pa-Pb，定義流量系數 α＝及流出系數則：

式中：Q 為體積流量，m3/s；va，vb為節流前后 a、b 截面的平均流速，m/s；Pa，Pb為節流前后 a、b 截面的壓力，Pa；P1，P2為節流前后壓力的測量值，Pa； ρ為流體密度，kg/m3；ξ為阻力損失系數；Aa，Ab為節流前后 a、b 截面流體面積，m2；D，db為節流前后 a、b 截面等效直徑，m；d為節流孔的等效直徑，m。

2.2 可壓縮流體的流量

在不可壓縮流體的流量計算式（4）基礎上，將流體可壓縮性對流體系數的影響用流束膨脹系數ε來表示（不可壓縮流體ε=1），則可壓縮性流體的流量為

流束膨脹系數ε取決于差壓比ΔP/P1、流體等熵指數κ及等效孔徑比β，可通過計算或實驗確定[1]。

2.3 溫壓補償

在流體流量測量中，流體的狀態會隨著工況的變化而發生變化。液體的參數變化不顯著，一般無需進行調整。氣體由于分子間范德華力（Vander Waals Force）作用，工況會隨著溫度和壓力的變化而發生很大的改變，流體的密度隨之變化。因此，氣體測量需進行溫度和壓力補償計算。

對于一般氣體，采用式（6）進行溫壓補償計算：

式中：Q0，Q 為設定工況和實際工況流量，m3/s；P0，P為設定工況和實際工況相對壓力，Pa；t0，t為設定工況和實際工況溫度，℃。

對于過熱蒸汽與飽和蒸汽，采用國際水和水蒸汽性質協會提供的計算模型（IAPWS-IF97）進行溫壓補償計算[2]。

2.4 標定

對于確定的節流裝置，流量系數α和流出系數C僅與等效孔徑比β和雷諾數Re有關。當Re足夠大時，α和C趨于定值。α和C可通過理論計算得到，一般通過流量實標進行校核并最終確定。

在流量標定測試系統上，將流量在全量程范圍內調整到若干測點，通過被測表與標準表示值的比較，可計算出儀表在各測點的誤差和重復性。通過反復校核α和C值，可使儀表的誤差和重復性在一定量程范圍內達到期望的水平。

3 平衡均速流量計的特點及應用效果

與傳統流量計相比，平衡均速節流裝置的獨特結構有效地降低了介質在節流孔前后的紊流現象，削弱了渦流的形成，如圖4所示。從而使測量信號穩定、線性度高、測量范圍廣。同時，顯著地降低節流孔處的動能損失，從而減少了流體運行所需的能量消耗，節省運行費用。平衡均速流量計在測量精度、量程比、阻力損失、應用環境等方面均有卓越的性能，特別是針對能源管理系統的特點，具有顯著的優勢。

圖4 節流板孔前后流場示意Fig.4 Graph of flow field before and behind the throttle orifice

1）永久壓力損失低。平衡均速節流裝置的多孔平衡結構減弱了渦流的形成和紊流的摩擦，降低了動能損失。在相同流量下，該裝置產生的差壓值與孔板近似。但孔板的永久壓力損約為差壓值的60%～70%，而平衡均速節流裝置的永久壓力損約為差壓值的20%～30%。在產生相同差壓值的情況下，平衡均速節流計永久壓力損失為孔板流量計的約30%～40%。對于能源管理系統，介質不同區段需設置大量的流量測點，測量儀表造成的介質動能損失是很顯著的運行成本。如一臺DN200的孔板流量計測量蒸汽，按差壓值50 kPa設計，壓力損失約30 kPa，而平衡均速流量計壓力損失約10 kPa，節能效果十分顯著。

2）安裝條件要求低。傳統儀表要求安裝位置前直管段≮10D，后直管段≮5D（D為管道內徑）。能源管理系統的流量測點，大多需要布置在管線復雜、安裝空間狹小的工業現場，采用傳統流量計，通常需要進行管道的改造，否則將影響測量的精確度與穩定性。由于平衡均速節流裝置的流場渦流段極短，對直管段的要求大大降低[3]。在流量標定測試系統上進行插入式干擾實驗，表明平衡均速節流裝置安裝位置前直管段≥3D，后直管段≥2D，即可達到穩定的測量精度。這使該裝置對現場的要求明顯降低，可節約大量的管道費用和工程成本。

3）測量精度高。平衡均速節流裝置使節流區流場的穩定性大大提高，降低了渦流、振動和信號噪聲，提高了系統測量穩定性，使線性度比傳統節流裝置提升了5～10倍。通過對裝置的幾何尺寸設計和理論計算，即可達到準確度1.0級；經過流量實標，準確度可高于0.5級。穩定的流態使得其在200～107雷諾數的范圍內均可保證測量精度，重復性達0.1%。

4）量程比寬。過程控制系統中介質流量范圍一般較小，而能源管網中流量的波動極大。傳統流量計的量程比一般為3∶1[4]，難以在流量全部波動范圍內確保測量的精確度。平衡均速流量計的β值可在0.25～0.90范圍內（常取0.7左右）選擇，一般情況下量程比為15∶1，選擇合適的參數可以實現30∶1。

5）耐臟污不易堵。傳統流量計應用于焦爐煤氣、高爐煤氣、油等能源介質時容易發生臟污和堵塞，影響測量精確度。平衡均速節流裝置減少了流場死區，使臟污物質可順利通過節流孔，因此可用于測量各種含有臟污成份的能源介質。

4 結語

智能平衡流量均速流量計作為新一代差壓式流量測量裝置，采用一體化多孔節流結構和智能化數據處理技術，具有壓力損失小、測量精度高、量程比寬、安裝條件要求低、耐臟污不易堵等特點。應用實踐表明，與傳統流量計相比，該裝置在節能、高精度等方面性能卓越，并可方便地接入遠程信息網絡，可廣泛應用于冶金、化工、電力、材料等流程工業的自動化過程控制系統中，特別適用于能源管理系統工程的能源介質流量測量。

[1]徐強.差壓流量計節流裝置可膨脹系數測試方法研究[J].商情，2013（5）：191-192.

[2]丁峰，郭群龍.水和水蒸汽熱力性質的計算模型_IAPWS-IF97[J].科技資訊，2012（25）：131-132.

[3]王政，趙園園.平衡流量計在工程測量中的應用[J].現代冶金，2014，42（2）：66-68.

[4]邵思.歐洲平衡流量計在鋼鐵行業中的應用[J].工業計量，2012，22（4）：12-15.