蒸汽流量測量中的壓損與節能效益分析

葉海青，邱宣振，紀波峰，紀綱

(1. 杭州市質量技術監督檢測院，杭州 310019;2. 中石化上海工程有限公司，上海 200120；3. 上海同欣自動化儀表有限公司，上海 200070)

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儀器儀表

蒸汽流量測量中的壓損與節能效益分析

葉海青1，邱宣振2，紀波峰3，紀綱3

(1. 杭州市質量技術監督檢測院，杭州 310019;2. 中石化上海工程有限公司，上海 200120；3. 上海同欣自動化儀表有限公司，上海 200070)

針對某文獻論點，在相同的流量和相同的直徑比β時，噴嘴的壓力損失只有孔板的30%～50%，并計算了某口徑的孔板在一年之內損耗的能量折算為人民幣高達幾十萬元。以國際標準和國家標準為工具，對上述論點進行分析計算，發現在相同流量、相同工況條件和相同差壓上限的條件下，孔板壓損不是比噴嘴大，而是略小，因而在上述條件下，β相同這一假定不成立。從系統的角度分析了流量計壓損減小所節省的能量損耗，絕大多數不能轉化成經濟效益。文中還分析了噴嘴和孔板在直管段要求、超過限制條件、節流件變形、耐磨性、經濟性和不確定度方面的差異。

噴嘴孔板壓力損失節能直徑比直管段節流件變形不確定度

Abstracts： Aiming at conclusion from one article， pressure loss of nozzle is only 30%～50% of that of orifice with the same flow and diameter ratio β， energy loss about several hundred thousands of RMB within a year of an orifice with certain diameter is calculated. Above thesis is analyzed and calculated through international and national standards. It is found orifices have less pressure loss than nozzle under same flow rate， working conditions and differential pressure upper limit. Under these conditions， the assumption of same diameter ratio β is not valid. Energy consumption saving by reducing flow meter’s pressure loss is analyzed from the point of system， and most can’t be converted into economic benefits. The differences between orifice and nozzle in straight pipe requirements， exceed limits， throttling device deformation， wear resistance， economy and uncertainty are analysized.

1　概　述

測量蒸汽質量流量的流量計，不管是渦街流量計還是差壓式流量計，多少會有一些壓力損失，而壓力損失就意味著能量損耗，因而引起了人們的關注。

流體流經差壓裝置，在正端取壓口和負端取壓口之間產生壓差Δp，而當流體流過節流件繼續向下游流動時，靜壓得到部分恢復，但還是比上游靜壓要低一些，由此產生壓力損失，這種壓力損失是永久性的[1]。

已經實現標準化的差壓裝置有孔板、噴嘴和文丘里管，各種不同類型的差壓裝置，各具特色[2]，設計選型時應揚長避短。

筆者曾讀過一篇關于孔板的壓損與能耗的文章，其主要論點： 在流量和直徑比β相同時，噴嘴的壓力損失只有孔板的30%～50%，進而計算某口徑的孔板，在一年之內損耗的能量高達幾十萬元[3]。針對該論點筆者有2點質疑： 在實際使用中，噴嘴的壓力損失是否真的能比孔板小一半；若差壓裝置上能量沒有損耗，那么誰會是受益者。

2　噴嘴和孔板的壓力損失分析

在ISO 5167—2003(E)和GB/T2624—2006中，噴嘴(指ISA1932噴嘴)和標準孔板壓力損失計算用的是同一個公式[4-5]：

(1)

式中：Δ?—— 壓力損失，Pa；C—— 流出系數；Δp—— 差壓，Pa；β—— 直徑比，β=d/D；d—— 節流件開孔直徑，m；D—— 管道內徑，m。

對于相同的測量任務，介質、流量、工況條件、管徑均相同，如果采用不同的差壓裝置去測量，由于流出系數不同，所以計算得到的直徑比也不同。

在第1節所述的文章中，提到在β值相同的條件下，壓力損失孔板最大、噴嘴次之、文丘里管最小，這是因為孔板有90°直角邊，而噴嘴的入口為圓弧廓形，文丘里管的收縮段阻力更小。但是相同β在相同條件下所產生的差壓也是孔板最大、噴嘴次之、文丘里管最小。文章中關于三種差壓裝置的壓力損失的結論沒有問題，但是相同的直徑比β只是假設，在工程選型和設計中沒有實際意義。因為在三種差壓裝置中作選擇時，無需強調要用相同的β值，作為用戶來說，只要β值不超過限制條件就行，應關注的是壓力損失或與此密切相關的滿量程差壓Δpmax。因為Δpmax取值太大，將會使差壓裝置上損失的能量增大，而Δpmax取值太小，又會造成差壓信號傳遞失真。因此，舉例說明兩種差壓裝置上壓力損失的確切數值。

已知某一流量測量對象，介質為水蒸氣，常用壓力p1為4.5MPa (G)，常用溫度t為450℃，滿刻度流量qmmax為2.6×105kg/h，管道內徑D20為493mm，差壓上限Δpmax為100kPa。若選ISA 1932噴嘴，經計算得β=0.4687，C=0.9798。若選標準孔板，則β=0.5855，C=0.6041。將這些值分別代入式(1)就可得到滿刻度時的壓力損失，噴嘴壓力損失Δ?=0.6469Δp；標準孔板壓力損失Δ?=0.6459Δp。顯然，孔板壓力損失略小于噴嘴壓力損失。究其原因是孔板的β值比噴嘴的β值大一些，與文章中所做的假定不一致。

3　渦街流量計壓力損失分析

渦街流量傳感器上壓力損失計算公式與噴嘴、孔板不相同，以橫河公司提供的DY型渦街流量傳感器為例，其公式為[6-8]

Δ?=1.08ρ v2

(2)

式中：ρ—— 流體密度，kg/m3；v—— 流速，m/s。

假定上述測量任務選用的為DN300渦街流量計DY300，并假定流體最高溫度條件下儀表能夠承受，則滿刻度時流速為70.64m/s，ρ=14.463 kg/m3，代入式(2)得Δ?=77955Pa，與噴嘴和孔板上的壓力損失差不多。

4　差壓流量計允許壓損由工藝管路設計決定

4.1一個典型的流體控制回路

作為儀表制造企業，生產的產品在使用時所產生的能量損耗小一些則是好事，但是將節省的能量損耗當作經濟效益則有失偏頗，因為經濟效益與能量損耗是兩個不同的概念。該種計算方式并不適用于所有系統，如調節系統就不適用。

例如一家大型石化廠需要配備1個低壓蒸汽系統，額定壓力約為1MPa；1個中壓蒸汽系統，根據流程需要，確定額定壓力。每個系統可能都有幾十個用戶，各個用戶與總管的關系如圖1所示。

圖1　低壓蒸汽用戶示意

在圖1所示的回路中，總管上所提供的總壓力被分配在流量計、調節閥和工藝設備上，分配的原則是工藝設備、調節閥和流量計都要具有能維持正常工作所必需的最小壓降。工程上，管路系統的壓損占整個系統壓損的一部分，而孔板的壓損只占管路系統壓損的一部分。如果流量計上的壓損可以小一些，那么調節閥上的壓降就得大一些，最后平衡掉多余的壓差，工藝設備一般是不承擔平衡壓差的任務的，因而并不會因為流量計中減小了能量損耗而獲得相應的經濟效益。

4.2適當降低總管壓力

在由工業鍋爐供汽的熱力公司，設法將總管壓力降低則會有一定的經濟效益。在一個供熱網有很多用戶，每個用戶對蒸汽壓力的要求都不相同，有的甚至嫌熱力公司供的蒸汽壓力太高，于是在蒸汽管進入用戶界區后，另外增設自動減壓閥，將壓力降低后再進生產設備。在這樣的系統中，決定供汽最低壓力的只是很多用戶中的一兩家，如果供汽壓力低于該下限值，就會影響生產，于是這一兩個用戶就需想方設法降低流量計上的壓損，不僅僅是流量計，其他如調節閥、管路上一切造成壓損的管件都得精打細算，有時不得不犧牲流量測量精確度以滿足系統設計的需要。這時候，流量計的壓損才與效益掛鉤。

5　壓力損失小的兩面性

巴類流量計和彎管流量計也都屬于差壓式流量計，這兩種流量計由于不像標準差壓流量計那樣有節流件，因而也無法根據需要通過調節β值來使Δpmax達到理想值，以致在低密度低流速的測量對象中，Δpmax只有幾百帕甚至幾十帕，供應商的銷售人員說這是好事，大幅降低了動力損耗，但是現場的實際使用表明，帶來的問題很多。由于差壓上限小，只能選配微差壓變送器，與大家熟悉的中差壓、低差壓變送器相比，這種變送器測量精確度要低得多，零點的短期穩定性和長期穩定性都較差；另外由于Δpmax太小，正常測量時的差壓值也太小，三閥組內的1個氣泡(測量氣體時是1滴冷凝液)，都會使流量顯示值產生很大偏差[8]。

上海某機場在基建階段安裝了35臺各種不同口徑的彎管流量計，用于能源的計量，儀表投運后普遍效果較差。如，空調冷凍水用的流量計在冬季冷凍水已停時依然指示很大的流量，以至最后無法通過政府授權機構的檢定，儀表全部報廢。

由于這個原因，人們就在想方設法提高此類流量計的傳感器輸出差壓，其中羅斯蒙特公司的T形阿牛巴流量計，能使其輸出的差壓值比菱形截面檢測桿高80%，從而受到同行的贊許[8]。

6　噴嘴和孔板其他方面的差異

前面討論的都是壓力損失與節能方面的內容，除此之外，在噴嘴與孔板的選用中，還有如下幾個問題要考慮：

1) 直管段要求的差異。在第4節的實例中，完全相同的使用條件下，由于噴嘴的β比孔板小，所以直管段要求也有很大差異，查閱GB/T 2624—2006中的規定，噴嘴直管段要求14D，而孔板要求39D。

2) 孔板有可能會超過限制條件。在電廠的蒸汽流量測量中，高溫、高壓、高流速的條件比較多。由于壓力高，對應的流體密度就大，在初選了Δpmax后計算得到的β有時會大于0.75，因而超過限制條件，為了將β縮小，可將Δpmax適當增大，但是這又增大了能耗。這種情況下如果改選噴嘴，β大多數不會超過0.8的限制條件(噴嘴和孔板的β限制條件不相同)。若還是超過限制條件，則只有適當放大Δpmax或擴大管徑[9]。

3) 節流件的變形。節流件變形是由多方面的因素決定的，其中，噴嘴由于圓弧廓形的結構特點，具有極高的抗變形能力，所以該種節流件與管道之間，無論是采用法蘭連接還是焊接，都不會因熱膨脹導致損壞。而孔板如果與環室之間或與法蘭之間預留的徑向間隙不夠大，卻會因熱膨脹導致板片變形，由平板變成碗形，甚至由此引起密封墊片處介質外泄，所以設計制造時要特別注意。

4) 節流件的耐磨性。噴嘴的耐磨性明顯好于孔板，這是因為噴嘴沒有直角邊，而孔板有直角邊。由于這個原因，JJG 640—1994差壓流量計檢定規程規定，標準孔板檢定周期為2a，而噴嘴檢定周期可達4a[10]。在被測介質為河水及含有固體顆粒時，使用一段時間，孔板直角邊會出現r變大的痕跡，而介質為中低壓蒸汽和一般氣體時，未見明顯的磨損。

5) 不確定度的差異。噴嘴的不確定度最好能達到0.8%(與β有關)，而標準孔板的不確定度能達到0.5%[5]。

6) 經濟性的差異。生產1臺噴嘴的材料要比孔板多若干倍，所以噴嘴的生產成本比孔板高1倍是正常的。

7　結束語

在選用差壓流量計中，在永久性壓損不大于允許值的前提下，主要考慮的是測量精確度和價格，在這兩方面，孔板占有明顯的優勢，所以市場占有率也雄居首位。

1) 在相同的流量和相同的β時，噴嘴的壓力損失只有孔板的30%～50%這一論點是對的，但其隱含的推論是錯的，因為差壓裝置計算中，有多個因素可改變，設計時可采用不同β。

2) 在相同流量、相同工況條件和相同差壓上限的條件下，孔板的β比噴嘴大得多，這是由于噴嘴的流出系數約比孔板大60%引起的。

3) 在一個典型的流體控制系統中，通常包含工藝設備、用于控制的閥門以及流量計等，流量計上節省的能量損耗通常要控制閥來平衡，因而這種節省不能轉化成經濟效益，只有個別情況才會出現經濟效益。因此，設計時應根據具體情況區別對待，不能只追求低壓損，計量儀表還是要以確保測量精確度為主。

4) 噴嘴和孔板在直管段長度要求、超過限制條件、節流件變形、耐磨性、不確定度以及制造成本等方面都有差異，設計選型時應揚長避短、趨利避害，合理決策。

[1]蔡武昌，孫淮清，紀綱.流量測量方法和儀表的選用[M].北京：化學工業出版社，2003.

[2]蘇彥勛，梁國偉，盛健.流量計量與測試[M].2版.北京： 中國計量出版社，2007.

[3]趙穎麟，趙文.用彎管流量計取代孔板流量計節能效益分析[J].工業計量，2007(A01)： 22-23.

[4]ISO.ISO 5167-2—2003 Measurement of Fluid by Means of Pressure Differential Devices Inserted in Circular-corss Section Conduits Running Full-part2： Orifice Plates[S]. Geneva： International Organization for Standardization， 2003.

[5]李明華，彭淑琴，龍竹霖，等.GB/T 2624—2006用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量[S].北京： 中國標準出版社，2006.

[6]姜仲霞，姜川濤，劉桂芳.渦街流量計[M].北京： 中國石化出版社，2006.

[7]紀綱.流量測量儀表應用技巧[M].2版.北京： 化學工業出版社，2009.

[8]紀綱，紀波峰.流量測量系統遠程診斷集錦[M].北京： 化學工業出版社，2012.

[9]孫淮清，王建中.流量測量節流裝置設計手冊[M].2版.北京： 化學工業出版社，2005.

[10]翟秀貞，謝紀績，楊希文，等.JJG 640—1994差壓式流量計檢定規程[S].北京： 中國計量出版社，1994.

[11]楊振，孫立軍，郭素娜.現場安裝方式對戶用熱量表流量測量特性影響的實驗研究[J].化工自動化及儀表，2014，41(11)： 1260-1263，1323.

Analysis of Pressure Loss and Energy Efficiency in Steam Flow Measurement

YeHaiqing1， Qiu Xuanzhen2， Ji Bofeng3， Ji Gang3

(1. Hangzhou Institute of Quality and Technical Supervision and Inspection， Hangzhou，310019， China；2. Sinopec Shanghai Engineering Co. Ltd.， Shanghai，200120， China；3. Shanghai Tontion Automation Instrumentation Co. Ltd.， Shanghai， 200070， China)

nozzle； orifice； pressure loss； energy saving； diameter ratio; straight pipe； throttling device deformation； uncertainty

葉海青(1970—)，男，浙江杭州人，2011年畢業于中國地質大學土木專業，現就職于杭州市質量技術監督檢測院，任助理工程師。

TH814

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1007-7324(2016)04-0047-03

稿件收到日期： 2016-03-19。