弯管流量计的实用分析

引言

随着现代工业生产的发展，企业对能源的要求越来越重视。工艺过程控制、生产成本核算、能源计量考核等能源调控方面的问题对流量测量越来越依赖，因此准确测量蒸汽、天然气、水等介质的流量在工业能源节能方面越来越重要。弯管流量计的研究、设计已有80余年的历史，但因各种技术的限制其工业应用存在很大困难。随着弯管加工技术和测量技术的进步，在最近几年得到广泛关注和有效推广。对传统流量计与弯管流量计的应用性能进行比较，经过比对、测算分析，弯管流量具有压损小、易维护、测量精度高、重复性好等特点，能够较好地解决能源的计量问题。

1 弯管流量计的工作原理

弯管流量计与传统的孔板流量计一样，同属于差压式流量计的范畴，只是弯管流量计产生差压的方式与孔板流量计不同。孔板是利用流体的缩放原理产生差压的，而弯管传感器是利用流体的惯性原理产生差压的。当流体通过弯管时，由于受弯管的约束流体被迫作类似的圆周运动，流体在作圆周运动时产生的离心力作用于弯管的内外两侧，使弯管传感器内外两侧之间产生一个压力差。该压力差的大小与流体的密度、平均流速、管道的曲率半径、管道内径有关，其表达式为：

式中，υ为流体值弯管中的平均流速；R为弯管中心曲率半径；D为弯管的内径；R/D为弯管中心曲率半径；ΔP为流体通过弯管传感器时产生的差压值；ρ为介质的密度。

管道内流体的流量：

式中，S为管道的内截面积；α为流量系数。

从以上可知，只要准确测量出压力差，在进行运算的同时再考虑到温度、压力对于介质密度的影响进行必要的温度补偿，就能准确地测量介质的流量。

2 弯管流量计与其他流量计性能比较

（1）结构简单，性价比高。

弯管传感器实际上是一个90°标准弯头，没有比它结构更简单的流量传感器了。随着机械加工工业的发展和行业标准化及规范化管理的不断完善，用作弯管传感器的标准机制弯头质量越来越好，价格也越来越低。

（2）可测量容易脏污、易堵塞的介质。

煤气（包括高炉煤气、焦炉煤气、发生炉煤气等）、烟气等属脏污介质，容易堵塞、粘连传感器关键部位，直接影响测量。传统孔板流量计及涡街流量计基本无法保证长期运行的准确性与稳定性。循环水水质较差，对流量测量装置的污染影响较大。孔板流量计的节流件或涡街流量计的插入件极易被循环水玷污或堵塞，尤其是孔板节流口的直角部分，即使是轻微的玷污也会对测量精度造成极大的影响。弯管传感器对于类似煤气、循环水这样的介质其适应性良好，即使是长期的运行也能保证弯管流量计的正常工作，保证其足够的测量精度。

（3）适应性强，量程范围宽，直管段要求不高。

只要是可以用孔板、涡街、均速管流量计来测量的管道内流体流量都可以用弯管流量计进行测量，而且在耐高温、耐高压、耐冲击、耐振动、耐潮湿、耐粉尘等方面，弯管流量计远优于其它流量计。对于涡街流量计来说其使用性是十分有限的，这与其测量原理有关，实测测量结果产生较大的附加误差影响了测量精度，造成测量不准。所有这些问题对弯管流量计来说几乎没有影响。而高温、高压等问题对于弯管传感器来说，只要采用与工艺管道相同材质的标准弯头，就可以得到解决。

弯管流量计的量程比可达1：10。量程范围宽一方面是指弯管流量计对于其测量介质的流速适用范围宽，对于蒸汽或其它气体介质，流速范围为0~70m/s，可以较好地满足蒸汽流量测量的要求；液体介质流速范围为0~5m/s。以上所说的流速范围也没有严格的限制，如果被测介质没有上限流速的限制，则流速范围还可更大；有足够精度的微差压变送器相配合，则流体流速的低限可取得很小。高质量微差压变送器的应用使弯管流量计能够适应低流速、小信号测量的要求。总之，弯管流量计的量程范围完全可以满足不同对象的流量测量的要求。量程范围宽的另一方面是指弯管传感器的几何尺寸没有限制，管径可从十几毫米到1m甚至2m以上。

直管段要求不高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量或不能保证其测量精度。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高，一般只要求前5D、后2D即可，远远低于其他流量测量装置的要求。

（4）弯管流量计精度高，重现性好，测量精度可达1％，重现性精度可达0.02％，一次安装后，不再需要重复拆装，因此，其安装精度也能得到最佳保证。

（5）无任何附加节流件或插入件，无附加压力损失，节约能源。

对孔扳流量计来说，流体在孔板上的压力损失是不可恢复的，其损失可达孔板在该流量下产生的差压值的60%~80%。弯管流量计与其他流量计相比最重要的是无任何附加节流件或插入件，不存在管道附加阻力损失的问题，孔板的节流损耗可简单地看作是弯管流量计的节能效果，这对于那些大系统、大管径、大流量、低压力的测量对象好处更加明显。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经济效益。

（6）免维护。

弯管流量计传感器耐磨损，对微量磨损不敏感，在高速流体冲击下不会变形、扭曲、震动，长期高低温工作条件下敏感元件不会老化、变质而降低稳定性和灵敏度；对于环境中可能出现的震动、粉尘、潮湿、电磁场干扰不敏感，经过长周期运行它的稳定性、灵敏度、准确性不会发生明显变化，能在最大程度上防止传感器被粘污、结疤、堵塞等等。而孔板流量计的节流口对微量磨损就十分敏感。一般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准确计量的必要条件。对于那些大管径的孔板和蒸汽孔板，其拆装难度大，维修费用高，给使用者带来了额外的负担。弯管传感器因耐磨损、免维护、长周期高精度运行的特点，可采用直接焊接法进行安装，使现场跑冒滴漏的问题得到彻底的解决。

（7）测量数据可直接输入DCS系统。专用主机配有RSR-232/485通信接口。

3 弯管流量计的应用分析

以前进热电厂现有3台65t/h锅炉，3台1.2万kW机组的流量计改造为依据进行分析。

3.1 改造方案

3台65t/h锅炉改造前的生产工艺如图1所示。每台锅炉主蒸汽管道原安装2个孔板流量计。由于孔板流量计采用截流产生压差的原理计算蒸汽流量，因此，蒸汽在流过孔板时造成压力损失。经测定，蒸汽流过孔板流量计造成压力损失约0.05MPa，蒸汽由锅炉进入汽轮机需经过2个孔板流量计，在孔板流量计上造成的压力损失约0.1MPa，加上蒸汽管道及阀门造成的压力损失，使锅炉过热器集汽联箱出口至汽轮机进汽口之间管道损失达到0.4MPa。即使锅炉压红线运行（3.82MPa），汽轮机进汽压力只能达3.4MPa（设计进汽压力为3.47MPa），致使发电汽耗上升，发电煤耗上升，一年造成420万kWh电能的损失，折合原煤达到4200t/a，增加二氧化硫排放量21.5t。

用弯管流量计代替孔板流量计。弯管传感器安装于原管道的90°转弯处，取代原90°弯头，可将节流孔板流量计装置产生的压力损失完全节省下来。改造工艺见图2。据测算，这将减少蒸汽管道上的压力损失0.1MPa，从而在锅炉工况不变的情况下提高汽轮机进汽压力0.1MPa，使汽轮机进汽压力提升至3.5MPa。根据1.2万kW汽轮机负荷特性曲线，满负荷的情况下进汽压力由3.4MPa提升至3.5MPa，负荷增加200kWh，发电汽耗下降0.1kg/kWh，达到节能降耗目的。