从1996年一期工程建设开始,石狮热电公司就对监测计量和贸易结算用的流量计进行广泛深入调研,在大量应用孔板流量计的同时,先后试用了悬翼式流量计、智能探针流量计、电磁流量计、涡街流量计、超声波流量计等,结果发现这些流量计虽然各有优点,但各自受原理的限制使用中都存在不同程度的缺陷。例如孔板维护困难且节流压损大,尤其在测量低压蒸汽时更为明显;悬翼式流量计的精度较低,一般用于通径小于50 mm的管道上;智能探针流量计的取压孔易堵塞,必须停运才能疏通,精度难以保证;电磁流量计的抗干扰能力差,安装与调试复杂且要求严格;涡街流量计抗振性能和耐温性能差,维修费用高,而且要求的直管段太长;超声波流量计抗干扰能力差,精度不高,耐温、耐脏污性能还有待完善。经过反复比较后,石狮热电公司选择了弯管流量计,应用结果表明弯管流量计具有许多其他流量计不可比拟的优点。本文将介绍弯管流量计的基本原理及其在石狮热电公司的应用效果和推广情况,分析采用弯管流量计取代孔板流量计后的节能经济效益以及减小管道损失和扩大供热半径的效果,并提出有关选型及安装使用中应注意的几个问题。
1 弯管流量计的应用效果
与传统的流量计一样,弯管流量计也是一种差压流量计,也要通过差压的测定来确定流体的流速,然后参照通流面积得到流量值,但差压的产生方式却有根本的区别。传统型流量计利用的差压,是流体在通过管道中的节流装置时产生的差压,而弯管传感器利用的差压是由流体在流动方向改变时得到的。由于惯性离心力的作用,流体在流经管道的45°或22.5°弯管处时,会在弯管外侧与内壁之间产生差压(如图1所示),而且差压的大小与流体平均流速的平方成比例关系,因此当弯管结构参数等因素确定之后,流体的流速进而流量就可以由弯管内外侧差压值确定。弯管流量计的优点主要表现以下几个方面。
(1)附加阻力损失小,节能 弯管传感器实际上就是一个90°弯头,无任何插入件和节流件,所以不会产生节流损失,流体通过弯头时仅有微小损耗,可节省流体输送的动力消耗,特别适合应用于那些压力低、管径大、流量大的系统。
(2)安装简单,不要求有很长的直管段 在实际应用中,只要用弯管传感器代替原来管道上的90°弯头即可,安装施工要求和普通弯头一样,可以直接与管道焊接,非常方便。另外,一般的流量计要求前面的直管段长度至少是管子直径的10倍,后面的直管段长度至少是直径的5倍;而弯管流量计前的直管段只要5倍,后面只要2倍,即可保证测量精度。
(3)量程比大,应用范围广 弯管流量计的量程比达到1∶10甚至更大,在流量波动较大的情况下也能满足测量准确度的要求;对称的结构使其能满足双向测量要求(前后直管段满足要求);用在蒸汽流量计量中测量范围为5~160 m/s(推荐范围为10~85 m/s)。弯管传感器可以在高温、高压、粉尘、振动、潮湿等恶劣环境下正常运行;采用不锈钢、工程塑料、玻璃或者陶瓷等耐腐蚀材料制造的弯管传感器还可以用来测量各种腐蚀性介质的流量。
(4)测量准确度高 弯管流量计系统测量精度为0.5~1.5级(实流标定准确度可以达到0.5级,机加工产品为1.0级),主机还可以通过运算对流体温度、压力(变送器测量精度为0.2%)的变化进行补偿,误差小于0.2%,测量准确度高。
(5)稳定性强 运行稳定可靠,重复性精度达0.2%,长期运行性能不变。由于弯管传感器安装后不需要重复拆装,因此安装精度也得到很好保证。
(6)维护量小 弯管流量计的工作原理依赖于弯管传感器的几何结构和尺寸,由于运行导致的磨损,弯管传感器的口径仅产生微小变化而且比较均匀,因此弯管传感器的微量磨损对系统测量准确度的影响不明显,传感器的寿命与工业管道寿命相同;并且没有任何内插件,不需要定期吹除或者拆装清洗,减少了维护工作量也降低了检修费用。这也是弯管传感器可用焊接方法固定安装的原因。采用焊接式安装,还彻底解决了现场的跑、冒、滴、漏。
目前公司已将大部分管径超过80 mm的孔板流量计更换为弯管流量计,测量介质包含过热蒸汽、汽机凝结水、软化除盐水等,见表1。
2 节能效果
石狮热电公司拥有2台35 t/h和2台75 t/h循环流化床锅炉,2台6 MW抽凝式汽轮发电机组和1台60 MW背压式汽轮发电机组,采用集中供热、热电联产的方式,通过2条377 mm×6 mm和1条426 mm×8 mm的供热管道,将所生产的压力0.6 MPa温度190℃(用户端参数)的过热蒸汽供给2个工业区内众多漂染、染整、水洗、电镀等企业;2007年度实际结算供汽量1 280 kt,供汽时间8 300 h,平均供汽量154.2 t/h。同时,综合考虑3台高压加热器和1台驱动给水泵的低压背压式汽轮机所使用的蒸汽均为来自汽轮机背压排汽和一抽抽汽,以及1台机组停运期间需要开启减温减压器等因素,取3台机组的年运行时间为8 100 h,3号背压式汽轮机的平均排汽量为85.6 t/h,1号和2号抽凝式汽轮机的一抽抽汽量为48.2 t/h。
改造前公司大量使用孔板流量计,其中典型孔板流量计技术参数见表2。根据表1和表2的数据,可以计算将孔板流量计更换为弯管流量计,给公司带来的节能经济效益、扩大供热半径、降低管道损失和节省检修费用等情况。
2.1 减小节流损失多发电
(1) 4号锅炉出口和3号汽轮机进口的孔板流量计更换为弯管流量计后,每年多发电约160万kWh。蒸汽流经节流孔板是一个绝热节流过程,焓值不变,而在汽轮机的做功为等熵过程。根据节流前的蒸汽状态参数p1和t1及节流后的压力p′1,可以在h-s图上确定节流前后的各状态参数,见图2。
蒸汽在节流前由点1(新蒸汽p1和t1)经可逆绝热膨胀至点2(背压排汽p2和t2)时,可利用的焓降为h1-h2;而经节流后的蒸汽经可逆绝热膨胀至压力p2时可利用焓降为h′-h′2,显然节流后蒸汽的作功减少了。据表2,锅炉出口孔板压力损失49.56 kPa,汽轮机进汽孔板压力损失为53.74 kPa,两道孔板的节流压力损失Δp为103.30 kPa。根据图2可得到节流前后各状态参数,无节流件时汽轮机进汽参数p1为3.43 MPa,t1为435℃;查得h1为3 305 kJ/kg,s1为6.97 kJ/( kg·K)。
节流后的进汽参数:
式中:D为背压汽轮机组蒸汽流量,85.6 t/h;ηi为汽轮机相对内效率,0.76;ηm为汽轮机组机械效率,0.98;ηg为管道效率,0.99;ηf为发电机效率,0.98。
代入参数可以得到PX为121 kW,也就是说3号汽轮机进汽前两道孔板流量计节流压力损失所造成的蒸汽品质下降,使汽轮机组的输出功率减少121 kW。用弯管流量计取代孔板流量计能避免节流损失,可把3号汽轮机进汽压力提高103.3 kPa,增加输出功率121 kW,节能效果显著。同样更换1号和2号抽凝机组进汽管道的孔板流量计为弯管流量计,输出功率可增加79 kW(取汽轮机进汽量D为68.8 t/h,汽轮机相对内效率ηi为0.62)。那么按全年运行8 100 h计,3台机组全年可多发电量162万kWh,按实际含税上网电价0.477元/kWh计算,每年可以增加公司利润66万元,多上缴国家增值税11万元,节能带来的经济效益也非常高。
(2)汽轮机抽(排)汽管道和供汽管道的孔板流量计换为弯管流量计,每年可多发电约450万kWh。汽轮机抽(排)汽管道、热网总出口和用户加装孔板流量计,表2总压力损失Δp约为0.07 MPa,造成抽汽压力p2由0.98MPa升高到1.05 MPa。由图3,蒸汽由点1(p1=3.43 MPa,t1=435℃)经可逆绝热膨胀至抽汽压力p2时,可利用的焓降为:(h1-h2)= 3 305 kJ/kg-2 962 kJ/kg= 343 kJ/kg而蒸汽由点1经可逆绝热膨胀至抽汽压力p′2时,可利用的焓降:h1-h′2= 3 305 kJ/kg-2 978 kJ/kg= 327 kJ/kg显然(h1-h2)>(h1-h′2),抽汽压力升高时蒸汽可作出功减少。将汽轮机抽排汽管道和供蒸汽管道的节流孔板全部更换为弯管传感器后,在维持用户参数不变的情况下,降低一些抽排汽压力即可满足要求,可使1号和2号抽凝机组的输出功率增加287 kW(取汽轮机高压段相对内效率ηi为0.7),3号背压机组的输出功率增加276 kW,3台机组全年可多发电约456万kWh,增加收入186万元,节能效果和经济效益非常显著。
2.2 扩大供热半径,增加远端热用户
根据2号热网实际运行情况,2007年度平均供汽量42.3 t/h,蒸汽的平均流速30.1 m/s,由此可推算每1 km管网的沿程阻力损失,再计算更换弯管流量计后供热半径的扩展情况。
蒸汽流动的雷诺数Re:
根据工业管道紊流状态下的沿程阻力损失的阻力系数λ通用公式:
可以求出阻力系数λ为0.013 18。每1 km的管网沿程阻力损失hf:
考虑整个管网弯头、膨胀节等处产生的局部阻力损失,结合实际运行情况取2号热网每1 km的总压损为76.3 kPa,可以得到距离L为0.90 km。将汽轮机抽汽管道和供蒸汽管道的孔板流量计全部更换为弯管流量计后,可减低压力损失68.35 kPa。在不改变汽轮机抽排汽参数和不影响用户段蒸汽品质的情况下,可以扩大2号热网供热半径约0.90 km,增加远端热用户,开拓供热市场,发挥设备潜力,提高热电比和燃料利用率,降低生产成本,获得良好的经济效益和社会效益。
同理,求出在同等条件下1号热网可以扩大供热半径0.76 km (平均供汽量46.1 t/h,平均流速32.8 m/s,管道内径360 mm),3号热网扩大供热半径0. 73 km (平均供汽量65. 8 t/h,平均流速36.1 m/s,管道内径410 mm)。
2.3 减小管道损失,挽回经济损失
公司的主要热用户是20多家漂染、染整企业,其中部分用户主要使用自配小锅炉供汽,并把公司的集中供热作为补充和调节,供热负荷的峰谷差很大,改造前峰负荷时流量超出孔板流量计的量程导致蒸汽少计,谷负荷以及在用户少量补充用汽时导致小流量蒸汽漏计,表现为管道损失的增加,例如2002年的管道损失达到10%,电厂经济流失很大。
弯管流量计可以测量的蒸汽流速范围达到5~120 m/s,特别在小流量测量中具有突出的优势,根据用户的用汽方式和负荷波动情况现场设置小流量切除信号值,可以避免峰负荷时少计量、峰谷负荷时漏计量,大大减少热电厂计量上的经济流失。采用弯管流量计后2007年的实际管道损失小于3%,为公司挽回巨额的经济损失。
2.4 减少维护量,降低维修费用
采用孔板流量计,为了保证测量精度每年要对进行一次检修以保证孔板入口边缘锐利,维护量大、维修费用高;并且孔板采用法兰连接,在蒸汽停送的切换中管道的热应力常常造成法兰处泄漏,不得不停运检修。弯管传感器采用焊接式安装且无插入件,不会产生泄漏,维修工作量几乎为零,差压变送器与温度、压力补偿及主机系统维护工作量也很少,可以完全避免停运检修造成的经济损失,几年来公司每年可节省20多万元的维护费用。
3 选型和安装使用中的注意事项
弯管流量计测量系统主要由弯管传感器、二次仪表、差压变送器、盘式冷凝器、压力变送器、温度组件、一次阀、三阀组、排污阀、导压阀和信号线等组成。其中ZWL型理智系列二次仪表动、静态补偿合理,除了可以采用实时对温度和压力进行补偿外,还可以对弯管传感器管径的热膨胀和空间安装状态进行修正,保证系统的测量准确度满足介质状态参数大范围动态变化的测量需要。
根据运行实践,为了保证弯管流量计测量系统的高准确度,在选型和安装使用中应注意以下事项。
3.1 合理选择弯管传感器口径
与其他流量计相比弯管流量计的小流量性能良好,不过考虑到配套差压变送器等设备的可靠工作范围限制,流量的测定还是存在着一个合理的下限;这是因为流速过低时弯管传感器产生的差压值较小,系统必须配置的高精度差压变送器,会导致流速增加时流体在管道内的阻力降增大。所以在选择弯管传感器口径时应根据现场实际流量要求,按照流体介质的最佳流速(如蒸汽流速为40~50 m/s)估算出合适的口径,再选择相近的弯管。若弯管传感器口径与管道通径不一致时,可采用大小头联接。
3.2 正确安装
在蒸汽测量系统中采用盘式冷凝器替代冷凝罐,可使弯管传感器实测差压值正确地传给差压变送器,保证弯管流量计测定的高精度和高稳定性。但是如果安装的正压侧冷凝器位置低于负压侧冷凝器1 mm就会产生约9.8 Pa的额外压差,如果不进行零点迁移调正,在小流量测量中误差就可能超过1.0%。因此,两个盘式冷凝器安装必须保证溢流口在同一水平面上,避免附加压差所引起的测量误差。正、负压侧盘式冷凝器调正到同一水平高度后固定在角钢上,可以避免因流量计管道与冷凝器导压管的膨胀不一致造成的测量误差。弯管传感器在冷态下进行差压零点迁移,可以消除因正、负压侧盘式冷凝器不在同一水平高度所产生的附加压力差带来的影响。迁移量必须小于二次仪表差压量程的5%,否则使用差压变送器迁移方法进行迁移。
3.3 准确设置仪表参数
在弯管流量计测量系统投运前,应认真检查二次仪表设定参数与现场实际一致,特别注意检查二次仪表设定的流量范围、差压变送器的量程范围、弯管传感器允许值等三者严格一致,避免由此引起的测量误差。另外,根据用户的最小用汽量,合理设置小信号切除值,可以避免发生漏计和多计现象,减少与用户的争议。
4 结束语
(1)多年的运行实践证明,弯管流量计具有其他流量计不可比拟的优点,例如无附加压力损失、精度高、重复性好、维护量极小以及适应恶劣环境等,并且结构简单、安装方便,对直管段要求不严格,因此在热电厂得到了推广应用。
(2)在相同进汽量的条件下,将4号锅炉出口、3台号机组进汽管道、汽轮机抽排汽管道和供蒸汽管道的孔板流量计更换为弯管流量计,仅从减少节流压力损失、增加发电量来计算,每年就可以增加发电618万kWh,增加公司利润252万元,多上缴国家增值税43万元,节能效益和经济效益显著。在同等条件下改用弯管流量计还可以扩大供热半径0.73~0.90 km,增加远端热用户。总之,改用弯管流量计,可以提高燃料利用率,降低生产成本,还可以节省维护费用,大幅度减小管道损失,获得良好的经济效益和社会效益。
(3)为保证弯管流量计的测量精度,应合理选择弯管传感器口径和配置差压变送器,正确安装以确保正、负压侧冷凝器的同一水平位置并进行差压零点迁移,准确设置二次仪表参数。
(4)弯管流量计是一种具有广阔应用前景的节能型计量仪表,值得大范围推广应用。
作者：吴剑恒1,陈文强1,赵晓晨2(1.福建省石狮热电有限责任公司,福建石狮362700; 2.河北理工大学智能仪器厂,河北唐山063000)
