1 前言
石狮热电公司的集中供热项目是国家级环保示范工业区———石狮市大堡工业区和伍堡工业区的重要配套基础设施，拥有2台35t/h和2台75t/h循环流化床锅炉，2台6MW抽凝汽轮发电机组和1台6MW背压汽轮发电机组。项目分期逐步建设，采用集中供热、热电联产的方式，通过2条Φ377mm×6mm和1条Φ426mm×8mm的供热管道，将压力0.6MPa、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。
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。上述几种流量计各有优点，但由于自身原理的限制，在实际应用中存在一定的缺陷。孔板维护困难，节流压损大，低压蒸汽时尤为明显；悬翼式流量计的精度较低，一般用于通径DN50及以下的管道上；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，且直管段要求太长；超声波流量计抗干扰能力差，精度等级不高，耐温、耐脏污性能还有待完善。因此，寻求一种在较恶劣现场环境条件下能稳定工作、计量准确、适应工况变化而且维护检定方便的流量计，成为石狮热电公司计量工作的当务之急。
2003年，弯管流量计开始在石狮热电公司试用，发现其具有无附加压力损失、精度高、重复性好等优点，可解决蒸汽流量计跑、冒、滴、漏的问题，取得了良好的效果，并在公司得到大面积推广应用。
本文简要介绍弯管流量计的工作原理，分析弯管流量计在石狮热电公司的应用效果及推广情况，计算由于减小节流压力损失所带来的节能经济效益及扩大供热半径情况，提出弯管流量计的选型及安装使用中应注意事项。
2 弯管流量计在热电厂的应用效果及节能分析
2.1 弯管流量计的基本原理
流体在管道中流动，经过管道转弯时由于受到弯曲管壁的导流作用，使流体在流进弯管时靠近弯管内侧的流体流速被增大，而靠近外侧流体的流速被减小，且在90°弯管的45°中心线附近内、外侧产生较大的差压值（见图1），该差压值的大小与流体流速、流体密度和弯管的结构等因素密切相关。当弯管结构参数等因素确定之后，流体的流量就是弯管内外侧差压值的唯一函数。这就是利用弯管进行流量测量的基本原理〔1-5〕。
图1 流体流过弯管的主流动图（速度、压力、旋涡）
弯管是管道系统中的重要部件之一，广泛应用在各种工业管线中。因此，以标准结构的弯管传感器取代工业管线的弯头是进行管道流体计量最直接最方便的测量方法。
2.2 弯管流量计在热电厂的应用效果
结合几年来弯管流量计在公司的运行实践情况，我们认为弯管流量计具有其它流量计不可比拟的优点〔2-5〕，主要表现以下几个方面。
（1）无附加阻力损失，节约能耗。弯管传感器是通过机床加工或用其他方式加工而成的几何结构尺寸精确的90°弯管，实质就是一个90°弯头，在弯头的内外侧取压，无任何插入件和节流件，所以仅有流体通过弯头时的微小损耗，而无附加损耗，可节省流体输送的动力消耗，降低运行费用，对于那些系统压力低、管径大、流量大的场合更具有特殊的意义。
（2）安装简单，直管段要求不严格。在实际流量测量工作中，只要用弯管传感器代替原来管道上的弯头即可。弯管流量计的安装就是安装1只90°弯头，在管道90°转弯处和直管道上均可，施工要求和安装普通弯头一样，与管道直接焊接。一般流量计的直管段要求是最少前10D后5D；而弯管流量计的直管段只要前5D后2D即可保证测量精度。
（3）量程比大，精度高，小流量性能好。弯管流量计的量程比达1∶10甚至更大，在流量波动较大的情况下有较大优势，并能满足双向测量要求。蒸汽流量计量中，弯管流量计测量范围为5～120m/s（推荐测量范围为10～85m/s），在测量流量范围及小流量测量中具有突出的优势。弯管流量计系统测量精度为1.0%，重现性高达0.2%，主机可对流体温度、压力（测量精度为0.2%）变化进行补偿运算，误差小于0.2%，测量准确度高，并具有长期高精度测量的稳定性，运行可靠。
（4）耐磨损，维护量小。基于弯管流量计测量原理，结合实际流量检定可知，磨损只是对弯管传感器口径产生微小变化，最终对于流量测量值影响很小〔1〕，因此无须定期检修。弯管传感器采用焊接式安装，彻底解决了蒸汽流量计跑、冒、滴、漏的问题，其使用寿命与工业管道等同，并且没有任何内插件，不存在定期吹除、拆装清洗等问题，既大大减少了维护工作量，又进一步降低了检修费用。
（5）耐高温、耐高压、抗振动性能好。弯管流量计和孔板流量计在较高的温度及压力下，均可常年稳定运行；但孔板流量计在较高的温度和压力下，孔板平面变形较大，需定期更换或维护，否则产生较大的误差；涡街流量计使用温度一般在300℃以下，在高温状态下长期运行稳定性能较差。弯管流量计和孔板流量计为差压式流量计，振动和冲击不影响其正常工作；涡街流量计测量的是频率信号，管道振动会作为一个频率信号附加在真实的流体涡旋频率信号上，造成测量值不真实、误差较大。
2.3 弯管流量计在热电厂的推广情况
鉴于弯管流量计在运行实践中所表现出的良好效果，石狮热电公司逐步推广应用弯管流量计，取代原有的孔板流量计、涡街流量计、探针流量计等。目前，公司已经将大部分管径超过80mm的流量计更换为弯管流量计，测量介质包含过热蒸汽、凝结水、软化除盐水等，详见表1。
2.4 弯管流量计的节能分析
（1）减小节流压力损失，在同等情况下可多发电。改造前，整个热力管网使用大量孔板流量计，节流件较多，节流压力偏大，造成蒸汽品质下降。为达到热用户的使用要求，公司要提高热管出口压力，即提高汽轮机一抽压力和背压排汽压力。而采用弯管流量计，没有这些节流压力损失，抽排汽压力低一些就能满足用户要求，节省下来的高压蒸汽可驱动汽轮机组发电。运行实践表明：抽排汽压力每降低0.05MPa，6MW抽凝机组高压段效率提高4.45%，6MW背压机组效率提高3185%，可大幅度降低运行成本。
（2）精度高，计量准，降低管道损失。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，以公司的集中供热为补充和调节。用户的生产性质和用汽方式导致供热负荷的峰谷差很大，峰负荷时超出孔板流量计量程而少计，谷负荷的小流量又计量不准而漏计，测量精度难以保证，致使管道损失偏大，其中2002年的管道损失达到10%。弯管流量计测量蒸汽的流速范围为5～120m/s，在测量流量范围及小流量测量中具有突出的优势，大大降低了管道损失。2007年的实际管道损失小于3%，为公司挽回巨额的经济损失。同时，准确计量为公司对外供热的生产经营经济核算发挥了很大作用。
（3）维护量很小，节省维修费用。基于孔板流量计的测量原理和数学模型要求〔6〕，为保证测量精度，每年要对孔板进行一次检修以保持孔板入口边缘锐利，维护工作量大，维修费用高。并且，孔板采用法兰连接，在蒸汽停、送过程中，由于管道热应力容易造成法兰处泄漏，不得不停运检修，在造成大量蒸汽浪费的同时也给正常生产经营带来许多麻烦。弯管传感器采用焊接式安装，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的维护量也很少。从弯管流量计几年来在我公司现场运行的实际来看，不仅大大减少检修人员维护工作量，每年可节省20多万元的维护费用，又避免了停机检修的经济损失。
（4）扩大供热半径，增加远端热用户。弯管传感器没有孔板那样的节流装置，无附加压力损失，在不改变汽轮机抽排汽参数、不影响用户段蒸汽品质的情况下可以扩大供热半径，开拓供热市场，增加远端热用户，发挥设备潜力，提高热电比和燃料利用系数，降低生产成本。
2.5 弯管流量计的节能计算
改造前，为了监测计量和贸易结算需要，公司大量使用孔板流量计，其中部分典型孔板流量计技术参数见表2。孔板流量计作为一种历史悠久的计量仪表具有许多优点，但存在节流压力损失大、量程比小、小流量计量误差大、维护困难等缺陷，已难以满足公司生产经营的技术要求，特将大部分管径超过80mm的孔板流量计更换为弯管流量计。
公司2007年度实际结算供汽量为1280kt，供汽时间8300h，平均供汽量为15412t/h。同时，综合考虑3台高加和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8100h，3号背压式汽轮机的平均排汽量85.6t/h，1号和2号抽凝式汽轮机的一抽抽汽量为48.2t/h。根据以上数据和表1、表2的数据，计算将孔板流量计更换为弯管流量计给公司带来的节能效益，以及计算在热网出口参数不变的情况下可以扩大的供热半径。
（1）4号锅炉出口、3号汽轮机进口的孔板流量计更换为弯管流量计的节能效益
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、t1及节流后的压力p1′，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、t1）经可逆绝热膨胀至点2（背压排汽p2、t2）时，可利用的焓降为（h1-h2）；而经节流后的蒸汽同样经可逆绝热膨胀至压力p2时，可利用的焓降为（h1′-h2′）。显然（h1-h2）>（h1′-h2′），节流后蒸汽的可作出功减少。
据表2，锅炉出口孔板压力损失为49.563kPa，汽轮机进汽孔板压力损失为53.741kPa，两道孔板的节流压力损失△p为103.304kPa。根据文献〔6〕和图2，可知节流前、后的各状态参数：①无节流件时，汽轮机进汽参数p1=3.43MPa、t1=435℃，查得h1=3305.0385kJ/kg、s1=6.9703kJ/（kg•K）；②节流后的进汽参数p1′=3.43-0.103304=3.326696MPa、h1′=h1，查得t1′=434.348℃、s1′=6.9839kJ/（kg•K）；③节流前的背压排汽参数p2=0.98MPa、s2=s1，查得h2=2961.6976kJ/kg、t2=258.077℃；④节流后的背压排汽参数p2′=p2、s2′=s1′，查得h2′=2968.9447kJ/kg、t2=261.367℃。
图2 汽轮机主蒸汽节流对汽轮机功率影响
根据汽轮机组的功率计算公式〔6〕，可以得出节流压力损失导致汽轮机功率降低值PX：
式中 D———背压汽轮机组蒸汽流量，D=85600kg/h；
ηi———背压汽轮机相对内效率，ηi=84%；
ηm———汽轮机机械效率，ηm=9815%；
ηg———管道效率，ηg=99%；
ηf———发电机效率，ηf=98%。
3号汽轮机进汽前两道孔板流量计的节流损失造成蒸汽品质下降，每小时使汽轮机组少发电141.62kW。用弯管流量计取代孔板流量计后，在其他参数不变的情况下，可使3号汽轮机进汽初压提高103.304kPa，将浪费的能源完全节省下来，节能效果显著。
同理，在同等条件下，仅从减少蒸汽热能损失、增加发电量来计算，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，每小时可多发电103.24kW（取汽轮机组蒸汽流量D为68800kg/h，汽轮机相对内效率ηi为78%）。那么，3台机组全年可多发电量（141.62+103.24）kW×8100h=1983366kWh，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808603.06元，多上缴国家增值税金137462.52元，节能经济效益是非常明显的。
（2）汽轮机抽（排）汽管道和供蒸汽管道的孔板流量计换为弯管流量计的节能效益
汽轮机抽（排）汽管道、热网总出口和用户加装孔板流量计，根据表2可求出总压力损失△p为68.345kPa，造成抽汽压力由p2=0.98MPa升高到p2′=0.98+0.068345=1.048345MPa。由图3和文献6可知，蒸汽由点1（p1=3.43MPa、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）=3305.0385-2961.6976=343.3409kJ/kg；而蒸汽由点1经可逆绝热膨胀至抽汽压力p2′时，可利用的焓降（h1-h2′）=3305.0385-2977.8041=327.2344kJ/kg，显然（h1-h2）>（h1-h2′），抽汽压力升高时蒸汽可作出功减少。
图3 汽轮机抽（排）汽节流对功率的影响
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，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号抽凝机组每小时多发电362.71kW（取汽轮机高压段相对内效率ηi为88%），3号背压机组每小时可多发电314.75kW，3台机组全年可多发电5487426kWh，增加公司利润2237181.34元，多缴国家增值税金4380320.83元，节能效果显著。
（3）可扩大的供热半径
根据2号热网实际运行情况，2007年度平均供汽量42.3t/h，计算出平均流速v=30.1m/s，则可推算每公里管网的沿程阻力损失，再计算出更换弯管流量计减低节流压力损失后供热半径的扩展情况〔6〕。
求雷诺数Re：
式中 Dn———热网管道内径，Dn=360mm；
v———蒸汽平均流速，v=30.1m/s；
ρ———蒸汽密度，ρ=3.8345kg/m3；
μ———流体粘度，μg =0.02×10-3N•s/m2。
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：
式中 ks———管道内壁粗糙度，对于钢管，ks=0.045mm。
求出λ=0.01318。
每公里管网沿程阻力损失hf
考虑整个管网弯头、膨胀节等处产生的局部阻力损失，结合热网管道实际运行情况，取2号热网每公里总压损为76.31kPa。
用弯管传感器代替节流孔板后，可使外网半径扩展距离L为
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68.345kPa。在不改变汽轮机抽排汽参数、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0.8956km，增加远端热用户，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，求出在同等条件下可以扩大1号热网供热半径0.7556km（平均供汽量4611t/h，平均流速32.82m/s，管道内径360mm），扩大3号热网供热半径0.7322km（平均供汽量65.8t/h，平均流速36.11m/s，管道内径410mm）。
3 弯管流量计在选型、安装和使用中的注意事项〔3-5〕
3.1 合理选择弯管传感器口径和安装位置
任何流量计均存在着小流量问题。虽然相对其他流量计，弯管流量计的小流量性能良好，但考虑到配套差压变送器等设备的可靠工作范围，依然存在着一个下限指标。并且，热用户考虑到企业发展的远景规划，所申报的用汽量一般都偏高很多，与实际用汽量严重不符。所以，选择弯管传感器时，应根据热用户的实际流量，按照流体介质的最佳流速（如估算出合适的口径，再选择相近的弯管。为此，列出常用弯管流量计及其对应流量范围（见表3），建议选择中间最佳范围对应的传感器。若弯管传感器口径与管道通径不一致时，应采用大小头联接。因为，在测量过程中，流速过低时弯管传感器产生的差压值较小（蒸汽流速为10m/s时差压值为150Pa），须配置高精度差压变送器；流速过高时流量在管道内的阻力降增大（蒸汽流速为85m/s时差压值为10600Pa），运行不经济。
从理论讲弯管传感器可以实现空间任意状态安装，但实际应用中空间任意状态的安装是不提倡的，主要原因是不易修正弯管内外侧取压点高差，从而造成测量结果的不准确。根据多年的应用现场经验，对测量蒸汽介质，首选水平转水平的安装方式；对检测脏污、含水量大的气体，则不宜选择垂直向下转水平和水平转垂直向上的安装方式，因为这种安装方式容易使介质中的杂质或水积存在水平管道影响差压信号的准确检测。
3.2 合理配置差压变送器
弯管流量计是利用介质在管道内自然流动产生的惯性离心力原理而进行流量测量，所产生的差压较低，一般在3000Pa左右。弯管流量计测量系统的精度及维护量的大小关键在于能否合理的选择使用差压变送器。为此，必须选择准确度高、零漂小、性能稳定的差压变送器与其配套，推荐使用1151型、罗斯蒙特、霍尼威尔、EJA等精度优于0.5级的差压变送器。
高质量、高精度的差压变送器并不是获得稳定、准确流量测量值的唯一必备条件，正确地确定差压变送器的量程范围是保证系统测量准确度的另一个重要条件。虽然弯管传感器在流量测量过程中对流量范围的适应性非常好，可在相当大的流量变化范围内保证弯管传感器所产生的差压值和实际的介质流量值之间具有稳定的、准确的一一对应关系。并且，厂家允诺10：1的量程范围对于大多数用户来说，完全可以满足使用要求。但是，在实际使用过程中，当流量的测量范围达到10∶1时，其配套的差压变送器量程变化范围将达到100∶1。在小流量测量时，由于差压变送器误差引起的系统误差，将难以保证系统测量不确定度能控制在±110%以内。因此，差压变送器的量程范围在很大程度上决定了系统测量准确度的高低。
3.3 正确安装，避免由于系统安装造成附加压差所引起的测量误差
在蒸汽测量系统中，采用盘式冷凝器替代传统的冷凝罐，可使弯管传感器实测差压值毫无误差地传给差压变送器，从而保证弯管流量计的高精度和高稳定性〔5〕。
但是，必须保证两个盘式冷凝器的溢流口在同一水平面上。蒸汽流量测量中的导压介质为水，1mm水柱产生的压力约为9.8Pa。这对于孔板流量计（产生的压差为10～100kPa）影响较小，但对于弯管流量计在小流量测量中则可能产生较大的影响。例如某用户差压变送器量程为7000Pa，在安装中正压侧冷凝器低于负压侧冷凝器8mm，若近似认为导压管中水温等于室温20℃，则导压管中冷凝水的密度为998.3kg/m3，8mm水柱相当于78.53Pa，通过简单计算可得各个测量点误差，如表4。
由此可见，安装不规范所造成的系统误差不可小视。对此，我公司采取的措施是，规范安装过程，严格要求正、负压侧冷凝器的同一水平位置，然后用角钢作为支撑，将冷凝器固定在角钢上，这样避免了流量计管道、冷凝器导压管膨胀不一致等因素所造成的测量误差。同时，在弯管传感器冷态下，进行差压零点迁移，以消除正、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%，否则采用差压变送器迁移方法进行迁移。
3.4 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。若配套使用ZWL系列弯管流量计及其二次仪表，可以根据实际情况修改流量范围等内部设定值，使之满足实际流量超过最大量程或低于最小流量的要求。因此，在实际使用时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。
根据用户的最小用汽量，合理设置小信号切除值，以减少与用户的争议。小信号切除值取值过大，正常测量中会出现小流量无显示；取值过小，在管道中无流量流动时，可能因差压变送器零点漂移，显示小流量。
4 结束语
（1）多年的运行实践证明，弯管流量计具有其它流量计不可比拟的优点，如无附加压力损失、精度高、重复性好、小流量性能好、耐磨损、免维护、抗干扰能力强等，并且安装简单，直管段要求不严格，在热电厂得到推广应用。
（2）在相同进汽量的条件下，仅从减少压力损失、增加发电量来计算，更换4号锅炉出口和3台号机组进汽管道的孔板流量计为弯管流量计，每年使3台机组多发电1983366kWh；将汽轮机抽汽管道和供蒸汽管道的节流孔板全部更换为弯管，在维持用户参数不变的情况下，3台机组全年可多发电5487426kWh。合计每年可使3台机组多发电7470792kWh，增加公司利润3045784.43元，多缴国家增值税517783.35元，节能效果显著!
（3）用弯管流量计取代孔板流量计后，在不改变汽轮机抽排汽参数、不影响用户段蒸汽品质的情况下，可扩大供热半径0.7322～0.8956km，增加远端热用户，降低生产成本；在大幅度减少维护工作量的同时，每年还可节省20多万元的维护费用；并且，弯管流量计在测量流量范围及小流量测量中具有突出的优势，可避免了峰负荷时少计量、峰谷负荷时漏计量的情况，大大降低了管道损失，为公司挽回巨额的经济损失。
（4）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，并配置适当的差压变送器；选择最佳的安装方式，务必确保正、负压侧冷凝器的同一水平位置；并注意检查二次仪表设定参数与现场实际一致，避免由于这些因素引起的测量误差。
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