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 流量儀表在實現有效計量的同時，也會造成能量損耗。科學選擇流量儀表，以有效解決準確計量與計量儀表耗能這一矛盾，是做好能源計量的重要工作。經過理論分析和實踐總結，筆者認為，在氣體流量測量中以彎管流量計替代常見的孔板式差壓流量測量裝置，既能準確測量氣體的流量，又可免除孔板節流裝置的壓損，達到節能的效果。

    一、彎管流量計的測量原理和節能原理

    1. 彎管流量計的測量原理

    理論研究和大量的實驗研究表明：流體在流經彎管時，由于彎曲管壁的導流作用，使流體在流經彎管時其內側流速會逐漸增大，而外側流速卻逐漸減小，這就形成了各個過流斷面的近似梯形速度分布，且這種梯形速度分布狀態在彎管45°截面處達到極限狀態。彎管45°截面各質點流速分布如圖1所示。

    由于流體流經彎管流量計過程的復雜性，致使不可能用通常的理論方法推導出一個簡單的數學表達式，而只能借助于量綱分析的方法建立一個涵蓋全部可能影響因素而形式上復雜的數學表達式。根據量綱分析原理：流過彎管流量計流體的平均流速與彎管內、外側壓力差Δp的關系可以用歐拉數Eu表示：

    式中：Re———雷諾數；Fr———費勞德數；Ma———馬赫數；R/D———彎徑比；L₁、L₂———前后直管長度；λ₁、
λ₂———外側取壓孔位置；λ₃、λ₄———內側取壓孔位置；Δ———管道內壁粗糙度；β₁、β₂———前后直管段與彎管的夾角；D———管道的公稱內徑。

    根據歐拉數Eu的定義，式（2）可以進一步改寫為

    式（3）建立了流體流過彎管流量計的工作原理表達式，根據歐拉數Eu的定義，彎管流量計工作原理可以表述為：流過彎管流量計的流體動能與彎管內外側的壓力差（Δp）具有比例關系。其比例系數（流量系數）α是雷諾數、費勞德數、馬赫數、彎徑比、前后直管段長度、取壓孔（內、外側）位置、直管段與彎管的連接角度，以及彎管內表面的粗糙度等影響因素的函數。

    式（4）給出了理論流量系數α的函數表達式，對于該系數的確定可以通過求解包含相關影響因素的納維-斯托克斯微分方程確定。

    2. 彎管流量計的節能原理

    對于火力發電企業，彎管流量計取代孔板節流裝置是否具有節能效果，可以通過發電機組的汽輪機功率間接計算。

    孔板的節流會使蒸汽壓力降低，意味著做功能力減小，造成不可恢復的能量損失。孔板產生的壓力損失通常根據式（5）計算：

    式中：β———節流件直徑比；ΔP———節流孔板差壓值，kPa。

    發電機組的汽輪機功率Pi的計算：

    式中：D———汽輪機組蒸汽流量；h₀———進汽機蒸汽焓值；h_h———供熱蒸汽焓值；η_i———汽輪機相對內效率（約為82%）；η_m———汽輪機機械效率（約為98%）；η_g———發電機效率（約為98%）。

    初始參數（入口蒸汽參數）p₁、T₁、h₁和抽汽參數p₂、T₂、h₂直接影響汽輪機的功率。

    電廠為了監測和計量需要，通常在鍋爐出口和汽輪機入口的管道上加裝節流孔板，造成初壓p₁降低；在汽輪機外供蒸汽總管加裝節流孔板，造成供熱總出口蒸汽壓力p₂升高，這兩個參數的變化均會造成汽輪機有效發電功率的降低。

    而彎管流量計是安裝在管道轉彎處，取代現有的彎頭的，沒有增加新的阻力，因此在使用中不會使蒸汽品質下降。如用彎管流量計替代孔板節流裝置，在鍋爐出口壓力不變的情況下，將提高汽輪機初壓p₁并降低供熱總出口壓力p₂，從而提高汽輪機發電效率，減少節流元件帶來的能量損耗，達到節能的目的。

    二、彎管流量計系數的實流標定

    評價彎管流量計替代孔板的實際效果，首先要保證彎管流量計替代孔板后計量準確度不下降。筆者在此次驗證實驗中，采用測量不確定度為0.25%（k=2）的常壓臨界流音速噴嘴標準裝置，用空氣作為檢測介質，對出廠編號分別為JZ123和JZ124的兩只DN200的彎管流量計計量裝置（由彎管流量傳感器、流量積算儀以及溫度和差壓變送器組成的測量系統）進行流量計系數實流標定。其中，編號為JZ123的彎管流量計計量裝置的檢定結果如表1所示。

    由表1數據可以得出如下結論：經過精密加工的彎管流量計計量裝置的計量特性穩定可靠，通過實流標定確定彎管流量計的流量系數，彎管流量計可以在較寬的流量測量范圍內達到1.5%的準確度，在計量特性方面*可以替代傳統的孔板式差壓流量計。

    三、節能效益實例分析

    下面結合南京新蘇熱電廠蒸汽測量系統的技改實例，分析彎管流量計取代孔板流量計的節能效果。該廠共2爐1機，通常1爐1機運行，鍋爐出口和汽輪機進汽入口均安裝的是孔板流量計。當1#爐運行時，鍋爐出口蒸汽流過孔板、閥門等阻流件到達汽機入口，壓力降低2kg；2#爐運行時，壓力降低更是降低了3kg，造成汽機入口壓力始終低于設計值0.8kg左右。他們急需解決2#爐運行壓損過大的問題，原來計劃擴大管徑，但投資較大。后來決定淘汰產生壓損的主要部件———兩臺孔板流量計。該廠2#爐進行技改前的相關參數如表2、表3所示。

    1. 阻力損失

    以上參數為流量計計算書中的真實數據，根據式（1）可以算出常用流量為75t/h時2#爐和汽輪機兩道孔板產生的壓力分別為55.9kPa、54.4kPa，總壓損高達110.3kPa。為了蒸汽計量而造成如此高的能量損失，會使汽輪機少發很多電，這是一筆不小的長期性的能源浪費。

    2. 節能計算

    蒸汽流經鍋爐出口和汽輪機入口的節流孔板是一個絕熱節流過程，蒸汽焓值不變。汽輪機功率的變化可以用莫里爾焓熵圖進行計算（見圖2，h為焓值，s為熵）。已知節流前的狀態P₁、t₁及節流后的壓力P₁′，根據節流前后焓值相等的特點，可在h-s圖上確定節流后的各狀態參數。如圖2所示，點1的參數是P₁、t₁及h₁，在圖2上過點1按定焓畫水平線與P₁′相交得1′，即可得節流后的參數。汽輪機的做功為可逆絕熱膨脹過程（即等熵過程），水蒸氣在節流前由點1經可逆絕熱膨脹至抽汽壓力P₂時，可利用的焓降為h₁-h₂，而經節流后的水蒸氣，同樣經可逆絕熱膨脹至壓力P₂時，可利用的焓降為h₁′-h₂′，顯然h₁-h₂>h₁′-h₂′，節流以后蒸汽可做功減少。

    （1）無節流件時汽輪機入口壓力將提高0.1103MPa，初參數P₀＝（3.38+0.1103）=3.4903MPa，T₀＝437℃，根據工程熱力學，可計算出h₀＝3305.185kJ/kg，s₀=6.95348。

    （2）加節流后初參數P₀′＝3.38MPa，由圖2查得h₀′=h₀，求得s₀=6.96756。

    （3）節流前供熱抽汽壓力P_h＝0.7MPa，s_h=s₀，則h_h＝2893.8458kJ/kg。

    （4）節流后抽汽參數P_h′=P_h＝0.7MPa，s_h′=s₀′，由圖2查得h_h′＝2900.8642kJ/kg。

    由式（2）計算出汽輪機功率下降值P_x為

    汽輪機前兩道孔板節流所產生的能量損失使得汽輪機每小時少發電115.15kW·h，按通常每千瓦時電0.4元上網電價計算，為46.06元/h。考慮全年330天運行，則少發電合人民幣46.06×24×330＝36.48萬元。用彎管流量計替代孔板，可以實現增收36.48萬元/年，節能效果非常明顯。彎管流量計使用3個月節能的錢即可將整套流量計設備技術改造投資全部收回。如果同時考慮節能帶來的環保效益和彎管耐磨損（計量特性穩定）、無跑冒滴漏等優點，則優勢更加明顯。

    3. 改造前后數據對比

    （1）2＃爐改造前相關數據如表4所示。

    由2#爐技改實施前后的實際對比數據（見表4、表5）可知，技改前2#爐主汽管70t/h流量經過兩套孔板流量計進汽機時，總壓降平均為0.3MPa，包括孔板壓力損失、管道沿程阻力損失、局部阻力損失。改造后，總壓降為0.2MPa，壓力損失減少0.1MPa。通過對2#爐主蒸汽流量與進水流量、汽機入口流量的對比，也進一步驗證了彎管流量計在1∶5的量程范圍內的準確度可達到1.5%，計量性能優于原孔板流量計，*蒸汽流量測量的準確度要求。

    四、研究結論

    以上從理論、實驗到現場實際應用等方面對彎管流量計性能作了綜合闡述，由實流標定實驗可以看出，彎管流量計準確度高、性能穩定，*工業應用條件；現場應用前后的對比數據則充分展示了無壓力損失的節能效果，在當前能源日趨緊張的情況下具有重要意義，值得在熱電等行業大力推廣應用。