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渦街流量計

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針對渦街流量計及其他流量計的能耗進行分析論證

來源:作者:發表時間:2020-04-22【】

 摘 要: 爲了分析常用流量計的能耗,理論推導了常用流量計能耗的計算公式,並結合實際工程數據進行了計算。計 算結果表明,標準孔板和標準噴嘴流量計的能耗好大,且能耗隨着直徑比的增大而降低;渦街流量計和電磁流量計的能 耗次之;超聲波流量計的能耗好低。因此在保證精度的前提下,採用無節流、阻流元件的流量計具有較好的經濟效益。

 
引言
      流量計量是工業和市政系統中比較重要的系統, 是貿易結算和效益分析的重要依據。對於 DN400 mm及以上管徑來說,常用的流量計有差壓式流量計 (例如孔板流量計、噴嘴流量計等)、渦街流量計、電磁流 量計以及超聲波流量計等。 通常,設計單位和建設單位在選擇流量計時主要考慮計量的精度、精度標定的方便程度、表計的初期 投資和表計的可靠性等因素,一般對錶計的能耗不會 做太多的分析。本文就常用流量計的能耗進行了分析 論證。流量計量儀表的能耗主要體現在以下兩個方面, 即因儀表的節流導致的機械損失和儀表的電損失[1]。兩 者之和可以作爲流量儀表的總能耗。
 
 1 常用流量計介紹
1.1 差壓式流量計 
 
      差壓式流量計是根據安裝於管道中流量檢測件產 生的差壓、已知的流體條件和檢測件與管道的幾何尺 寸來計算流量的儀表。差壓式流量計由一次裝置 (檢測件) 和二次裝置 (差壓轉換和流量顯示儀表) 組成。 差壓式流量計是一類應用好廣泛的流量計,在各類流 量儀表中其使用量居首位。 檢測件又可按其標準化程度分爲兩大類,即標準檢測件和非標準檢測件。其中,標準孔板一般在工程中 採用得好多。
1.2 渦街流量計 
      渦街流量計是根據卡門 (Karman) 渦街原理研究生產的。它的特點是壓力損失小、量程大、精度高,在 測量工況體積流量時幾乎不受流體密度、壓力、溫度、 黏度等參數的影響。
1.3 電磁流量計 
      電磁流量計是根據法拉第電磁感應定律製成的一 種測量導電性液體的儀表。它的特點爲測量通道是一 段光滑的直管,不會阻塞、不產生壓力損失,節能效果 好;流量大,口徑寬。
1.4 超聲波流量計 
      超聲流量計是通過檢測流體流動對超聲束 (或超聲 脈衝) 的作用以測量流量的儀表。超聲流量計屬無阻礙 流量計,是解決流量測量困難問題的一類流量計,特別 是在大口徑流量測量方面,有較突出的優點。近年來, 超聲流量計是發展迅速的流量計之一。
 
 2 常用流量計的壓力損失
2.1 差壓式流量計的壓力損失
      根據 GB/T 2624.2—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 第 2 部分:孔板 和GB/T 2624.2—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 第 3 部分:噴嘴和文丘裏噴嘴[2- 3],標準孔板及噴嘴的壓損公式爲:
標準孔板及噴嘴的壓損公式標準孔板及噴嘴的壓損公式2-6
      式(1)~(6)中,Δω 爲孔板及噴嘴的壓力損失,Pa;K 爲 孔板及噴嘴的壓力損失係數;ρ1 爲流體的密度,kg/m3; v 爲流體的流速,m/s;β 爲直徑比;C 爲流出係數;ReD 爲根據管道直徑 D 計算出的雷諾數;A 爲由管道雷
 
      諾數和直徑比確定的管道係數;L1 爲孔板上遊端面到 上遊取壓口的距離 l1 除以管道直徑 D 得出的商;M2' 爲 位置係數;L2' 爲孔板下遊端面到下遊取壓口的距離 l2' 除以管道直徑 D 得出的商。 對於不同的取壓方式,L1 與 L2' 的取值如下:對於 角接取壓口,L1=L2'=0;對於 D 和 D/2 取壓口,L1=1, L2'=0.47;對於法蘭取壓口,上遊端面到上遊取壓口計算公式
 
2.2 渦街流量計的壓力損失
      根據 JB/T 9249—2015 渦街流量傳感器[4],可推導 出渦街流量計壓力損失公式爲:
渦街流量計壓力損失公式
 
      式(7)中,δp 爲yongjiu壓力損失,Pa;CD 爲流體阻力系數, 一般取 2.4;ρ爲流體密度,kg/m3;U爲平均流速,m/s。
 
2.3 其他流量計的壓力損失 
      電磁流量計和超聲波流量計均無節流元件,其壓 力損失約爲 0 Pa。 
 
3 常用流量計機械功率損失 
      流量計的機械功率損失由式(8)確定:
流量計的機械功率損失
 
      式(8)中,ΔN表計爲流量計的機械功率損失,kW;Q 爲體 積流量,m3/h。 
      摺合到電機處的功率損失爲:
摺合到電機處的功率損失
      式(9)中,ΔN折電機爲摺合到電機處的功率損失,kW;η 爲水泵效率 η1 與電機效率 η2 之積。 
 
4 常用流量計的直接電耗 
      通過查各類流量計的樣本,可得各種流量計的用電功率如表 1 所示。
常用流量計的用電功率統計表
5 標準孔板能耗的定量計算
      下面以山東省城鄉規劃設計研究院 2018 年市政施 工圖設計項目中的一個設計實例來分析各種流量計的 能耗。該項目爲山東省濰坊市一供水公司供水管道項 目,工程條件爲:供回水壓力 1.6 MPa、1.1 MPa,設 計流量 1 200 t/h,常用流量 1 000 t/h。流量計主要設
計參數如表 2 所示。
流量計主要設計參數表
      將以上參數代入本文的公式中並按照規範規定的 直徑比優選值 0.44、0.52、0.57、0.62,可計算得出不 同直徑比下孔板和噴嘴的機械能耗一致。表 3 爲含有 節流元件的流量計機械功率損失表。
含有節流元件的流量計機械功率損失表
      以 1 a 計算,電價 0.690 9 元/(kW·h),每年表計產生的能耗及費用如表 4 所示。
能耗與費用計算表
 
6、結語
      上述計算和分析表明,標準孔板和標準噴嘴流量 計的能耗好大,且能耗隨着直徑比的增大而降低;渦街流量計和電磁流量計的能耗次之;超聲波流量計的 能耗好低。含有節流元件的流量計由於存在壓力損失, 所導致的用電量和用電費用的增加是相當可觀的。 流量計的節能對供水企業降低運營成本,提高生產效益具有重要的意義。建設資源節約型社會對節能有更高的需求。如何實現流量測量儀表節能和降耗是值得業內人士思考的問題。爲儘量減少能耗及由此產 生的費用,應當在保證精度的前提下採用無節流、阻 流元件的流量計,同時在工程中應將節能作爲選擇流 量計的重要依據。
 
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