V錐流量計在城市燃氣測量中的應用

摘 要

摘要：本文對應用于城市燃氣測量中的V錐流量計進行調查、研究、分析和總結，并舉出具體應用實例，對這種新興流量計在城市節(jié)能降耗、減量減排的作用進行展望。關鍵詞：V錐流量計；城市
摘要：本文對應用于城市燃氣測量中的V錐流量計進行調查、研究、分析和總結，并舉出具體應用實例，對這種新興流量計在城市節(jié)能降耗、減量減排的作用進行展望。
關鍵詞：V錐流量計；城市燃氣；測量
1 概述
    隨著全球經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源消耗大幅增加，城市燃氣計量是能源計量的重要組成部分，正確的計量能夠促進企業(yè)對資源的節(jié)能降耗、減量減排，有利于發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、建設節(jié)約型社會，為整個社會的經(jīng)濟發(fā)展打好基礎，實現(xiàn)全社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。燃氣計量準確與否是售氣方與客戶的貿易結算關鍵，因此，在城市燃氣測量中對計量儀表的準確性要求越來越高。
    V錐流量計源于美國McCROMETER公司，是一種新型差壓式流量儀表。V錐流量計以其獨特的邊壁逐步收縮節(jié)流方式，改變了傳統(tǒng)節(jié)流裝置的缺點。為此，我們對應用于城市燃氣測量領域的V錐流量計進行分析和總結。
2 V錐流量計工作原理
    其工作原理是經(jīng)典的密閉管道中能量守恒原理和流動連續(xù)性原理。V錐流量計具有自整流、自清洗、自保護功能；直管段要求短，無積污、無堵塞；錐體后端高頻低幅的小噪聲使測量下限相對很低，從而使量程比較寬；壓損低。
流體流經(jīng)一個收縮(節(jié)流)件時將被加速，這種流體的加速使它的動能增加，而同時按照能量守恒定律，在流體被加速處它的靜壓力一定會降低一個相對應的值。在一個封閉的系統(tǒng)中，流體的總能量是一個常數(shù)。如圖1。
根據(jù)伯努利方程(能量守恒定律)和流體流動連續(xù)性方程，得出V錐流量計實際流量公式：
 
    式中：
    ε——被測介質的可膨脹性系數(shù)，氣體、蒸氣等可壓縮流體ε＜1；
   qv——流體的體積流量，[m3/h]；
   d——工作狀況下V錐流量計的等效開孔直徑，[m]；
    △P——差壓，△P=P1-P2，[Pa]；
    ρ1——工作狀況下，V錐上游處流體的密度，[kg/m3]；
C——流出系數(shù)，C的典型數(shù)值是0.75～0.85，無量綱；
β——直徑比，無量綱，β=d/D。
流出系數(shù)通常是在制造廠的標準裝置上或在可溯源至國家基準的獨立實驗室中進行校準。當雷諾數(shù)Re等于或大于8000時，V錐流量計的重復性一般為0.1%。一臺V錐流量計由V錐節(jié)流裝置、差壓信號管線、三閥組組件、差壓變送器及流量計算及顯示儀組成，其整機示意圖如圖2所示。
 

3 具體應用
3.1 焦爐煤氣的流量測量
    焦爐煤氣是被用來作為軋鋼廠中窯爐的主要燃料。由于生產(chǎn)工藝等各種原因，焦爐煤氣中含有水分、焦油、工業(yè)萘等臟污，極易在管道及常用流量檢測元件的內表面上有固體物質積結，造成管路直徑比B值的改變，取壓孔也會被堵塞，使得對焦爐煤氣的流量測量變得困難。而V錐流量計由于其獨特的內部結構，在錐體上游產(chǎn)生一個壓力區(qū)間，錐體自身周圍及其下游產(chǎn)生一個受控制的紊流區(qū)，從而阻止污物的形成與積結，使得高壓和低壓測量孔始終保持清潔而不被污物堵塞。我們選用一臺DN150的V錐流量計，連續(xù)使用3個月之后發(fā)現(xiàn)以上兩個問題得以解決：①固體物質的積結和由此造成的13比值的改變；②差壓測量取壓孔的堵塞。V錐流量計持續(xù)正常工作，不受氣體中臟污物的影響，從而能提供焦爐煤氣的準確流量數(shù)據(jù)。以下是某天對鋼廠焦爐煤氣流量測量的數(shù)據(jù)。
    流體溫度：tmin=35℃；t工況=45℃；tmax=60℃；
    管道中壓力：Pmin=101333Pa，
    P工況=101335Pa，Pmax=101336Pa；
    V錐流量計顯示氣體流量：Qmin=80Nm3/h，
    Q工況=300Nm3/h，Qmax=743Nm3/h。
3.2 天然氣的流量測量
    大量的實踐證明，流量儀表的準確度不僅取決于儀表本身，還取決于其當時的使用條件。在直管段長度不足的情況下，V錐流量計由于環(huán)形通道的整流作用，準確度優(yōu)于經(jīng)典式節(jié)流裝置及其它速度式流量計。
    在濟南市天然氣南外環(huán)1#管線上，原使用孔板流量計對天然氣流量進行計量，但時有客戶與售氣方的計量糾紛。后選聯(lián)1臺經(jīng)過第三方(法定計量授權單位山東省計量院)檢定過的DNl50口徑、0.5級V錐流量計，對孔板流量計進行更換，經(jīng)過3個月的運行，該V錐流量計運行穩(wěn)定，售氣方與客戶貿易結算無異議。其后在我市天然氣南外環(huán)三條管道及北外環(huán)三條管道上同時進行更換，將渦街流量計更換為V錐流量計，經(jīng)過近一年的運行，無信號不穩(wěn)定現(xiàn)象，對溫度、壓力進行補償后，儀表的示值與工藝計算的理論值基本吻合。
3.3 節(jié)能實例
    高爐燃氣，管道內徑：702.4mm；工作壓力：12kPa；溫度：70℃；氣壓：98.39kPa；工作密度：1.0326kg/m3；常用流量25000m3/h；孔板和V錐流量計取相同的β=0.6955，計算結果如下：
    在常用流量下孔板的壓力損失為：1.894kPa，V錐流量計的壓力損失為：0.479kPa?？装灞萔錐流量計的永久壓力損失大1.415kPa，在輸送同樣的流量條件下每小時多耗能12.283kw/h。按照工業(yè)電能費0.8元/(kw.h)，每年按工作330天計算，僅一套孔板流量計將比V錐流量計每年多支出電費：
    0.8(元)×12.283(kw/h)×24(h)×330(d)=7.78萬元
    通過以上計算可以看出，不同類型的儀表會有很大的區(qū)別，V錐流量計的節(jié)能效果是明顯的，使用節(jié)能的流量儀表不但為企業(yè)本身創(chuàng)造了利潤，也符合國家倡導的節(jié)能減排的產(chǎn)業(yè)政策。
4 前景展望
    V錐流量計由于其自整流、自清潔、對直管段要求低等特點，使得其在流體計量中得以應用。V錐流量計適用范圍廣闊，可測高溫高壓介質，也可以在低靜壓、低流速的流體中實現(xiàn)有效的流量測量，適合于測量各種流體，氣體、蒸汽、液體和各種混合流體等。V錐流量計在美國已應用于石油、化工、油田、天然氣、熱力管網(wǎng)、環(huán)保、食品、航空航天等行業(yè)，但我國目前尚無V錐流量計的國家標準或行業(yè)標準，因此，需要將國外技術、標準轉化為我國技術和標準，并制定相應的國家計量檢定規(guī)程。
    “十五”期間我國四大世紀工程實施和啟動，大力改善環(huán)境，是我國社會發(fā)展的重要任務之一，其中西氣東輸工程、環(huán)保系統(tǒng)工程都需要配套大量的儀器儀表?？梢灶A計，隨著人們對V錐流量計不斷深入的了解，國內用戶大量使用這種流量計將成為現(xiàn)實。隨著它的推廣使用，對城市燃氣可以進行更準確、更有效的測量，同時也將會有更多的流量測量難題逐步被解決。
 
(本文作者：紀建英 張務鐸 翟恒濤 山東省計量科學研究院 250014)