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從節能角度看流量計的選擇
發布時間:2019-11-04

摘要:為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,并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最大,且能耗隨著直徑比的增大而降低;渦街流量計電磁流量計的能耗次之;超聲波流量計的能耗最低。因此在保證精度的前提下,采用無節流、阻流元件的流量計具有較好的經濟效益。
0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。對于DN400mm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,一般對表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]。兩者之和可以作為流量儀表的總能耗。
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于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最廣泛的流量計,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為兩大類,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采用得最多。
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制成的一種測量導電性液體的儀表。它的特點為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(或超聲脈沖)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/T2624.2—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:孔板流量計和GB/T2624.2—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:噴嘴和文丘里噴嘴[2-3],標準孔板及噴嘴的壓損公式為:


  式(1)~(6)中,Δω為孔板及噴嘴的壓力損失,Pa;K為孔板及噴嘴的壓力損失系數;ρ1為流體的密度,kg/m3;v為流體的流速,m/s;β為直徑比;C為流出系數;ReD為根據管道直徑D計算出的雷諾數;A為由管道雷諾數和直徑比確定的管道系數;L1為孔板上游端面到上游取壓口的距離l1除以管道直徑D得出的商;M2'為位置系數;L2'為孔板下游端面到下游取壓口的距離l2'除以管道直徑D得出的商。
  對于不同的取壓方式,L1與L2'的取值如下:對于角接取壓口,L1=L2'=0;對于D和D/2取壓口,L1=1,L2'=0.47;對于法蘭取壓口,L1=L2'=25.4/D。
2.2渦街流量計的壓力損失
  根據JB/T9249—2015渦街流量傳感器[4],可推導出渦街流量計壓力損失公式為:

  式(7)中,δp為永久壓力損失,Pa;CD為流體阻力系數,一般取2.4;ρ為流體密度,kg/m3;U為平均流速,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,其壓力損失約為0Pa。
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:

式(8)中,ΔN表計為流量計的機械功率損失,kW;Q為體積流量,m3/h。
折合到電機處的功率損失為:

式(9)中,ΔN折電機為折合到電機處的功率損失,kW;η為水泵效率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。

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。該項目為山東省濰坊市一供水公司供水管道項目,工程條件為:供回水壓力1.6MPa、1.1MPa,設計流量1200t/h,常用流量1000t/h。流量計主要設計參數如表2所示。

  將以上參數代入本文的公式中并按照規范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為含有節流元件的流量計機械功率損失表。

以1a計算,電價0.6909元/(kW·h),每年表計產生的能耗及費用如表4所示。

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最大,且能耗隨著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最低。含有節流元件的流量計由于存在壓力損失,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。為盡量減少能耗及由此產生的費用,應當在保證精度的前提下采用無節流、阻流元件的流量計,同時在工程中應將節能作為選擇流量計的重要依據。

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