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【能源管理基础】流量计的主要类型及优缺点、选型

本文图片来源:艾默生

作者 | Bob Griffin

无论是制造工厂还是建筑业主都在努力设法使其设施更节能,对环境的影响更小。

在当今的商业环境中,控制能源成本从未像现在这样重要。能源已成为企业、机构和消费者的热门话题。对于许多人来说,寻找新的、更好的方法来减少能源使用并提高能源效率,是一个高度优先的事项。因此,能源管理越来越受到重视。

测量是能源管理的基础,因为要控制它,首先必须准确测量它。本文重点介绍了流量测量技术,因为它们主要用于天然气。根据需要,也会涉及蒸汽和水的主题,用于比较和提供背景信息。此外,还讨论了一些主要的流量计类型以及优点和缺点,以帮助工程师在应用时更好地进行选型。

01

流量测量基础

质量流率可以根据被测物质的密度、物质流过的横截面积以及物质相对于目标区域的速度来计算。如果密度恒定,这相当简单。流量测量是对通过管道的液体或气体量的量化。流量可以量化为体积流量(如gal/min)或质量流量(如lb/hr)。速率始终是某个时间单位内对某个单位的度量。

当温度、压力或成分发生变化时,某些流体的密度可能会发生变化。一些流体也可能具有组合相或夹带气泡。密度变化使质量流量测量更复杂,但气体测量比液体测量更复杂。

有许多用于测量流量的技术和设计,但并非每种流量测量技术都适用于能源监测应用。为了成为能源监测应用中的候选技术,流量测量必须具有成本效益、无创性、易于安装且成本低廉。该技术还必须具有适合于应用的可靠性和准确性。

在制造业中,流量测量对于使用原材料制造产品或为产品增加价值的运营至关重要。对精确流量测量仪表的需求,是由业务需求或环境限制驱动的,例如需要更严格的过程控制,以减少排放和提高效率。

02

流量计类型

每种流量传感技术和每种流量计都有优缺点。在市场上广泛使用的流量计中,所用的流量传感技术主要包括:差压(DP)、容积式、科里奥利(或质量流)、涡街和涡轮。

差压装置包括节流孔、文丘里管、流量喷嘴、皮托管、均速皮托管和V形锥。容积式装置包括旋转凸轮、隔膜和涡轮机。请注意,市场上还有更多类型的流量计。不过,本文讨论的重点不包括主要用于流体的设备。

03

差压流量计

差压流量计的运行需要在液体、气体或蒸汽流道中放置节流装置,如孔板、流量喷嘴、皮托管或文丘里管,并测量其上的压差。孔板是使用最广泛的节流装置,通常会产生最大的压力损失。蒸汽流速随通过该节流孔的压降的平方根而变化。差压变送器测量通过节流孔的压降。

尽管孔板式差压流量计通常具有较低的初始成本,没有移动部件,并且安装成本也较低,但它们具有压力损失高、量程低的缺点,并且随着时间的推移测量准确性降低。孔板最终可能因磨损而导致影响流量计的校准。

现在安装的许多流量测量仪表,都基于差压传感技术。在每年发货的所有流量测量变送器中,差压变送器约占一半。智能多变量压力变送器在测量范围、精度、重复性和进行多次测量的能力方面的改进,为这项成熟但仍然可行的技术增添了生命力。

04

容积式流量计

容积式流量计通过机械移动流量计中的移动部件来测量流量,然后计算单位时间内的位移数量。用每个计数表示流体的体积量。每次计数时,流体都会通过流量计。流量计运动部件,由被计量的流体压力驱动。

旋叶式流量计(rotary lobe flowmeters)。该流量计可直接测量在实际工作压力下通过它的流体的实际体积。两个反向旋转的叶轮在壳体内旋转。流经流量计的气体或液体驱动叶轮,叶轮将已知体积的气体困在空隙中。流量与旋转速度成比例。

通过计算转数并将计数乘以每转所置换的已知体积来测量体积。计数可以通过机械或电子方式完成。最常见的布置是在叶轮中嵌入磁铁。由安装在仪表外壳中的接近开关感应。由磁铁驱动的开关,激活就地数字显示器,或输入到一个完整的电子系统,用于处理、校正和远程通信。

旋叶式流量计主要用于商业和工业客户的天然气计费:负荷超过每小时1000立方英尺。它们主要用于工业和油气生产中的气体和液体。它们还被用于能源管理的工业分项计量应用中。使用它们的主要原因是高精度和坚固性,且维护成本低。ANSI/ASC B 109.3批准这些计量表可用于监护转移。

在使用旋叶式流量计时需要注意,在校准范围外的流体温度和压力下工作时,必须将体积流量校正到标准条件。当计量表用于计费时,此功能可以自动完成。如果出现机械故障,建议使用配置手动隔离阀的旁路。

隔膜流量计(diaphragm flowmeters)。它包括一个充满天然气(或其他气体)的外壳,并包含两个气体波纹管(隔膜)。每个隔膜都有一个滑阀,可以交替打开和关闭每个隔膜的进口阀和出口阀。当气体流入流量计时,波纹管通过滑阀交替充满和排空,滑阀充当计数器。

当每个阀门关闭后打开时,计算一个已知体积的气体。机械连杆将每个阀门连接到一个计数器,该计数器记录计数,并在表盘上显示计数。气体被排放到仪表外壳和仪表出口。两组波纹管和阀门交替运行,以提供连续的气流。该机构由波纹管上的气体压力驱动,其结果是仪表上的压降很小。

在天然气计费应用中,隔膜流量计的上游安装有压力调节器,可以保持恒定压力。这样就不需要压力校正变送器。温度变化可能会导致偏差。然而,在实践中,当通过地下管道供气时,温度变化很小。

隔膜流量计的优点包括:价格便宜且准确,适用于小型能源管理项目。具备脉冲输出和通信能力。它的缺点包括:只能用于清洁气体;大尺寸、重且昂贵。

涡轮流量计(turbine flowmeters)。涡轮流量计有各种尺寸、类型和价格。适用于很多工业应用,以及水和天然气公用事业公司的计费项目。用于计量气体和水的公用事业型涡轮机,被批准用于监管转移。它们通常具有经校正的质量流量读数电子输出和通信能力。涡轮流量计的一个突出用途是对大量客户进行计量和计费。

工业涡轮流量计也有在线式和插入式两种。插入式涡轮流量计的尺寸和材料范围很广,从0.5英寸到36英寸甚至更大。由于其能够测量大型管道流量,因此通常用于烟囱气体监测。在工业领域,它广泛应用于测量蒸汽、水、空气和其它气体的流量。工业涡轮流量计直接测量流体或气流的速度。在流量计上需要一个流量计算机或多变量智能变送器。

带有附加叶片的转子悬浮在自由运行轴承的流体或气流中。转子的转速(RPM)与液体或气体速度成正比。有几种方法可以计算涡轮机的旋转,包括嵌入到转子或叶片中的磁性和电气传感器。这些传感器产生微弱的脉冲或正弦波电子输出,通过电子方式将其转换为流速,然后在变送器中将其转换为4-20 mA输出信号。通过将体积流量乘以流体密度来计算质量流量。质量流量等于流速乘以密度乘以管道面积。

校正后的质量流量需要额外的输入,包括压力和温度。在线式工业涡轮流量计适用于能源管理,因为其直径范围广泛,成本较低。

在线式工业涡轮流量计的优势包括:良好的准确性和重复性;尺寸范围广;管道所需上游直线长度最小;以及成本相对较低。其缺点主要是安装成本较高,以及运动部件易受污染物的影响。

05

科里奥利流量计

科里奥利流量计技术提供直接质量流量测量,不受压力、温度、密度和流体粘度变化的影响。科里奥利流量计有多种配置,包括U形管、双U形管、弯管和直管设计,所有这些流量计都根据以下原理工作:

待测量的液体或气体进入流量管的一端,流量管受到外部振荡驱动,机电振荡器根据管设计和液体或气体密度以管的固有频率(约10 kHz)振动。流量管通常由316不锈钢或其它金属(如钛)制成,具体取决于应用。

当液体或气体流经流量管时,它会受到外部振荡驱动器引起的向上或向下的力。科里奥利力与驱动力相反,从流入侧向上推动管子,从流出侧向下推动管子,导致管子扭曲。

位于流量管各支腿上的传感器检测管道扭曲时的位置和频率。随着质量流量的变化,两个传感器之间存在相移。该相移与液体或气体的质量流量成正比。

科里奥利流量计配备了基于微处理器的信号处理系统,该系统解释来自传感器的原始信号和正在测量的频移,将其转换为可由标准仪表和数据系统使用的信号,如4-20 mA、脉冲和电压输出。

科里奥利流量计有着广泛的应用。最初的应用是在石油和化学工业中测量多种液体,主要用于过程控制目的。由于精度高,它还用于石油和天然气行业的监管转移。科里奥利流量计已用于测量高粘度流体、泥浆和混合相流体,如油和水、带气泡的水、空气中的煤粉等。

最近,设计改进和精度提高使科里奥利流量计成为计量气体的候选流量计。它们能够计量工业气体,并已用于天然气大客户的监管转移。它们也可用于低温气态或液态氧、氮和二氧化碳。

科里奥利质量流量计有很多优点:直接质量流量读数,无需校正压力或温度;高调节比:标准为20:1,需要时可达100:1;无需在上游和下游铺设直管;能够计量多种液体、气体、泥浆和混合相流;不锈钢流管是标准配置;某些型号可以计量低温气体;非常高的精度和重复性;低维护和监管转移批准。它的一个缺点是与大多数其它计量表相比,成本相对较高。

06

涡街流量计

涡街流量计的运行,是基于一种被称为“冯卡门效应”的原理。冯卡门效应利用:在通过放置在流体中的非流线型或“钝”体时,流体会产生在体后部脱落的漩涡。这些涡流可以被检测、计数和显示。漩涡的频率与液体或气体的流速成正比。在理想条件下,脱落频率和流体速度呈近似线性关系。

典型的涡街流量计应用包括锅炉和用户处的直接蒸汽测量,以及作为锅炉燃料的天然气测量。蒸汽是最难测量的流体,因为涉及高温高压,并且测量参数因蒸汽类型而异。涡街流量计是蒸汽流量测量的首选,因为它能够承受高压和高温。

涡街流量计非常可靠。它们还具有广泛的测量范围,这意味着它们可以测量不同速度下的蒸汽流量。涡街流量计的其它优点包括易于安装、维护成本低、安装成本适中和精度高。然而,它们对振动和进口流量有些敏感。

多变量涡街流量计包括压力和温度传感器。除了流速、温度和压力外,流量计还使用这些传感器来确定体积流量、流体密度和质量流量。多变量涡街流量计无需单独的流量计算机即可执行必要的质量流量补偿。

关键概念:

控制能源成本从未像现在这样重要。

每种流量传感技术和每种流量计都有优缺点。

并非每种流量测量技术都适用于能源监测应用。

思考一下:

在能源管理方面您都采取了哪些措施?

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