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从节能降耗要求看推广应用VNZ流量计的必要性

时间:2010/4/28 9:07:49 点击:2195

  核心提示:国务院总理温家宝2005年3月5日在十届全国人大三次会议上作政府工作报告时强调,要注重能源资源节约和合理利用。鼓励开发和应用节能降耗的新技术,对高能耗、高物耗设备和产品实行强制淘汰制度。王歧山市长在北京市十二届人大三次会议上所作的政府工作报告中明确提出:“每万元生产指标能耗降低5%。”因此节能降耗是...

    国务院总理温家宝2005年3月5日在十届全国人大三次会议上作政府工作报告时强调,要注重能源资源节约和合理利用。鼓励开发和应用节能降耗的新技术,对高能耗、高物耗设备和产品实行强制淘汰制度。王歧山市长在北京市十二届人大三次会议上所作的政府工作报告中明确提出:“每万元生产指标能耗降低5%。”因此节能降耗是摆在每位计量工作者面前的重大课题,现提出一种节能降耗新产品和计算节能降耗的方法供大家参考。

    1 流量计永久压损的能耗计算

    流体通过节流装置或各种流量计时,都将产生不可恢复的压力降,即永久压力损失(简称压损)。压损将引起额外的能耗,特别是在较大口径的管道上流量计的年耗能费用可能相当大,因此在流量计设计和选型时,应选用永久压损小的流量计,虽然流量计可能贵些,但选用它是完全合理的。流量计选型时应按以下步骤计算各种流量计的年耗能费。

    1.1 计算永久压力损失

    对于不同的节流装置或流量计,压损公式都不同。

    例如孔板的压损公式:Δω1=(1-β1.9)Δp

    V形内锥(VNZ)流量计的压损公式:

    Δω2=(1.3-1.25βv)Δp

    式中:Δω1和Δω2分别为孔板和内锥流量计的永久压力损失;β为直径比;βv为等效直径比;Δp为差压。

    1.2 计算动力与能量消耗(以下简称能耗)

    对于不同的介质,采用不同的流量单位时,可采用以下不同的能耗计算公式。

    (1)液体

    P=(Δω×qv)/(60×η)

    式中:P为所需要的功率值,W;Δω为永久压损,kPa;qv为工况下的体积流量值,L/rain;η为泵和电动机的效率(常取η=0.8)。

    (2)气体(蒸气)

    P=(Zfl×Tkl×Δω×qVN)/(10.145×η×Pfl

    式中:P所需要的功率值,W;Δω叫为永久压损,kPa;Zfl为上游流动工况下气体的压缩因子;Tkl为在上游取压孔处气体的绝对温度,K;qVN为在标准状况(293.15K,101325Pa)下气体的体积流量值,m3/h;Pfl为流动工况下在上游取压孔处气体的绝对压力,kPa;η为泵和电动机的效率(常取η=0.8)。

    (3)液体或气体(蒸气)的质量流量

    P=(Δω×qm)/(3.6×η×Pfl

    式中:P所需要的功率值,W;Δω为永久压损,kPa;qm为液体或气体(蒸气)的质量流量,kg/h;η为泵和电动机的效率(常取η=0.8);ρfl在流动工况下,在上游取压孔处,液体或气体(蒸气)的密度,kg/m3

    1.3 计算年耗能源费用
   
    (1)例题1

    在一个大口径的供热水管上,如采用VNZ流量计取代孔板,试计算每年可节省的耗能费用。

    已知:管径D=998mm,水流量qm=6O00t/h,热水温度t=130℃;孔板的永久压损Δω1=20kPa;VNZ的永久压损Δω2=13.75kPa。

    计算:


    ①计算永久压损的差值

    δ(Δω)=Δωl-Δω2=(20-13.75)kPa=6.25kPa

    ②流量换算

    在130℃下,水的密度ρ=937.2kg/m3;工况下水的体积流量qv=qm/ρ=[(6000×1OOO)/937.2]m3/h=6402.05m3/h。
qv=[(6402.05×100)/60]L/min=106700L/min

    ③按下式计算如用孔板所多消耗的功率P

    P=[δ(Δω)×qv]/(60×η)

    式中:δ(Δω)为永久压损的差值,kPa;qv为体积流量值,L/min;η为泵和电动机的效率(常取η=0.8)。

    把以上数据代入上式得:P=13893.33476W

    ④按下式计算每年最多可节约的耗能费

    如当地电价为1.O0元/kW·h,

    年耗能费=(P/1000)·(运行时数/年)·(1.O0元/kW·h)。按每年365天,每天24h计算得:

    年耗能费=121705.62元

    结论:由于VNZ流量计的永久压损比孔板的永久压损小得多,年耗能费用可大大减少。流量计口径越大,流量越大,则节能效果越显著,投资回收期也就越短。

    (2)例题2

    某石化公司三电站400减温减压器处为测量过热蒸汽流量,现采用孔板流量计。工艺条件如下:

    最大流量qm(max)=11Ot/h;最小流量qm(min)=30t/h;差压上限Δpmax=60kPa;流体在工况下的密度ρ1=7.245kg/m3;工作压力pmax=1.9MPa;工作温度tmax=320℃。

    孔板的有关参数如下:

    直径比β=O.62074;常用差压Δpnor=20.95kPa;最大永久压损Δω1=35.75kPa;孔板的孔径d20=251.719mm±0.131mm

    工艺要求将过热蒸汽流量提高到最大流量q*m(max)=150t/h,由于现在工艺负荷大,不可能更换孔板,要求估算与最大流量q*m(max)对应的新差压上限Δpmax值和在新的常用流量下孔板的永久压损Δω值。

    计算:
   
    ①估算新的差压上限Δp*max值:

    Δp*max=Δpmax[q*m(max)/ qm(max)]2=60kPa·(150/110)2=111.57kPa

    ②计算在新的常用流量下,孔板的永久压损Δω*值

    Δω*=0.5×Δp*max(1-β4)=0.5×111.57(1-0.620742)kPa=34.29kPa

    如按照新的最大流量q*m(max)值设计一个VNZ流量计,其它工艺条件都保持不变,则得如下的参数:内锥的等效直径比βv=0.70;差压上限值Δpmax=33.763kPa;流出因数CD=0.81;VNZ流量计实测最大流量qm(max)=150t/h,实测最小流量qm(min)=15t/h。

    为进行技术经济分析,要求计算在新的常用流量下,VNZ流量计的永久压损Δω值和用VNZ取代孔板后每年可节约的耗能费。

    计算:

    ①计算在新的常用流量下,VNZ流量计的永久压损Δω值

    Δω=(1.3-1.25βv)0.5Δpmax=(1.3-1.25×0.70)(0.5×33.763)kPa=7.175kPa

    ②计算在新的常用流量下,孔板新的永久压损Δω值与VNZ的永久压损Δω值的差值

    δ(Δω)=Δω*-Δω=(34.29-7.175)kPa=27.115kPa

    ③按下式计算在新的常用流量下,由孔板所多消耗的功率P
   
    P=[δ(Δω)×Qkph]/(3.6×η×ρf1)=(27.115×l50000×0.7)/(3.6×0.8×7.245)W=136448.27W

    ④计算用VNZ取代孔板后每年可节约耗能费

    按下式计算每年可节约的耗能费:如当地电价为1.00元/kW·h,

    年耗能费=(P/1000)·(运行时数/年)·(1.O0元/kW·h)

    按每天运行24h,每年365天计算:每年可节约的耗能费=1195286.84元

    如按新的常用流量和常用差压估算,用VNZ取代孔板后每年可节约的耗能费为1195286.84元。通过以上的技术经济分析可以明显看出:为了降低能耗,十分有必要推广应用V形内锥节流装置来淘汰压损大、高耗能的孔板。其实,除压损小外,V形内锥流量计还具有测量精度高,重复性好,量程比宽,上下游要求的直管段很短,有自整流、自清扫、自保护功能,在磨蚀性或脏污流体中耐用,性能长期稳定等优点。

    2 本世纪将推广V型内锥式差压流量计

    专门设计和加工出来的V形锥体是V形内锥节流装置具有优异性能的关键。V形内锥节流装置的结构示意图如图1所示。

    2.1 V形锥体的结构特点

    (1)具有一定锥角的V形尖圆锥体同轴安装在测量管内;
    (2)在V形尖圆锥体的上游,流体尚未收缩处,从测量管的管壁处开孔取正压;
    (3)在V形尖圆锥体朝向下游的轴线处开孔取负压,导压管通过尖圆锥体内部接至测量管的管壁后引出;
    (4)在V形尖圆锥体与其下游尾随的锥面之间是一个小锐角。

    2.2 V形内锥节流装置的独特功能和作用机理分析

    (1)节流功能--形成流体独特的局部收缩

    使流体朝向管内壁,逐渐收缩,即形成环形面积逐渐缩小的环状收缩。在此收缩过程中流体被加速。由于尖圆锥体在管道中心轴线上,使它能更有效地作用于速度分布的高速中心区,而沿锥体外廓与管内壁之间的环隙是无阻挡的,因此它的节流作用要比孔板小些,流通能力要比孔板大些。流出因数CD的典型值:V形内锥流量计流出因数为0.85,孔板为0.60。在相同的流量下,V形内锥流量计的差压约为孔板差压的1/2。由于差压小,压损自然小,所以能耗小。

    (2)流动调整功能

    V形尖圆锥体与流体的速度分布相互作用。在一个无阻流件的管道中,速度分布呈中凸形状。上游的管件会影响速度分布并使速度分布发生畸变。V形锥体的廓形使流体的流动分散,从而使速度分布更平坦。

    孔板属中心突然收缩式节流件,它只能进一步加强速度分布中凸形状;而V形锥体属边壁逐渐收缩式节流件,它能减弱速度分布的中凸形状。实质上,V形尖圆锥体的作用如同它自身的一个流动调整器。它的整流功能已为20多年来大量实验测试所证实。

    (3)自保护功能

    V形锥体的廓形确保没有流体直接突然冲击它的下游边缘。流体流动的边界层自动保护了决定等效直径比βv的关键尺寸dv,使磨损减小。这样可减少维护工作量并延长其检定周期。

    (4)降噪功能

    V形锥体的独特廓形具有抑制差压信号中噪声的功能。V形锥体的独特结构(在V形尖圆锥体与其下游尾随的锥面之间是一个小锐角)使得流体在进入下游的低压区前有一个平滑的过渡区。在锥体的下游会形成一个高速、高紊流和含有小旋涡的低压区。这些小旋涡在取压孔处会形成高频低幅的压力脉动信号,此低幅的压力脉动信号会形成差压输出信号中的低噪声和背景噪声。而其它差压式流量计(如孔板),在节流件的上下游都有相当大的旋涡,因此这些大旋涡在其取压孔处会形成低频高幅的压力脉动信号,此高幅的压力脉动信号会形成差压输出信号中的高噪声和背景噪声。由于V形锥体具有降噪功能,其差压输出信号中的背景噪声很小,所以V形内锥流量计可以测出小差压,可有效地测量小流量,从而使量程比拓宽(10:1或15:1)。由于差压输出信号中的背景噪声很小,所以设计V形内锥流量计时,允许选用低的差压上限值。由于差压小,压损自然小,所以能耗小。

    (5)自清扫功能

    流体流动路径中无死角,只要连续使用它,在其内部不可能有积液/气/固体颗粒物。

    (6)混合功能

    V形锥体具有混合器的功能。非均相的流体流经V形锥体时,会自行混合变成均相流体,并由V形内锥流量计进行有效的流量测量。

    由于V形锥体的独特廓形以及它在管道中心轴线的位置使V形锥节流装置具有低的信号背景噪声、最小的磨损(自保护)、流动调整(自整流)、自清扫、自混合等功能和有效的与流体高速中心区的相互作用,使它能以一种独特的方式测量流体的流量,其综合效果(优异性能)如下:

    ①极好的重复性:优于0.1%;②相当高的精确度:一次元件不确定度优于±0.3% (可达±0.15%),系统不确定度优于±0.5% (可达±0.2%);③相当宽的量程比:配单差压变送器时10:1至15:1,配双差压变送器时30:1至40:1;④所要求的直管段长度很短:上游:0~3D,下游0~1D;⑤线性度好:如雷诺数Re大于8000,有很好的线性度;⑥压损小,属节能型节流式差压式流量计;⑦适用于油、水、气、汽等各种流体的贸易输送计量和分配计量;⑧适用于各种洁净/脏污流体、低静压/低流速流体、高温高压流体和腐蚀性流体等;⑨国际流量界普遍认可并接受它,对V形内锥流量计的标准化测试正在加紧进行中。

    3 几种节流装置使用条件比较
   
    为了对目前工业上常用的流量测量节流装置进行对比分析,根据最新国际标准ISO 5167:2003,现列出一个使用限制条件比较表,以供读者在流量计选型时参考,见表1。

    表1 各种流量测量节流装置使用限制条件比较表

节流装置名称 管径范围D/mm 直径比范围β 管道雷诺数Re范围 依据
角接取压和径距离取压孔板 50~1000,d≥12.5 0.1~0.75 0.1≤β<<0.56时,Re>5000 β>0.56时,Re≥1.6×104β2 ISO5167-2
法兰取压孔板 50~100Q,d≥12.5 0.1~0.75 0.1≤β<<0.75时,Re≥170β2D ISO5167-2
ISA1932喷嘴 50~500 0.3~0.8 0.3≤β<<0.44时,7×104~107
0.44≤β<<0.8时,2×104~107
ISO5167-3
文丘里喷嘴(长径喷嘴) 65~500,d≥50 0.316~0.775 1.5×105~2×106 ISO5167-3
粗铸收缩经典文丘里管 100~800 0.3~0.75 2×105~2×106 ISO5167-4
机械加工收缩段经典文丘里管 50~250 0.4~0.75 2×105~1×106 ISO5167-4
粗焊铁板收缩段经典文丘里管 200~1200 0.4~0.7 2×105~2×106 ISO5167-4
V形内锥(VNZ) 15~1200(~3000) 0.45~0.85 8000~107(400~8000,
重复性仍好,线性差些)
API及厂家标准

    4 结束语

    为了降低能耗和更有效地进行流量测量,按照科学的发展观,人们应该及时勇于更新观念,与传统的落后的流量测量节流方式(装置)告别,与时俱进地推广采用新一代的流量测量节流装置,即实现逐渐、边壁收缩的V形内锥式流量测量节流装置。

    采用这种新一代的流量测量节流装置后,长期困扰人们的一系列流量测量难题都将迎刃而解。V形内锥式流量计是老一代孔板、喷嘴和文丘里管流量计的更新换代产品,它将为节流式差压流量计揭开崭新的一页。

作者:佚名 来源:不详
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