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流量仪表在能源监测中的地位与特点

行业聚焦点中国仪表网2012年10月25日 10:43人气:24151

  一、节能降耗已列为“十一五”的重中之重。
  
  过去十年,我国经济建设发展迅速,GDP每年增长率都在10%以上,但这是以高耗能为代价的,我国每百万美元产值的产品耗能达到1274吨标准煤,为国际水平的2.4倍;美国的2.5倍;欧盟的4.9倍;日本的8.7倍,我国每年耗煤已达14.2亿吨,如“十一五”规划GDP要翻一番,按目前耗能水平,每年需生产近30亿吨标准煤,这个数量无论从资源、生产,还是从环保、安全、运输各方面考虑,都是难以为继的。中央在“十五”期间已提出在能源总耗略增前提下,单位产值耗能应下降15~17%,执行结果却是能源总耗增加了10%;而单位产值耗能不降反上升了7%,真是中央十万火急,地方、企业置若罔闻。如果再不狠抓节能降耗,过大的能耗必将成为制约我国经济进一步发展的瓶颈。“十一五”期间中央将下最大的决心,把节能降耗作为经济建设中的重中之重,在确保GDP翻番的同时,单位产值能耗五年内应下降20%。我国工业能耗占总能源的68%,人民生活耗能仅占11.4%,因此节能的重点应放在工业上,特别是高耗能产业,如电力、冶金、钢铁、石化、建材、运输……。
  
  二、流量仪表在节能监测中的重要作用
  
  过去的事实说明了,仅仅是自上而下地宣传节能降耗是远远不够的,必需将节能指标落实到地方与企业的主要领导,且列入政绩,才可能引起重视。而是否达到了指标,则必需采取科学的态变,通过仪表的监测用数字来评估节能的效果。为此,中央责成有关部门制定了国标GB17167-2006,即“用能单位能源计量器具配备和管理通则”并已于2007年1月1日公布实施。GB17167-2006中的五条(4.3.2,4.3.3,4.3.4,4.3.5,4.3.8)为强制条款,核心内容为:凡用能达到一定规模的单位和设备都必需安装能源监测仪表,而且对用能的大小,监测仪表的种类及准确度等级都做了明确的规定。
  
  在能源监测仪表中,除电能用电表、固态煤用称重仪表外,其他气态、液态能源(如原油、成品油、重油、渣油、天然气、液化气、煤气……)及载能工质(水、蒸汽)都必需采用流量仪表。即使对于固态能源煤,在流程工业连续作业时,也可采用冲板式流量计,或气固二相微波流量计。因此,流量仪表在能源监测仪表中具有举足轻重、无法替代的重要地位。
  
  三、用于能源监测流量仪表的特点
  
  影响流量仪表的因素较多,为适应这些要求,流量仪表的类型也多达200种左右,如何合理选用,并非举手之劳。本文限于篇幅,略去一般选型原则,重点谈一下在能源监测中应注意的二个问题:
  
  1、准确度:在能源监测中,流量仪表的准确应放在重要的位置上,GB17167为此也作了合理、明确的规定。既然要求对节能降耗的效果,进行准确的量化,用数字说明问题,流量仪表则应具有必要的准确度,否则如准确度低,知之渺渺,对节能效果不甚了解,何以正确评估?又如何“对症下药”改进节能措施?当然,也并非越准确越好,准确度高的仪表价格都较昂贵,还是应针对监测对象,实事求是地合理选定,如测油品的仪表准确度应不小于0.5~1级;测气体能源为2~2.5级;测载能工质(水、水蒸汽)也可低至2~2.5级。
  
  2、永久压损:流量仪表是评估节能降耗的重要工具,而其本身不仅不节能,还将耗能。这是由于当流体流经仪表中阻力件时将产生漩涡,如同机械运动中的摩擦一样,以减小流体压力形式消耗能量。有些仪表如文丘利、超声、电磁等虽无阻力件,流体也会与仪表壁面产生摩擦,产生较小一些的压损。为维持工艺流程正常的运行,必须加大泵(或风机)的动力。这是由于安装流量仪表所引起的附加运行费,这笔费用因仪表结构不同会有较大差异,选择流量仪表进行节能评估,当然应选择那些压损小,耗能、年运行费低一些的仪表,言清行濁,适得其反当然不是人们期望的。
  
  以下计算了三种流量仪表(孔板、内锥、均速管)在不同管径下的压损,能耗及年运行费(计算略去),从表1所列数据可知,流量仪表因压损所需的年运行费不可忽视,是一个应引起重视的问题!
  
  3、说明:表1的计算,假设了一些条件,如:流量按平均流速25m/s,介质为空气,温度20℃,压力102kpa,风机效率为0.85,每年工作为365小时,每天工作24小时,电费每千瓦小时0.8元。孔板β取0.62;内锥β取0.7,参数如有变化,耗能及年运行费也有所不同,因此表1的数据只能对三种仪表的耗能,运行费做定性的评估。
  
  四、几种能源监测流量仪表的比较
  
  1、节流装置:基于节流产生差压,测差压的平方根可知流量大小。长期以来这类仪表由于可承受恶劣的工况,且已有国际标准作依据,曾占据了流量仪表的60~70%市场,类型多达二、三十种。
  
  ①经典式:已建立国际、国内标准,以孔板、喷咀、文丘利为代表,其中孔板如表1所示,压损较大,喷咀多用于测蒸汽,压损仅次于孔板(见图1)。当管径大于0.3米时,建议不再选用,文丘利管压损虽较小,但体积庞大,耗费大量高耗能钢材,制造、运输都非易事,选用也应慎重。
  
  ②内锥:近3~5年内宣传力度很大,被认为是一种压损小、准确度高,几乎不要求直管段的仪表,其压损在不同β下(图1),仅次于孔板,比喷咀略高,并不是节能仪表;其准确度有人做过标定*1,在大管径下(D>300mm);流出系数的分散度约为5%。其主要优点是采取了环形通道,具有整流效果,因而要求直管段长度较其他节流装置小得多,在管径日益增大,现场难以满足流量仪表所需的直管段长度,还是一个应肯定的突出优点。
  
  ③低压损管(lo-loss)相关资料公布已三十年,类似缩短了的文丘利管,主要特点是永久压损小。
  
  ④梭式*2:取内锥、低压损管二者之所长,具有环形通道可缩短前直管段长度的优点;又具有lo-loss管节流后压力恢复的功能,为专利产品。
  
  2、插入式:结构简单,安装方便,价廉,且可不断流装折,但准确度较低,仅适用于大管道流量检测,在能源监测中可用于准确度要求不高的场合。
  
  ①测点速:通过测管道中一点的流速推算流量的仪表,如双文丘利管;插入式涡街、涡轮、电磁,皮托管。据ISO7145评估,准确度为±3%,如直管段不足30D,准确度将低于±5%*3。
  
  最近在市场上推出一种类似变形皮托管的测管,最大优点是不易堵塞,在管道上方安放三支,每支需用一个差压变送器,价格较贵。据称按ISO3966设计,但并未达到该标准所要求在横截面上安排20个测点的要求。有关文章对其做了误差分析*4,并未考虑到速度分布不理想时,影响准确度最大的干扰系数γ*5。因此,测量误差将会超出±3%。
  
  ②测径向多点流速:典型的仪表为均速管,由于测点多,准确度可优于测点速的插入式流量计。通常仅测横截面直径方向上的多点流速,在需提高准确度时,也可插互成900的二支均速管,则更符合ISO3966的测点要求。
  
  3、无阻力件流量仪表。这类仪表的特点是机械结构简单,管道内无任何阻力件,压损小、准确高,是最有发展潜力的流量仪表,如超声、科氏、电磁、近五年市场年增长率分别达到10.4%、6.9%、2.4%。
  
  ①电磁:在流量仪表市场中虽居首位,但仅可测电导率大于10-5S/cm的流体,不能测油品及天然气等能源,只能测载能工质水。
  
  ②科氏:管内虽无阻力件,但要求流体在仪表中流向转1800,因此压损较大,准确度可高达±0.5%以上,管径目前均小于0.25米,可用于贸易核算要求精确计量的场合。
  
  ③超声:可用于多种流体,准确度可高达±0.5%,压损小,量程比大,国内外已制定相关标准,是最理想的能源监测仪表。目前除价格较贵影响选用外,据用户反映,在现场应用中、抗噪声性能还有待进一步改善。
  
  五、小结
  
  1、仪表选型应全面、理性。本文从能源监测的角度出发,强调了流量仪表具有准确度高、永久压损小,价格低廉的几个特点。从上所述,目前还没有十全十美的仪表,有些仪表如孔板、科氏、容积式、虽然压损大,但也有特点,或是有标准可遵循(如孔板)、或是准确较高,当管径不大时,压损的问题也并不突出,不必因噎废食。因此,选型应全面,综合考虑,过分地夸大或贬低某一种仪表都是片面、不可取的。
  
  2、发展趋势:目前流量仪表有很多类型,处于一种“春秋战国”的状态,但科技在飞速的发展,新型仪表如电磁、超声、科氏,以其结构简单,功能完善,日益受到用户的青睐。经典式(孔板、喷咀、文丘利)或因压损大,要求直管段过长难以满足等缺点,市场发展呈下降趋势,年增长率为-2.3%。新的节流装置也在不断地涌现,所以新型流量仪表取代经典式传统仪表将是一个较漫长的过程,并非一朝一夕之事。
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