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  時間:2022-11-1 08:17:51

多孔平衡流量計的優化與應用

摘要:多孔平衡流量計是在傳統孔板流量計的基礎上所研發出的新一代節流式流量計。通過介紹其基本工作原理及優化后的性能特點,并結合幾種工況條件下的使用,對多孔平衡流量計的應用加以闡述。
0引言
  節流式流量計通常也被稱之為差壓式流量計,迄今為止仍因其制造工藝標準化、使用技術成熟、適用范圍廣,而被水利、石油、化工等各行各業廣泛地應用,占流量計使用總數的50%以上。但同時,其測量精度低、量程比小、上下游安裝直管段距離長、節流裝置后所產生的永久壓力損失大等諸多不足也日益趨顯。
  隨著儀表測量、制造技術的不斷發展,為適應各種過程控制對于節流式流量計測量精度及使用性能的更高要求節流式流量計,即多孔平衡流量計隨之而誕生。多孔平衡流量計誕生之初由美國國家航空航天局馬歇爾航空飛行中心最先應用于航天飛機主發動機的液態氧流量測量,隨后因其測量、使用性能被更多行業所熟知并發展使用。
1工作原理
  多孔平衡流量計沿用了傳統孔板流量計的組成形式,由節流裝置、傳輸差壓信號的引壓管路及測量信號所用的差壓計這3個部分所組成。并巧妙地將多孔整流器與傳統單孔節流孔板的結構形式、性能特點相結合,形成了新型的多孔節流整流器,用以替代原有的單孔孔板作為節流原件安裝于流體管道上。多孔節流整流器上每個節流孔的尺寸大小及分布情況都是由特定的公式及實測數據計算所得,故被稱之為函數孔。流量檢測時,所測介質在通過多孔節流整流器的同時進行流體整流,減小節流裝置后的渦流,形成較穩定的紊流,從而使引壓管路能夠獲取到較穩定的差壓信號,并進一步通過伯努利方程計算得出工藝所需體積流量、質量流量等流量參數。
多孔平衡流量計結構原理圖
 
2多孔平衡流量計的性能優化
  多孔平衡流量計是以傳統孔板流量計為基礎,改變其節流孔的構成形式,從而極大程度地優化了使用性能。
1)平衡流場,提高測量精度
  傳統孔板流量計的節流裝置只設有一個圓形節流孔,節流原件與管壁結合處成直角,在流體通過節流孔時,孔兩邊會有大面積的“死區”,從而產生持久的渦流,進而大量消耗流體的動能。同時,雜亂的渦流所形成的流體波動和噪聲也會讓測量的線性度和正確率降低,并且需要較長的直管段來恢復流體正常的壓力和流場。多孔平衡流量計的節流裝置結合了多孔整流器的整流原理,通過使用精密的計算,使多孔節流整流器可以最大程度地減少死區效應,避免渦流的產生,平衡流場,降低因渦流所引起的信號波動,提高取壓點數據的正確率,從而使檢測精度從傳統孔板流量計的±1%~±2%提高至±0.3%、±0.5%,能更好的適用于如能量計量、貿易核算等有較高流量測量精度要求的場合。
2)減小永久壓力損失、縮短直管段安裝距離
  多孔平衡流量計的節流裝置采用了對稱式的流通孔布局設計,提升了流體通過的效率,最大程度地降低了渦流的形成,減少了流體通過節流裝置時造成的紊流摩擦及動能的損失,和傳統孔板流量計相比,既可獲得更差壓信號,又降低了1/3~1/2的永久性的壓力損失。同時,節流裝置后流體壓力較快的平穩恢復又可縮短流量計安裝時所需的上下游直管段距離。通常,多孔平衡流量計的上下游安裝直管段只需0.5D~2D,是傳統孔板流量計所需直管段的1/7甚至更短,很大程度上節省了流體測量的管道材料及安裝投入成本,這一優勢也得到了各行業的廣泛認可。
3)量程比寬、穩定性更好
  多孔平衡流量計特殊的多孔節流裝置極大程度地提高了流體測量量程比。美國某機構的實驗數據結果顯示,多孔平衡流量計常規測量的量程比可以做到7:1~10:1,如果函數孔計算參數選擇合適,量程比可以達到30:1甚至更高,這一數據比傳統孔板流量計要高出2~7倍。而且,傳統孔板流量計的流量系數--般在雷諾數高于4000時才能趨于平穩,在雷諾數較低時受其影響較大。但多孔平衡流量計的管道內基本無滯留區,其流量系數受雷諾數的影響很小。即使在較低雷諾數的測量條件下,多孔平衡流量計的正確率依然能夠得到保證,從根本上提升了流量檢測時測量精度的穩定性。
3多孔平衡流量計的應用
  多孔平衡流量計不僅適合在常見工況條件下使用,在某些特殊工況流量測量中也得到了很好的應用。
1)高量程比流量測量
  在醫藥、化工等行業中,蒸汽一般作為熱媒介質被用于加熱或加濕工段,通常由于不同季節或一天中的不同時段所需加熱、加濕量的不同,造成燕汽能源計量時蒸汽總管用汽流量有較大波動,往往遠遠超出傳統孔板流量計3:1的量程比范圍。同樣,在其他類似需要大量程比流量測量時,傳統孔板流量計亦無法適用。而多孔平衡流量計可適用于10:1甚至更高的量程比的流量測量,并且因其測量精度高,受雷諾數影響小,可進行較為正確的高量程比流量檢測或能源計量。
2)雙向流流量測量
  傳統孔板流量計的節流裝置僅在下游設有斜角,而多孔平衡流量計的節流裝置上下游采取完全對稱設計。這種對稱的結構形式使其在某些需要雙向流流量檢測的特殊工況條件下,可以實現只使用一臺流量儀表即可進行雙向流流量檢測。
3)短直管段流量測量
  受場地大小、建筑尺寸等外在客觀條件的限制,在布置工藝管道走向時往往無法為流量測量預留出足夠的直管段安裝距離,從而影響測量精度。特別是在特殊貴重金屬如鋯材、哈氏合金、鉻鉬合金鋼等工藝管道上進行流量測量時,較長的直管段需求意味著昂貴的建設成本。在這種情況下,多孔平衡流量計上下游直管段距離僅需0.5D~2D的應用優勢尤為明顯,即可節省工藝管道、安裝支架等的鋪設成本,又可滿足在短直管段流量測量時的精度要求,是一種較為經濟的流量檢測配置方式。
4)大口徑流量檢測
  在大口徑的流量檢測中,多孔平衡流量計亦有其不可替代的獨特優勢。只需通過正確計算對相應節流孔的尺寸、數量及分布情況進行調整,即可在較短的管道距離內進行大口徑的流量測量,無需擔憂因管道口徑較大而產生的15D甚至更長的上下游直管段距離。特別是在高溫、低壓等各種嚴苛工況下,多孔平衡流量計也能保證大口徑流量測量精度的穩定性。同時,可以使用多對取壓孔進行取壓的冗余配置,以確保差壓信號被有效傳輸,降低大口徑流量檢測的后期維護、清掃、運營成本。
5)高溫及極低溫流體測量
  由于本體及法蘭材質選擇的多樣化,多孔平衡流量計擁有較為廣泛的工作溫度。通過對不同材質的選用,多孔平衡流量計可測量850C甚至更高溫度的高溫流體介質,亦適用于液氮、液氧、液氫、液氬等極低溫流體的流量測量。
6)多種管道連接方式選擇
  多孔平衡流量計誕世至今,為適應各種工況的管道連接要求,逐步衍生出多種連接方式以供選擇。如可用于大多數:工況的管道式法蘭連接,可用于大口徑流量測量的對夾式連接,適用于高溫高壓工況的焊接式連接以及適用于黏稠、有毒、強腐蝕液體、臟污及粉塵氣體介質流量測量的雙法蘭式連接等等。而節流裝置的外形也從最初便于管道連接的圓管形節流裝置,演變出方管式節流裝置,以便于更簡便地與各種方形管道進行連接,可適用于空調系統送、排風風量檢測。
7)一體化
  在檢測儀表一體化的發展趨勢帶動下,多孔平衡流量計同樣化零為整,將節流原件、引壓管路、閥組及差壓計等需分步安裝的儀表原件整合為一體,從而減少安裝步驟,以滿足適合工況條件下快速安裝、使用的需求。
3核電仿真機驗證
  為驗證上述分析,在某核電站進行全方位仿真機驗證。試驗變量描述如表1所示。
  仿真結果如圖4所示。當電網頻率由50Hz將至49.75Hz時,機組進行一次調頻動作,產生約為64MW的一次調頻補償量。汽機主汽門在76s內由55%開度開啟至全開,汽機功率GRE0I2MY由1089MW上升至1144MW,R棒RGL013QM在102s內提升了6步,C2報警信號出現,控制棒提升被閉鎖,熱功率為3011MWt,這些都將導致核電機組無法安全穩定的運行,并且超出了核電機組運行技術規范,根據規程,核電操縱員必須要避免此類狀況的發生,當發生此類功率,必須手動降低反應堆的功率,是機組核功率穩定在100%之內。
 

4一次調頻優化
  由于反應堆的控制模式是“堆跟機模式”,即反應堆的功率緊緊跟隨汽輪機的功率。如果反應堆因為汽輪機一次調頻功能而超功率,將會閉鎖控制棒,甚至會緊急停堆,反而會加劇電網頻率異常事故;谏鲜龇治,核電機組的控制特性決定其參與一次調頻的能力有限,核電一次調頻死區設置太小,當電網發生故障時,可能會對核電機組的安全運行造成影響,使機組停機,造成更大事故。因此綜合考慮,從以下方面考慮進行優化研究。
根據核電機組的特殊性,優化設置一次調頻限幅值。
  優化設置一次調頻死區值,整個電網一次調頻動作分梯隊進行,進行水電、火電一次調頻動作,最后進行對穩定要求較高的核電機組一次調頻動作。
  增加預警信號,在反應堆保護動作啟動前,增加一些預警信號,能更好的控制汽輪機一次調頻動作。
5結束語
  電網頻率是電網安全穩定運行的關鍵參數,其控制主要依靠各發電機組的一次調頻和二次調頻實現的,其中一次調頻尤為重要。針對核電機組滿功率情況下,分析了一次調頻動作存在的風險,并提出相應的方向,對核電機組一次調頻有重要的指導意義。

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