叶海青，邱宣振，纪波峰，纪纲

(1. 杭州市质量技术监督检测院，杭州 310019;2. 中石化上海工程有限公司，上海 200120；3. 上海同欣自动化仪表有限公司，上海 200070)



仪器仪表

蒸汽流量测量中的压损与节能效益分析

叶海青1，邱宣振2，纪波峰3，纪纲3

(1. 杭州市质量技术监督检测院，杭州 310019;2. 中石化上海工程有限公司，上海 200120；3. 上海同欣自动化仪表有限公司，上海 200070)

针对某文献论点，在相同的流量和相同的直径比β时，喷嘴的压力损失只有孔板的30%～50%，并计算了某口径的孔板在一年之内损耗的能量折算为人民币高达几十万元。以国际标准和国家标准为工具，对上述论点进行分析计算，发现在相同流量、相同工况条件和相同差压上限的条件下，孔板压损不是比喷嘴大，而是略小，因而在上述条件下，β相同这一假定不成立。从系统的角度分析了流量计压损减小所节省的能量损耗，绝大多数不能转化成经济效益。文中还分析了喷嘴和孔板在直管段要求、超过限制条件、节流件变形、耐磨性、经济性和不确定度方面的差异。

喷嘴孔板压力损失节能直径比直管段节流件变形不确定度

Abstracts： Aiming at conclusion from one article， pressure loss of nozzle is only 30%～50% of that of orifice with the same flow and diameter ratio β， energy loss about several hundred thousands of RMB within a year of an orifice with certain diameter is calculated. Above thesis is analyzed and calculated through international and national standards. It is found orifices have less pressure loss than nozzle under same flow rate， working conditions and differential pressure upper limit. Under these conditions， the assumption of same diameter ratio β is not valid. Energy consumption saving by reducing flow meter’s pressure loss is analyzed from the point of system， and most can’t be converted into economic benefits. The differences between orifice and nozzle in straight pipe requirements， exceed limits， throttling device deformation， wear resistance， economy and uncertainty are analysized.

1　概　述

测量蒸汽质量流量的流量计，不管是涡街流量计还是差压式流量计，多少会有一些压力损失，而压力损失就意味着能量损耗，因而引起了人们的关注。

流体流经差压装置，在正端取压口和负端取压口之间产生压差Δp，而当流体流过节流件继续向下游流动时，静压得到部分恢复，但还是比上游静压要低一些，由此产生压力损失，这种压力损失是永久性的[1]。

已经实现标准化的差压装置有孔板、喷嘴和文丘里管，各种不同类型的差压装置，各具特色[2]，设计选型时应扬长避短。

笔者曾读过一篇关于孔板的压损与能耗的文章，其主要论点： 在流量和直径比β相同时，喷嘴的压力损失只有孔板的30%～50%，进而计算某口径的孔板，在一年之内损耗的能量高达几十万元[3]。针对该论点笔者有2点质疑： 在实际使用中，喷嘴的压力损失是否真的能比孔板小一半；若差压装置上能量没有损耗，那么谁会是受益者。

2　喷嘴和孔板的压力损失分析

在ISO 5167—2003(E)和GB/T2624—2006中，喷嘴(指ISA1932喷嘴)和标准孔板压力损失计算用的是同一个公式[4-5]：

(1)

式中：Δϖ—— 压力损失，Pa；C—— 流出系数；Δp—— 差压，Pa；β—— 直径比，β=d/D；d—— 节流件开孔直径，m；D—— 管道内径，m。

对于相同的测量任务，介质、流量、工况条件、管径均相同，如果采用不同的差压装置去测量，由于流出系数不同，所以计算得到的直径比也不同。

在第1节所述的文章中，提到在β值相同的条件下，压力损失孔板最大、喷嘴次之、文丘里管最小，这是因为孔板有90°直角边，而喷嘴的入口为圆弧廓形，文丘里管的收缩段阻力更小。但是相同β在相同条件下所产生的差压也是孔板最大、喷嘴次之、文丘里管最小。文章中关于三种差压装置的压力损失的结论没有问题，但是相同的直径比β只是假设，在工程选型和设计中没有实际意义。因为在三种差压装置中作选择时，无需强调要用相同的β值，作为用户来说，只要β值不超过限制条件就行，应关注的是压力损失或与此密切相关的满量程差压Δpmax。因为Δpmax取值太大，将会使差压装置上损失的能量增大，而Δpmax取值太小，又会造成差压信号传递失真。因此，举例说明两种差压装置上压力损失的确切数值。

已知某一流量测量对象，介质为水蒸气，常用压力p1为4.5MPa (G)，常用温度t为450℃，满刻度流量qmmax为2.6×105kg/h，管道内径D20为493mm，差压上限Δpmax为100kPa。若选ISA 1932喷嘴，经计算得β=0.4687，C=0.9798。若选标准孔板，则β=0.5855，C=0.6041。将这些值分别代入式(1)就可得到满刻度时的压力损失，喷嘴压力损失Δϖ=0.6469Δp；标准孔板压力损失Δϖ=0.6459Δp。显然，孔板压力损失略小于喷嘴压力损失。究其原因是孔板的β值比喷嘴的β值大一些，与文章中所做的假定不一致。

3　涡街流量计压力损失分析

涡街流量传感器上压力损失计算公式与喷嘴、孔板不相同，以横河公司提供的DY型涡街流量传感器为例，其公式为[6-8]

Δϖ=1.08ρ v2

(2)

式中：ρ—— 流体密度，kg/m3；v—— 流速，m/s。

假定上述测量任务选用的为DN300涡街流量计DY300，并假定流体最高温度条件下仪表能够承受，则满刻度时流速为70.64m/s，ρ=14.463 kg/m3，代入式(2)得Δϖ=77955Pa，与喷嘴和孔板上的压力损失差不多。

4　差压流量计允许压损由工艺管路设计决定

4.1一个典型的流体控制回路

作为仪表制造企业，生产的产品在使用时所产生的能量损耗小一些则是好事，但是将节省的能量损耗当作经济效益则有失偏颇，因为经济效益与能量损耗是两个不同的概念。该种计算方式并不适用于所有系统，如调节系统就不适用。

例如一家大型石化厂需要配备1个低压蒸汽系统，额定压力约为1MPa；1个中压蒸汽系统，根据流程需要，确定额定压力。每个系统可能都有几十个用户，各个用户与总管的关系如图1所示。

图1　低压蒸汽用户示意

在图1所示的回路中，总管上所提供的总压力被分配在流量计、调节阀和工艺设备上，分配的原则是工艺设备、调节阀和流量计都要具有能维持正常工作所必需的最小压降。工程上，管路系统的压损占整个系统压损的一部分，而孔板的压损只占管路系统压损的一部分。如果流量计上的压损可以小一些，那么调节阀上的压降就得大一些，最后平衡掉多余的压差，工艺设备一般是不承担平衡压差的任务的，因而并不会因为流量计中减小了能量损耗而获得相应的经济效益。

4.2适当降低总管压力

在由工业锅炉供汽的热力公司，设法将总管压力降低则会有一定的经济效益。在一个供热网有很多用户，每个用户对蒸汽压力的要求都不相同，有的甚至嫌热力公司供的蒸汽压力太高，于是在蒸汽管进入用户界区后，另外增设自动减压阀，将压力降低后再进生产设备。在这样的系统中，决定供汽最低压力的只是很多用户中的一两家，如果供汽压力低于该下限值，就会影响生产，于是这一两个用户就需想方设法降低流量计上的压损，不仅仅是流量计，其他如调节阀、管路上一切造成压损的管件都得精打细算，有时不得不牺牲流量测量精确度以满足系统设计的需要。这时候，流量计的压损才与效益挂钩。

5　压力损失小的两面性

巴类流量计和弯管流量计也都属于差压式流量计，这两种流量计由于不像标准差压流量计那样有节流件，因而也无法根据需要通过调节β值来使Δpmax达到理想值，以致在低密度低流速的测量对象中，Δpmax只有几百帕甚至几十帕，供应商的销售人员说这是好事，大幅降低了动力损耗，但是现场的实际使用表明，带来的问题很多。由于差压上限小，只能选配微差压变送器，与大家熟悉的中差压、低差压变送器相比，这种变送器测量精确度要低得多，零点的短期稳定性和长期稳定性都较差；另外由于Δpmax太小，正常测量时的差压值也太小，三阀组内的1个气泡(测量气体时是1滴冷凝液)，都会使流量显示值产生很大偏差[8]。

上海某机场在基建阶段安装了35台各种不同口径的弯管流量计，用于能源的计量，仪表投运后普遍效果较差。如，空调冷冻水用的流量计在冬季冷冻水已停时依然指示很大的流量，以至最后无法通过政府授权机构的检定，仪表全部报废。

由于这个原因，人们就在想方设法提高此类流量计的传感器输出差压，其中罗斯蒙特公司的T形阿牛巴流量计，能使其输出的差压值比菱形截面检测杆高80%，从而受到同行的赞许[8]。

6　喷嘴和孔板其他方面的差异

前面讨论的都是压力损失与节能方面的内容，除此之外，在喷嘴与孔板的选用中，还有如下几个问题要考虑：

1) 直管段要求的差异。在第4节的实例中，完全相同的使用条件下，由于喷嘴的β比孔板小，所以直管段要求也有很大差异，查阅GB/T 2624—2006中的规定，喷嘴直管段要求14D，而孔板要求39D。

2) 孔板有可能会超过限制条件。在电厂的蒸汽流量测量中，高温、高压、高流速的条件比较多。由于压力高，对应的流体密度就大，在初选了Δpmax后计算得到的β有时会大于0.75，因而超过限制条件，为了将β缩小，可将Δpmax适当增大，但是这又增大了能耗。这种情况下如果改选喷嘴，β大多数不会超过0.8的限制条件(喷嘴和孔板的β限制条件不相同)。若还是超过限制条件，则只有适当放大Δpmax或扩大管径[9]。

3) 节流件的变形。节流件变形是由多方面的因素决定的，其中，喷嘴由于圆弧廓形的结构特点，具有极高的抗变形能力，所以该种节流件与管道之间，无论是采用法兰连接还是焊接，都不会因热膨胀导致损坏。而孔板如果与环室之间或与法兰之间预留的径向间隙不够大，却会因热膨胀导致板片变形，由平板变成碗形，甚至由此引起密封垫片处介质外泄，所以设计制造时要特别注意。

4) 节流件的耐磨性。喷嘴的耐磨性明显好于孔板，这是因为喷嘴没有直角边，而孔板有直角边。由于这个原因，JJG 640—1994差压流量计检定规程规定，标准孔板检定周期为2a，而喷嘴检定周期可达4a[10]。在被测介质为河水及含有固体颗粒时，使用一段时间，孔板直角边会出现r变大的痕迹，而介质为中低压蒸汽和一般气体时，未见明显的磨损。

5) 不确定度的差异。喷嘴的不确定度最好能达到0.8%(与β有关)，而标准孔板的不确定度能达到0.5%[5]。

6) 经济性的差异。生产1台喷嘴的材料要比孔板多若干倍，所以喷嘴的生产成本比孔板高1倍是正常的。

7　结束语

在选用差压流量计中，在永久性压损不大于允许值的前提下，主要考虑的是测量精确度和价格，在这两方面，孔板占有明显的优势，所以市场占有率也雄居首位。

1) 在相同的流量和相同的β时，喷嘴的压力损失只有孔板的30%～50%这一论点是对的，但其隐含的推论是错的，因为差压装置计算中，有多个因素可改变，设计时可采用不同β。

2) 在相同流量、相同工况条件和相同差压上限的条件下，孔板的β比喷嘴大得多，这是由于喷嘴的流出系数约比孔板大60%引起的。

3) 在一个典型的流体控制系统中，通常包含工艺设备、用于控制的阀门以及流量计等，流量计上节省的能量损耗通常要控制阀来平衡，因而这种节省不能转化成经济效益，只有个别情况才会出现经济效益。因此，设计时应根据具体情况区别对待，不能只追求低压损，计量仪表还是要以确保测量精确度为主。

4) 喷嘴和孔板在直管段长度要求、超过限制条件、节流件变形、耐磨性、不确定度以及制造成本等方面都有差异，设计选型时应扬长避短、趋利避害，合理决策。

[1]蔡武昌，孙淮清，纪纲.流量测量方法和仪表的选用[M].北京：化学工业出版社，2003.

[2]苏彦勋，梁国伟，盛健.流量计量与测试[M].2版.北京： 中国计量出版社，2007.

[3]赵颖麟，赵文.用弯管流量计取代孔板流量计节能效益分析[J].工业计量，2007(A01)： 22-23.

[4]ISO.ISO 5167-2—2003 Measurement of Fluid by Means of Pressure Differential Devices Inserted in Circular-corss Section Conduits Running Full-part2： Orifice Plates[S]. Geneva： International Organization for Standardization， 2003.

[5]李明华，彭淑琴，龙竹霖，等.GB/T 2624—2006用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量[S].北京： 中国标准出版社，2006.

[6]姜仲霞，姜川涛，刘桂芳.涡街流量计[M].北京： 中国石化出版社，2006.

[7]纪纲.流量测量仪表应用技巧[M].2版.北京： 化学工业出版社，2009.

[8]纪纲，纪波峰.流量测量系统远程诊断集锦[M].北京： 化学工业出版社，2012.

[9]孙淮清，王建中.流量测量节流装置设计手册[M].2版.北京： 化学工业出版社，2005.

[10]翟秀贞，谢纪绩，杨希文，等.JJG 640—1994差压式流量计检定规程[S].北京： 中国计量出版社，1994.

[11]杨振，孙立军，郭素娜.现场安装方式对户用热量表流量测量特性影响的实验研究[J].化工自动化及仪表，2014，41(11)： 1260-1263，1323.

Analysis of Pressure Loss and Energy Efficiency in Steam Flow Measurement

YeHaiqing1， Qiu Xuanzhen2， Ji Bofeng3， Ji Gang3

(1. Hangzhou Institute of Quality and Technical Supervision and Inspection， Hangzhou，310019， China；2. Sinopec Shanghai Engineering Co. Ltd.， Shanghai，200120， China；3. Shanghai Tontion Automation Instrumentation Co. Ltd.， Shanghai， 200070， China)

nozzle； orifice； pressure loss； energy saving； diameter ratio; straight pipe； throttling device deformation； uncertainty

叶海青(1970—)，男，浙江杭州人，2011年毕业于中国地质大学土木专业，现就职于杭州市质量技术监督检测院，任助理工程师。

TH814

B

1007-7324(2016)04-0047-03

稿件收到日期： 2016-03-19。