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  时间:2022-11-1 08:17:51

多孔平衡流量计的优化与应用

摘要:多孔平衡流量计是在传统孔板流量计的基础上所研发出的新一代节流式流量计。通过介绍其基本工作原理及优化后的性能特点,并结合几种工况条件下的使用,对多孔平衡流量计的应用加以阐述。
0引言
  节流式流量计通常也被称之为差压式流量计,迄今为止仍因其制造工艺标准化、使用技术成熟、适用范围广,而被水利、石油、化工等各行各业广泛地应用,占流量计使用总数的50%以上。但同时,其测量精度低、量程比小、上下游安装直管段距离长、节流装置后所产生的永久压力损失大等诸多不足也日益趋显。
  随着仪表测量、制造技术的不断发展,为适应各种过程控制对于节流式流量计测量精度及使用性能的更高要求,新一代、具有革命性性能突破的节流式流量计,即多孔平衡流量计随之而诞生。多孔平衡流量计诞生之初由美国国家航空航天局马歇尔航空飞行中心最先应用于航天飞机主发动机的液态氧流量测量,随后因其优越的测量、使用性能被更多行业所熟知并发展使用。
1工作原理
  多孔平衡流量计沿用了传统孔板流量计的组成形式,由节流装置、传输差压信号的引压管路及测量信号所用的差压计这3个部分所组成。并巧妙地将多孔整流器与传统单孔节流孔板的结构形式、性能特点相结合,形成了新型的多孔节流整流器,用以替代原有的单孔孔板作为节流原件安装于流体管道上。多孔节流整流器上每个节流孔的尺寸大小及分布情况都是由特定的公式及实测数据计算所得,故被称之为函数孔。流量检测时,所测介质在通过多孔节流整流器的同时进行流体整流,减小节流装置后的涡流,形成较稳定的紊流,从而使引压管路能够获取到较稳定的差压信号,并进一步通过伯努利方程计算得出工艺所需体积流量、质量流量等流量参数。
多孔平衡流量计结构原理图
 
2多孔平衡流量计的性能优化
  多孔平衡流量计是以传统孔板流量计为基础,改变其节流孔的构成形式,从而极大程度地优化了使用性能。
1)平衡流场,提高测量精度
  传统孔板流量计的节流装置只设有一个圆形节流孔,节流原件与管壁结合处成直角,在流体通过节流孔时,孔两边会有大面积的“死区”,从而产生持久的涡流,进而大量消耗流体的动能。同时,杂乱的涡流所形成的流体波动和噪声也会让测量的线性度和准确性降低,并且需要较长的直管段来恢复流体正常的压力和流场。多孔平衡流量计的节流装置结合了多孔整流器的整流原理,通过使用精密的计算,使多孔节流整流器可以最大程度地减少死区效应,避免涡流的产生,平衡流场,降低因涡流所引起的信号波动,提高取压点数据的准确性,从而使检测精度从传统孔板流量计的±1%~±2%提高至±0.3%、±0.5%,能更好的适用于如能量计量、贸易核算等有较高流量测量精度要求的场合。
2)减小永久压力损失、缩短直管段安装距离
  多孔平衡流量计的节流装置采用了对称式的流通孔布局设计,提升了流体通过的效率,最大程度地降低了涡流的形成,减少了流体通过节流装置时造成的紊流摩擦及动能的损失,和传统孔板流量计相比,既可获得更精确的差压信号,又降低了1/3~1/2的永久性的压力损失。同时,节流装置后流体压力较快的平稳恢复又可缩短流量计安装时所需的上下游直管段距离。通常,多孔平衡流量计的上下游安装直管段只需0.5D~2D,是传统孔板流量计所需直管段的1/7甚至更短,很大程度上节省了流体测量的管道材料及安装投入成本,这一优势也得到了各行业的广泛认可。
3)量程比宽、稳定性更好
  多孔平衡流量计特殊的多孔节流装置极大程度地提高了流体测量量程比。美国某机构的实验数据结果显示,多孔平衡流量计常规测量的量程比可以做到7:1~10:1,如果函数孔计算参数选择合适,量程比可以达到30:1甚至更高,这一数据比传统孔板流量计要高出2~7倍。而且,传统孔板流量计的流量系数--般在雷诺数高于4000时才能趋于平稳,在雷诺数较低时受其影响较大。但多孔平衡流量计的管道内基本无滞留区,其流量系数受雷诺数的影响很小。即使在较低雷诺数的测量条件下,多孔平衡流量计的准确性依然能够得到保证,从根本上提升了流量检测时测量精度的稳定性。
3多孔平衡流量计的应用
  多孔平衡流量计不仅适合在常见工况条件下使用,在某些特殊工况流量测量中也得到了很好的应用。
1)高量程比流量测量
  在医药、化工等行业中,蒸汽一般作为热媒介质被用于加热或加湿工段,通常由于不同季节或一天中的不同时段所需加热、加湿量的不同,造成燕汽能源计量时蒸汽总管用汽流量有较大波动,往往远远超出传统孔板流量计3:1的量程比范围。同样,在其他类似需要大量程比流量测量时,传统孔板流量计亦无法适用。而多孔平衡流量计可适用于10:1甚至更高的量程比的流量测量,并且因其测量精度高,受雷诺数影响小,可进行较为精准的高量程比流量检测或能源计量。
2)双向流流量测量
  传统孔板流量计的节流装置仅在下游设有斜角,而多孔平衡流量计的节流装置上下游采取完全对称设计。这种对称的结构形式使其在某些需要双向流流量检测的特殊工况条件下,可以实现只使用一台流量仪表即可进行双向流流量检测。
3)短直管段流量测量
  受场地大小、建筑尺寸等外在客观条件的限制,在布置工艺管道走向时往往无法为流量测量预留出足够的直管段安装距离,从而影响测量精度。特别是在特殊贵重金属如锆材、哈氏合金、铬钼合金钢等工艺管道上进行流量测量时,较长的直管段需求意味着昂贵的建设成本。在这种情况下,多孔平衡流量计上下游直管段距离仅需0.5D~2D的应用优势尤为明显,即可节省工艺管道、安装支架等的铺设成本,又可满足在短直管段流量测量时的精度要求,是一种较为经济的流量检测配置方式。
4)大口径流量检测
  在大口径的流量检测中,多孔平衡流量计亦有其不可替代的独特优势。只需通过精确计算对相应节流孔的尺寸、数量及分布情况进行调整,即可在较短的管道距离内进行大口径的流量测量,无需担忧因管道口径较大而产生的15D甚至更长的上下游直管段距离。特别是在高温、低压等各种严苛工况下,多孔平衡流量计也能保证大口径流量测量精度的稳定性。同时,可以使用多对取压孔进行取压的冗余配置,以确保差压信号被有效传输,降低大口径流量检测的后期维护、清扫、运营成本。
5)高温及极低温流体测量
  由于本体及法兰材质选择的多样化,多孔平衡流量计拥有较为广泛的工作温度。通过对不同材质的选用,多孔平衡流量计可测量850C甚至更高温度的高温流体介质,亦适用于液氮、液氧、液氢、液氩等极低温流体的流量测量。
6)多种管道连接方式选择
  多孔平衡流量计诞世至今,为适应各种工况的管道连接要求,逐步衍生出多种连接方式以供选择。如可用于大多数:工况的管道式法兰连接,可用于大口径流量测量的对夹式连接,适用于高温高压工况的焊接式连接以及适用于黏稠、有毒、强腐蚀液体、脏污及粉尘气体介质流量测量的双法兰式连接等等。而节流装置的外形也从最初便于管道连接的圆管形节流装置,演变出方管式节流装置,以便于更简便地与各种方形管道进行连接,可适用于空调系统送、排风风量检测。
7)一体化
  在检测仪表一体化的发展趋势带动下,多孔平衡流量计同样化零为整,将节流原件、引压管路、阀组及差压计等需分步安装的仪表原件整合为一体,从而减少安装步骤,以满足适合工况条件下快速安装、使用的需求。
3核电仿真机验证
  为验证上述分析,在某核电站进行全方位仿真机验证。试验变量描述如表1所示。
  仿真结果如图4所示。当电网频率由50Hz将至49.75Hz时,机组进行一次调频动作,产生约为64MW的一次调频补偿量。汽机主汽门在76s内由55%开度开启至全开,汽机功率GRE0I2MY由1089MW上升至1144MW,R棒RGL013QM在102s内提升了6步,C2报警信号出现,控制棒提升被闭锁,热功率为3011MWt,这些都将导致核电机组无法安全稳定的运行,并且超出了核电机组运行技术规范,根据规程,核电操纵员必须要避免此类状况的发生,当发生此类功率,必须手动降低反应堆的功率,是机组核功率稳定在100%之内。
 

4一次调频优化
  由于反应堆的控制模式是“堆跟机模式”,即反应堆的功率紧紧跟随汽轮机的功率。如果反应堆因为汽轮机一次调频功能而超功率,将会闭锁控制棒,甚至会紧急停堆,反而会加剧电网频率异常事故。基于上述分析,核电机组的控制特性决定其参与一次调频的能力有限,核电一次调频死区设置太小,当电网发生故障时,可能会对核电机组的安全运行造成影响,使机组停机,造成更大事故。因此综合考虑,从以下方面考虑进行优化研究。
根据核电机组的特殊性,优化设置一次调频限幅值。
  优化设置一次调频死区值,整个电网一次调频动作分梯队进行,优先进行水电、火电一次调频动作,最后进行对稳定要求较高的核电机组一次调频动作。
  增加预警信号,在反应堆保护动作启动前,增加一些预警信号,能更好的控制汽轮机一次调频动作。
5结束语
  电网频率是电网安全稳定运行的关键参数,其控制主要依靠各发电机组的一次调频和二次调频实现的,其中一次调频尤为重要。针对核电机组满功率情况下,分析了一次调频动作存在的风险,并提出相应的优化研究的方向,对核电机组一次调频有重要的指导意义。

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