一 節(jié)能的形勢與要求

　　在過去的5年中，我國能耗一直走高，原計(jì)劃"十五"期間能源消費(fèi)總量平均增長3.26%，單位產(chǎn)值能耗5年下降15～17%，結(jié)果卻是能源消費(fèi)總量平均增長10%，單位產(chǎn)值能耗5年上升了7%。這些數(shù)字充分說明中國傳統(tǒng)的粗放型經(jīng)濟(jì)增長方式再也不能繼續(xù)下去了，必須從根本上轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長方式。"十一五"時(shí)期，我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的兩個(gè)主要目標(biāo)之就是："資源利用效率顯著提高，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗比"十五"期末降低20%左右。在國家質(zhì)檢總局計(jì)量司2006年工作要點(diǎn)中也強(qiáng)調(diào)要加強(qiáng)能源計(jì)量工作，要制定冶金、有色金屬、石油石化、化工、電力、建材等企業(yè)能源計(jì)量器具配備和管理要求，進(jìn)一步滿足重點(diǎn)耗能行業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營和節(jié)能降耗的需要；圍繞建設(shè)節(jié)約型社會，加強(qiáng)能源計(jì)量器具管理，修訂不能滿足需要的國家計(jì)量檢定規(guī)程，淘汰不符合國家規(guī)定的落后產(chǎn)品。

　　二 在連續(xù)生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源

　　實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗現(xiàn)已成為各大企業(yè)必須高度重視的極其重要和緊迫的任務(wù)。因此，節(jié)能降耗也是擺在每一位計(jì)量工作者面前的重大課題。為了貫徹、執(zhí)行這些要求，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)，應(yīng)采用節(jié)能降耗的新技術(shù)。對于計(jì)量工作者來說，就要掌握計(jì)算耗能費(fèi)的方法，要在設(shè)計(jì)中選用壓損小的流量計(jì)，并有計(jì)劃地逐步將高能耗的流量計(jì)淘汰下來。國際流量測量專家米勒先生在《流量測量工程手冊》中論及按節(jié)能降耗要求進(jìn)行流量計(jì)選型時(shí)，指出："對于連續(xù)的工業(yè)生產(chǎn)過程，由壓損所引起的額外耗能費(fèi)，是在流量計(jì)選型時(shí)必須要考慮的一個(gè)重要因素。特別是對于較大口徑、較大流量的管道，由泵或壓縮機(jī)輸送流體所需的耗能費(fèi)是很大的。在此情況下，應(yīng)選用一個(gè)壓損小的流量計(jì)。這個(gè)流量計(jì)雖然可能貴些，但可以證明選用它是合算的。"

　　在進(jìn)行流量計(jì)選型時(shí)必須要遵守的這一重要原則是早在1983年米勒先生就已提醒我們的，對于一個(gè)稍有化工原理基礎(chǔ)知識的設(shè)計(jì)人員來說也是顯而易見的。

　　三 表征各種流量計(jì)壓損值的方法

　　為便于計(jì)量工作者對流量計(jì)進(jìn)行合理的選型，國外曾有人對10種不同類型的流量計(jì)作過如下的實(shí)流實(shí)驗(yàn)測試：即在相同管徑(80毫米)的管道中，讓相同的流體(水)流過，在相同的流量(流量等于68.13米3/時(shí))下，測量出每一種流量計(jì)的壓損值(千帕)，其壓損值如表1所示。

　　從表1中可以看出：在管內(nèi)徑為80mm的管道中，當(dāng)水流量為68.13m3/h(流速為3.765m/s)時(shí)，科氏力質(zhì)量流量計(jì)的壓損都較大，孔板的壓損也很大，只有文丘里管、文丘里噴嘴和V形內(nèi)錐流量計(jì)的壓損較小，屬于低壓損的流量計(jì)。應(yīng)該指出：除科氏力質(zhì)量流量計(jì)和孔板流量計(jì)外，表1中尚未示出的旋進(jìn)旋渦流量計(jì)、測量液體的容積式流量計(jì)和臨界流流量計(jì)壓損較大。

　　從表1中還可以看出：在相同的流量下，V形內(nèi)錐(VNZ)流量計(jì)的壓損值約為孔板壓損值的五分之一，約為科氏力質(zhì)量流量計(jì)壓損值的九分之一。

　　四 目前我國主要高耗能行業(yè)中流量計(jì)選型概況

　　在我國電力、鋼鐵、石化、化工、有色、建材、輕工、紡織和石油等高耗能行業(yè)中，仍大量使用著孔板流量計(jì)，約占流量計(jì)總數(shù)的70～80%。

　　由于流量計(jì)選型不當(dāng)，在一些石化和化工產(chǎn)品的貿(mào)易輸送場合(如汽油、煤油、柴油及化工產(chǎn)品的出廠裝船或裝車點(diǎn))，在150mm～300mm的大口徑管道上，目前仍相當(dāng)多地安裝和使用著大口徑的科氏力質(zhì)量流量計(jì)。由于壓損較大，耗能費(fèi)經(jīng)常超標(biāo)。除壓損較大以外，科氏力質(zhì)量流量計(jì)在150～300mm大口徑管道上的零點(diǎn)漂移嚴(yán)重，經(jīng)常造成計(jì)量誤差。

　　目前，在日本也已發(fā)現(xiàn)同樣類似的問題。現(xiàn)在日本也正在推廣采用天然氣作燃料的汽車。在日本有1萬多輛用壓縮天然氣(CNG)作燃料的汽車正在使用，全日本共有200多個(gè)CNG的加氣站。目前，大多數(shù)的CNG配售機(jī)都采用科氏力質(zhì)量流量計(jì)來測量CNG的流量，CNG的壓力高達(dá)25MPa(即250kgf/ cm2表壓)。

　　各汽車制造廠目前都正在開發(fā)氫燃料的汽車，而作為基礎(chǔ)設(shè)施同時(shí)也要求開發(fā)氫氣的自動配售機(jī)。為了在單位時(shí)間內(nèi)能更加有效地添加氫燃料，有必要把氫氣進(jìn)一步壓縮得比目前的CNG具有更高的壓縮程度。因此要求流量計(jì)能測量高達(dá)70MPa的氫氣流量，而同時(shí)該氣體的密度卻要比CNG小得多。雖然許多汽車制造廠目前仍在使用科氏力質(zhì)量流量計(jì)測量氫氣的流量，但是日本國家計(jì)量科學(xué)研究院(NMIJ)已經(jīng)開始研發(fā)使用音速噴嘴和超聲流量傳感器的新課題。他們的想法是：燃?xì)庾詣优涫蹤C(jī)是一個(gè)貿(mào)易結(jié)算的計(jì)量儀器，要求由計(jì)量部門檢定，打鉛封后，它應(yīng)有長期的穩(wěn)定性，而目前使用的科氏力質(zhì)量流量計(jì)較難達(dá)到所要求的長期穩(wěn)定性。

　　五 正確理解V形

    內(nèi)錐(VNZ) 流量計(jì)的壓損值較小

　　可以從以下兩方面來理解：

　　(1)在V形錐體的下游會形成一個(gè)高速、高紊流和含有軸對稱小旋渦的低壓區(qū)。如圖1所示。

　　這些小旋渦在取壓孔處會形成高頻低幅的壓力脈動信號，此低幅的壓力脈動信號會形成差壓輸出信號中的低噪聲的背景噪聲。由于差壓輸出信號中的背景噪聲很小，較低的差壓值也能有效地被檢測出來，所以，在設(shè)計(jì)V形內(nèi)錐流量計(jì)時(shí)，容許設(shè)計(jì)者選用較低的差壓上限值。差壓值小，壓損值也小，耗能費(fèi)會小得多。

　　這與孔板下游的大旋渦和在孔板的測壓點(diǎn)處由于這種大旋渦所形成的高噪聲的背景噪聲正好形成顯明的對照?？装迩?、后的大旋渦如圖2所示。

　　在VNZ節(jié)流裝置的上游測壓點(diǎn)處，無旋渦；在VNZ節(jié)流裝置的下游測壓點(diǎn)處的壓力信號為低幅、高頻的脈動壓力信號(見圖3)。

    (2)VNZ節(jié)流裝置的節(jié)流作用要比孔板小些，流通能力要比孔板大些。流出系數(shù)C的典型值：V形內(nèi)錐流量計(jì)為0.85，而孔板為0.60。由于VNZ節(jié)流裝置實(shí)現(xiàn)了逐漸收縮、逐漸擴(kuò)散的邊壁節(jié)流方式，在相同的流量和相同的β值條件下，V形內(nèi)錐流量計(jì)的差壓值約為孔板差壓值的二分之一。由于差壓小，壓力損失自然小。當(dāng)設(shè)計(jì)合理時(shí)，V形內(nèi)錐流量計(jì)的壓損約為孔板流量計(jì)壓損的四分之一(或更小)，所以耗能費(fèi)會小得多。

　　六 國內(nèi)外利用V形內(nèi)錐流量計(jì)低壓損特點(diǎn)的兩個(gè)實(shí)例

　　1. 國內(nèi)實(shí)例

　　重要參數(shù)：錐體直徑528.28mm；管道內(nèi)徑612mm。

　　鑒定結(jié)果：儀表流出系數(shù)0.8355；線性度±0.24%；重復(fù)性0.06%；流量范圍425.892～1525.067m3/h；鑒定單位：上海儀器儀表自控系統(tǒng)檢驗(yàn)測試所；委托單位：寧夏銀河儀表有限公司；計(jì)量器具名稱：內(nèi)錐流量計(jì)；使用單位：云南曲靖協(xié)聯(lián)電力有限公司。

　　工藝參數(shù)：介質(zhì)為焦?fàn)t煤氣；介質(zhì)溫度25℃；介質(zhì)表壓4～5kPa(400～500mm水柱)；常用雷諾數(shù)2.015×105；管道內(nèi)徑612mm；流量9722.22～13888.89Nm3/h；標(biāo)況密度0.45kg／m3；差壓2.5kPa；壓損0.78kPa(約80mm水柱)；地區(qū)大氣壓80.5kPa。

　　2. 國外實(shí)例

　　在瑞典，SSAB的V錐流量計(jì)一直在繼續(xù)正常工作，它不受氣體中污染成分的影響，從而能提供焦?fàn)t煤氣精確的流量數(shù)據(jù)。

　　這是一個(gè)成功的應(yīng)用范例。此應(yīng)用實(shí)例的標(biāo)定參數(shù)及被測流體參數(shù)為：標(biāo)稱管道口徑150mm，管壁厚系列號Sch=40；管道實(shí)際內(nèi)徑154.380mm；被測流體為：焦?fàn)t煤氣(SSAB公司)；比重4.40×10-1(在60°F)；錐形體直徑138.329mm；黏度1.20×10-2cP(厘泊)；β值0.444；等熵指數(shù)KE：1.360；滿刻度時(shí)的差壓值11.112cm水柱流體溫度tmin=35℃；t工況45℃；tmax= 60℃；流出系數(shù)0.865；管道中的壓力Pmin=0.08bar(表壓)；P工況=0.1bar(表壓)；Pmax=0.105bar(表壓)；氣體流量：Qmin=80Nm3/h；Qcom=300Nm3/h，Qmax= 742.996Nm3/h。

　　實(shí)際應(yīng)用：測量范圍(量程比)9∶1；線性流速：1.1908～1.1059(±0.1)m/s；雷諾數(shù)范圍：8.1189×103至7.5404×104

　　七 V形內(nèi)錐流量計(jì)的其他特點(diǎn)

　　(1)V形內(nèi)錐流量計(jì)的量程比較大：由于V形內(nèi)錐節(jié)流裝置的差壓輸出信號中的背景噪聲很小，較低的差壓值也能有效地被檢測出來，因此較小的流量也可以測量出來。又由于當(dāng)雷諾數(shù)大于8000時(shí)，V形內(nèi)錐流量計(jì)流出系數(shù)的重復(fù)性和線性度都較好。

　　(2)V形內(nèi)錐流量計(jì)所要求的上、下游的直管段都很短，即有相當(dāng)強(qiáng)的流動調(diào)整能力：已由標(biāo)準(zhǔn)化公開測試所證實(shí)；

　　(3)V形內(nèi)錐節(jié)流裝置有自清掃能力，可以測量臟污流：在V形內(nèi)錐節(jié)流裝置內(nèi)無流動死角。在本文圖1中的箭頭示出了這種能力；

　　(4)V形內(nèi)錐節(jié)流裝置有自保護(hù)能力：V形內(nèi)錐節(jié)流裝置的關(guān)鍵尺寸已被推移到V形錐體的尾部，該關(guān)鍵尺寸受流體邊界層的保護(hù)，不會被磨蝕，如圖1所示。

　　八 討論和建議

　　(1)在大管徑、大流量的使用場合，科氏力質(zhì)量流量計(jì)(CMF)和孔板流量計(jì)能耗、物耗較高，不選用。對使用中的CMF和孔板，在檢修時(shí)用新型低壓損的流量計(jì)逐步取代。在這種大管徑、大流量的場合下，CMF和孔板的壓損都較大；CMF的零點(diǎn)漂移較大；孔板所要求的直管段太長，現(xiàn)場經(jīng)常無法滿足，如使用流動調(diào)整器，則壓損更大。

　　(2)建議在我國國標(biāo)委和國家質(zhì)檢總局的直接監(jiān)督下，對新型流量計(jì)開展標(biāo)準(zhǔn)化公開測試，在總結(jié)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，制定出我國關(guān)于新型差壓式流量計(jì)的相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)和檢定規(guī)程，在我國的各大工業(yè)部門中逐步、穩(wěn)健地推廣采用節(jié)能降耗的流量測量新技術(shù)；在環(huán)保工程中，采用流量測量新技術(shù)來連續(xù)監(jiān)測污染物的排放總量。

　　(3)文丘里管、文丘里噴嘴雖屬于低壓損的標(biāo)準(zhǔn)化節(jié)流裝置，但由于它們的下限雷諾數(shù)過高(大于2×105)；由于無自整流能力而要求更長的直管段，重量和體積較大、耐臟污性能差等缺點(diǎn)，不值得大力推廣應(yīng)用。

　　(4)為了能更好地確保實(shí)現(xiàn)"十一五"規(guī)劃綱要中與流量計(jì)量有密切關(guān)系的那3條約束指標(biāo)(單位GDP能耗；單位工業(yè)增加值用水量；主要污染物排放總量；)，就要從計(jì)量的源頭抓起，建議與時(shí)俱進(jìn)地提出以下10條新的流量計(jì)選型的基本要求，供各設(shè)計(jì)部門參考：

    (1)重復(fù)性要好(小于0.1%)；
    (2)系統(tǒng)精確度要較高(優(yōu)于±0.5%)(對于非貿(mào)易輸送的計(jì)量系統(tǒng)，可適當(dāng)降低1和2的指標(biāo))；
    (3)有相當(dāng)強(qiáng)的流動調(diào)整能力，要求較短的直管段，無需流動調(diào)整器；
    (4)壓力損失要小、耗能費(fèi)要少(對于大口徑、大流量的流量計(jì)，尤其要求壓損小)；
    (5)流量測量的量程比要較寬(至少10∶1)；
    (6)有自清掃能力，可測量臟污流體，無需過濾器；
    (7)耐受流體磨蝕能力要強(qiáng)，性能要長期穩(wěn)定，可靠耐用；
    (8)無可動部件，檢定周期長，使用壽命長；
    (9)故障率要小，維護(hù)與修理費(fèi)用要少；
    (10)流量計(jì)的購置費(fèi)與校準(zhǔn)費(fèi)要適中，安裝與運(yùn)行花費(fèi)要少。