摘要:多孔平衡流量計(jì)是在傳統(tǒng)孔板流量計(jì)的基礎(chǔ)上所研發(fā)出的新一代節(jié)流式流量計(jì)。通過介紹其基本工作原理及優(yōu)化后的性能特點(diǎn)，并結(jié)合幾種工況條件下的使用，對(duì)多孔平衡流量計(jì)的應(yīng)用加以闡述。
0引言
節(jié)流式流量計(jì)通常也被稱之為差壓式流量計(jì)，迄今為止仍因其制造工藝標(biāo)準(zhǔn)化、使用技術(shù)成熟、適用范圍廣，而被水利、石油、化工等各行各業(yè)廣泛地應(yīng)用，占流量計(jì)使用總數(shù)的50%以上。但同時(shí)，其測量精度低、量程比小、上下游安裝直管段距離長、節(jié)流裝置后所產(chǎn)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(shù)的不斷發(fā)展，為適應(yīng)各種過程控制對(duì)于節(jié)流式流量計(jì)測量精度及使用性能的更高要求節(jié)流式流量計(jì)，即多孔平衡流量計(jì)隨之而誕生。多孔平衡流量計(jì)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(yīng)用于航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)的液態(tài)氧流量測量，隨后因其測量、使用性能被更多行業(yè)所熟知并發(fā)展使用。
1工作原理
多孔平衡流量計(jì)沿用了傳統(tǒng)孔板流量計(jì)的組成形式，由節(jié)流裝置、傳輸差壓信號(hào)的引壓管路及測量信號(hào)所用的差壓計(jì)這3個(gè)部分所組成。并巧妙地將多孔整流器與傳統(tǒng)單孔節(jié)流孔板的結(jié)構(gòu)形式、性能特點(diǎn)相結(jié)合，形成了新型的多孔節(jié)流整流器，用以替代原有的單孔孔板作為節(jié)流原件安裝于流體管道上。多孔節(jié)流整流器上每個(gè)節(jié)流孔的尺寸大小及分布情況都是由特定的公式及實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)算所得，故被稱之為函數(shù)孔。流量檢測時(shí)，所測介質(zhì)在通過多孔節(jié)流整流器的同時(shí)進(jìn)行流體整流，減小節(jié)流裝置后的渦流，形成較穩(wěn)定的紊流，從而使引壓管路能夠獲取到較穩(wěn)定的差壓信號(hào)，并進(jìn)一步通過伯努利方程計(jì)算得出工藝所需體積流量、質(zhì)量流量等流量參數(shù)。
2多孔平衡流量計(jì)的性能優(yōu)化
多孔平衡流量計(jì)是以傳統(tǒng)孔板流量計(jì)為基礎(chǔ)，改變其節(jié)流孔的構(gòu)成形式，從而極大程度地優(yōu)化了使用性能。
1)平衡流場，提高測量精度
傳統(tǒng)孔板流量計(jì)的節(jié)流裝置只設(shè)有一個(gè)圓形節(jié)流孔，節(jié)流原件與管壁結(jié)合處成直角，在流體通過節(jié)流孔時(shí)，孔兩邊會(huì)有大面積的“死區(qū)”，從而產(chǎn)生持久的渦流，進(jìn)而大量消耗流體的動(dòng)能。同時(shí)，雜亂的渦流所形成的流體波動(dòng)和噪聲也會(huì)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(fù)流體正常的壓力和流場。多孔平衡流量計(jì)的節(jié)流裝置結(jié)合了多孔整流器的整流原理，通過使用精密的計(jì)算，使多孔節(jié)流整流器可以最大程度地減少死區(qū)效應(yīng)，避免渦流的產(chǎn)生，平衡流場，降低因渦流所引起的信號(hào)波動(dòng)，提高取壓點(diǎn)數(shù)據(jù)的正確率，從而使檢測精度從傳統(tǒng)孔板流量計(jì)的±1%~±2%提高至±0.3%、±0.5%，能更好的適用于如能量計(jì)量、貿(mào)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(jì)的節(jié)流裝置采用了對(duì)稱式的流通孔布局設(shè)計(jì)，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(jié)流裝置時(shí)造成的紊流摩擦及動(dòng)能的損失，和傳統(tǒng)孔板流量計(jì)相比，既可獲得更差壓信號(hào)，又降低了1/3~1/2的永久性的壓力損失。同時(shí)，節(jié)流裝置后流體壓力較快的平穩(wěn)恢復(fù)又可縮短流量計(jì)安裝時(shí)所需的上下游直管段距離。通常，多孔平衡流量計(jì)的上下游安裝直管段只需0.5D~2D,是傳統(tǒng)孔板流量計(jì)所需直管段的1/7甚至更短，很大程度上節(jié)省了流體測量的管道材料及安裝投入成本，這一優(yōu)勢也得到了各行業(yè)的廣泛認(rèn)可。
3)量程比寬、穩(wěn)定性更好
多孔平衡流量計(jì)特殊的多孔節(jié)流裝置極大程度地提高了流體測量量程比。美國某機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，多孔平衡流量計(jì)常規(guī)測量的量程比可以做到7:1~10:1，如果函數(shù)孔計(jì)算參數(shù)選擇合適，量程比可以達(dá)到30:1甚至更高，這一數(shù)據(jù)比傳統(tǒng)孔板流量計(jì)要高出2~7倍。而且，傳統(tǒng)孔板流量計(jì)的流量系數(shù)--般在雷諾數(shù)高于4000時(shí)才能趨于平穩(wěn)，在雷諾數(shù)較低時(shí)受其影響較大。但多孔平衡流量計(jì)的管道內(nèi)基本無滯留區(qū)，其流量系數(shù)受雷諾數(shù)的影響很小。即使在較低雷諾數(shù)的測量條件下，多孔平衡流量計(jì)的正確率依然能夠得到保證，從根本上提升了流量檢測時(shí)測量精度的穩(wěn)定性。
3多孔平衡流量計(jì)的應(yīng)用
多孔平衡流量計(jì)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(yīng)用。
1)高量程比流量測量
在醫(yī)藥、化工等行業(yè)中，蒸汽一般作為熱媒介質(zhì)被用于加熱或加濕工段，通常由于不同季節(jié)或一天中的不同時(shí)段所需加熱、加濕量的不同，造成燕汽能源計(jì)量時(shí)蒸汽總管用汽流量有較大波動(dòng)，往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)孔板流量計(jì)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(shí),傳統(tǒng)孔板流量計(jì)亦無法適用。而多孔平衡流量計(jì)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(shù)影響小，可進(jìn)行較為正確的高量程比流量檢測或能源計(jì)量。
2)雙向流流量測量
傳統(tǒng)孔板流量計(jì)的節(jié)流裝置僅在下游設(shè)有斜角，而多孔平衡流量計(jì)的節(jié)流裝置上下游采取完全對(duì)稱設(shè)計(jì)。這種對(duì)稱的結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)只使用一臺(tái)流量儀表即可進(jìn)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(shí)往往無法為流量測量預(yù)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(jìn)行流量測量時(shí)，較長的直管段需求意味著昂貴的建設(shè)成本。在這種情況下，多孔平衡流量計(jì)上下游直管段距離僅需0.5D~2D的應(yīng)用優(yōu)勢尤為明顯，即可節(jié)省工藝管道、安裝支架等的鋪設(shè)成本，又可滿足在短直管段流量測量時(shí)的精度要求，是一種較為經(jīng)濟(jì)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(jì)亦有其不可替代的獨(dú)特優(yōu)勢。只需通過正確計(jì)算對(duì)相應(yīng)節(jié)流孔的尺寸、數(shù)量及分布情況進(jìn)行調(diào)整，即可在較短的管道距離內(nèi)進(jìn)行大口徑的流量測量，無需擔(dān)憂因管道口徑較大而產(chǎn)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(yán)苛工況下，多孔平衡流量計(jì)也能保證大口徑流量測量精度的穩(wěn)定性。同時(shí)，可以使用多對(duì)取壓孔進(jìn)行取壓的冗余配置，以確保差壓信號(hào)被有效傳輸，降低大口徑流量檢測的后期維護(hù)、清掃、運(yùn)營成本。
5)高溫及極低溫流體測量
由于本體及法蘭材質(zhì)選擇的多樣化，多孔平衡流量計(jì)擁有較為廣泛的工作溫度。通過對(duì)不同材質(zhì)的選用，多孔平衡流量計(jì)可測量850C甚至更高溫度的高溫流體介質(zhì),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(jì)誕世至今，為適應(yīng)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(shù):工況的管道式法蘭連接，可用于大口徑流量測量的對(duì)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(qiáng)腐蝕液體、臟污及粉塵氣體介質(zhì)流量測量的雙法蘭式連接等等。而節(jié)流裝置的外形也從最初便于管道連接的圓管形節(jié)流裝置，演變出方管式節(jié)流裝置，以便于更簡便地與各種方形管道進(jìn)行連接，可適用于空調(diào)系統(tǒng)送、排風(fēng)風(fēng)量檢測。
7)一體化
在檢測儀表一體化的發(fā)展趨勢帶動(dòng)下，多孔平衡流量計(jì)同樣化零為整，將節(jié)流原件、引壓管路、閥組及差壓計(jì)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(jī)驗(yàn)證
為驗(yàn)證上述分析,在某核電站進(jìn)行全方位仿真機(jī)驗(yàn)證。試驗(yàn)變量描述如表1所示。
仿真結(jié)果如圖4所示。當(dāng)電網(wǎng)頻率由50Hz將至49.75Hz時(shí)，機(jī)組進(jìn)行一次調(diào)頻動(dòng)作，產(chǎn)生約為64MW的一次調(diào)頻補(bǔ)償量。汽機(jī)主汽門在76s內(nèi)由55%開度開啟至全開，汽機(jī)功率GRE0I2MY由1089MW上升至1144MW,R棒RGL013QM在102s內(nèi)提升了6步,C2報(bào)警信號(hào)出現(xiàn)，控制棒提升被閉鎖，熱功率為3011MWt,這些都將導(dǎo)致核電機(jī)組無法安全穩(wěn)定的運(yùn)行，并且超出了核電機(jī)組運(yùn)行技術(shù)規(guī)范,根據(jù)規(guī)程,核電操縱員必須要避免此類狀況的發(fā)生，當(dāng)發(fā)生此類功率，必須手動(dòng)降低反應(yīng)堆的功率，是機(jī)組核功率穩(wěn)定在100%之內(nèi)。
4一次調(diào)頻優(yōu)化
由于反應(yīng)堆的控制模式是“堆跟機(jī)模式”，即反應(yīng)堆的功率緊緊跟隨汽輪機(jī)的功率。如果反應(yīng)堆因?yàn)槠啓C(jī)一次調(diào)頻功能而超功率,將會(huì)閉鎖控制棒，甚至?xí)o急停堆，反而會(huì)加劇電網(wǎng)頻率異常事故�；谏鲜龇治觯穗姍C(jī)組的控制特性決定其參與一次調(diào)頻的能力有限，核電一次調(diào)頻死區(qū)設(shè)置太小，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，可能會(huì)對(duì)核電機(jī)組的安全運(yùn)行造成影響，使機(jī)組停機(jī)，造成更大事故。因此綜合考慮，從以下方面考慮進(jìn)行優(yōu)化研究。
根據(jù)核電機(jī)組的特殊性，優(yōu)化設(shè)置一次調(diào)頻限幅值。
優(yōu)化設(shè)置一次調(diào)頻死區(qū)值，整個(gè)電網(wǎng)一次調(diào)頻動(dòng)作分梯隊(duì)進(jìn)行，進(jìn)行水電、火電一次調(diào)頻動(dòng)作，最后進(jìn)行對(duì)穩(wěn)定要求較高的核電機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作。
增加預(yù)警信號(hào),在反應(yīng)堆保護(hù)動(dòng)作啟動(dòng)前，增加一些預(yù)警信號(hào)，能更好的控制汽輪機(jī)一次調(diào)頻動(dòng)作。
5結(jié)束語
電網(wǎng)頻率是電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)，其控制主要依靠各發(fā)電機(jī)組的一次調(diào)頻和二次調(diào)頻實(shí)現(xiàn)的，其中一次調(diào)頻尤為重要。針對(duì)核電機(jī)組滿功率情況下，分析了一次調(diào)頻動(dòng)作存在的風(fēng)險(xiǎn)，并提出相應(yīng)的方向，對(duì)核電機(jī)組一次調(diào)頻有重要的指導(dǎo)意義。
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