平衡均速流量计及在能源管理系统中的应用

智能平衡均速流量计包括节流装置和智能变送主机。 其基于流体能量守恒定律 ，采用平衡整流的一体化多孔节流技术，是新型差压式流量测量仪表。 在能源管理系统中的应用实践表明，其具有压力损失小、测量精度高、量程比宽、安装条件要求低、耐脏污不易堵等特点。

能源管理系统 EMS 是综合采用智能仪表、网络通讯、计算机等技术构建的信息化管控系统，为生产企业的能源调度提供依据，是耗能企业对能源生产、消耗和回收进行全面监控、计划和调度的有效工具，对企业合理利用能源、降低能源消耗、增加能源回收、减少 CO2 排放，进而提高经济效益具有重要的意义。

能源管理系统需要对煤气、氧气、水蒸汽等各类能源介质的主管道和重要末端管道配备大量的计量仪表。 与流程工业的过程控制系统相比，能源管理系统的介质测量对可靠性、度、介质的适用性、 满足恶劣环境等有更高的要求。 针对能源管理系统的特点，设计合适的测量装置，确保能源介质的可靠计量是实现能源管理系统稳定运行的关键。

智能平衡均速流量计是一种新型流量测量装置。 在能源管理系统的应用实践表明，与传统流量测量仪表相比，该装置具有显著的优越性。

1.智能平衡均速流量计的结构

智能平衡均速流量计包括智能变送测量主机和节流装置， 智能变送测量主机置于管道外部，节流装置用法兰安装在管道上，如图 1 所示。

智能变送测量主机包括箱体和安装在箱体内的智能仪表、差压变送单元和压力变送单元，如图 2所示。

智能仪表包括处理器模块、模数转换模块、存储模块、人机交互模块、电源处理模块、通讯模块、信号输出模块等。 仪表采集差压、压力和温度信号，并进行流量的计算、累积、存储和查询；提供 LED 显示屏和触摸键盘人机交互接口，用于测量参数及仪器状态的显示和组态参数及操作指令的输入；具有标准的 Ethernet 和 Modbus 网络接口， 以方便直接接入或通过网关接入信息网络。

节流装置包括连接法兰、 取压室和节流板，采用一体化多孔结构的独特设计，如图 3 所示。 节流板设置在沿连接法兰的轴线方向的中间位置，为圆形板体。 其中心设置 1 个大节流孔，其外圆周上均布若干小节流孔。 节流孔的数量、位置和孔径根据不同管道的口径通过计算与测试确定。 取压室是一个中空管体，其端面分别与连接法兰内壁和节流板固接，取压管开口于取压室管壁上。 节流板中嵌装有温度传感器。

一体化多孔节流装置以法兰连接形式接入能源介质的管道中， 输出一路测量温度的电阻信号、一路测量压力的流体信号、二路测量差压的流体信号。 流体信号接入智能变送测量主机的压力变送单元和差压变送单元， 变送成 4～20 mA 的电流信号。电流信号和电阻信号接入主机的计算显示单元，通过软件计算出能源介质温度、压力、流量的瞬时值及流量的累积值，实时显示于面板上，并通过网络上传至能源管理系统。

2.平衡均速节流装置的原理

平衡均速流量计是差压式流量仪表，其工作原理是基于流体在封闭管道中的能量守恒定律。 一体化多孔节流装置安装在管道的截面上，当流体流过该装置时，在节流孔处形成局部收缩后，流速增加，在节流板前后产生压力差。 通过取压装置，可获得稳定的差压信号。 同时，流体将被平衡整流，涡流被***小化。 对于理想流体，管道中的流量与差压的平方根成正比，测出该差压值即可计算出管道中的流量。

2.1不可压缩流体的流量

对不可压缩流体， 在充分紊流的理想情况下，在节流前后（分别设为 a 截面和 b 截面）满足流动连续性方程（式 1）和伯努利方程（式 2），进而计算出流体的流量。

式中：Q 为体积流量，m3/s；va，vb 为节流前后 a、b 截面的平均流速，m/s；Pa，Pb 为节流前后 a、b 截面的压力，Pa；P1，P2 为节流前后压力的测量值，Pa； ρ 为流体密度，kg /m3；ξ 为阻力损失系数；Aa，Ab 为节流前后 a、b 截面流体面积，m2；D，db 为节流前后 a、b 截面等效直径，m；d 为节流孔的等效直径，m。

2.2可压缩流体的流量

不可压缩流体的流量计算式（4）基础上，将流体可压缩性对流体系数的影响用流束膨胀系数 ε来表示（不可压缩流体 ε=1），则可压缩性流体的流量为

式中：Q0，Q 为设定工况和实际工况流量，m3/s；P0，P为设定工况和实际工况相对压力，Pa；t0，t 为设定工况和实际工况温度，℃。

对于过热蒸汽与饱和蒸汽，采用国际水和水蒸汽性质协会提供的计算模型（IAPWS-IF97）进行温压补偿计算。

2.4标定

对于确定的节流装置，流量系数 α 和流出系数 C 仅与等效孔径比 β 和雷诺数 Re 有关。 当 Re 足够大时，α 和 C 趋于定值。 α 和 C 可通过理论计算得到，一般通过流量实标进行校核并***终确定。

在流量标定测试系统上，将流量在全量程范围内调整到若干测点，通过被测表与标准表示值的比较，可计算出仪表在各测点的误差和重复性。 通过反复校核 α 和 C 值，可使仪表的误差和重复性在一定量程范围内达到期望的水平。

3.平衡均速流量计的特点及应用效果

与传统流量计相比，平衡均速节流装置的独特结构有效地降低了介质在节流孔前后的紊流现象，削弱了涡流的形成，如图 4 所示。 从而使测量信号稳定、线性度高、测量范围广。 同时，显著地降低节流孔处的动能损失，从而减少了流体运行所需的能量消耗，节省运行费用。 平衡均速流量计在测量精度、量程比、阻力损失、应用环境等方面均有卓越的性能，特别是针对能源管理系统的特点，具有显著的优势。

1）压力损失低。 平衡均速节流装置的多孔平衡结构减弱了涡流的形成和紊流的摩擦，降低了动能损失。 在相同流量下，该装置产生的差压值与孔板近似。 但孔板的压力损约为差压值的 60%

～70%，而平衡均速节流装置的压力损约为差压值的 20%～30%。 在产生相同差压值的情况下，平衡均速节流计压力损失为孔板流量计的约 30%～40%。 对于能源管理系统，介质不同区段需设置大量的流量测点，测量仪表造成的介质动能损失是很显著的运行成本。 如一台 DN200 的孔板流量计测量蒸汽，按差压值 50 kPa 设计，压力损失约 30 kPa，而平衡均速流量计压力损失约 10 kPa，节能效果十分显著。

2）安装条件要求低。 传统仪表要求安装位置前直管段≮10D，后直管段≮5D（D 为管道内径）。 能源管理系统的流量测点， 大多需要布置在管线复杂、安装空间狭小的工业现场，采用传统流量计，通常需要进行管道的改造，否则将影响测量的度与稳定性。 由于平衡均速节流装置的流场涡流段极短，对直管段的要求大大降低[3]。 在流量标定测试系统上进行插入式干扰实验，表明平衡均速节流装置安装位置前直管段≥3D，后直管段≥2D，即可达到稳定的测量精度。 这使该装置对现场的要求明显降低，可节约大量的管道费用和工程成本。

3）测量精度高。 平衡均速节流装置使节流区流场的稳定性大大提高，降低了涡流、振动和信号噪声，提高了系统测量稳定性，使线性度比传统节流装置提升了 5～10 倍。 通过对装置的几何尺寸设计和理论计算， 即可达到准确度 1.0 级； 经过流量实标， 准确度可高于 0.5 级。  稳定的流态使得其在200～107 雷诺数的范围内均可保证测量精度， 重复性达 0.1%。

4）量程比宽。 过程控制系统中介质流量范围一般较小，而能源管网中流量的波动极大。 传统流量计的量程比一般为 3∶1，难以在流量全部波动范围内确保测量的度。 平衡均速流量计的 β 值可在0.25～0.90 范围内（常取 0.7 左右）选择，一般情况下量程比为 15∶1，选择合适的参数可以实现 30∶1。

5）耐脏污不易堵 。 传统流量计应用于焦炉煤气、高炉煤气、油等能源介质时容易发生脏污和堵塞，影响测量度。 平衡均速节流装置减少了流场死区，使脏污物质可顺利通过节流孔，因此可用于测量各种含有脏污成份的能源介质。

4.结语

智能平衡流量均速流量计作为新一代差压式流量测量装置，采用一体化多孔节流结构和智能化数据处理技术，具有压力损失小、测量精度高、量程比宽、安装条件要求低、耐脏污不易堵等特点。 应用实践表明，与传统流量计相比，该装置在节能、高精度等方面性能卓越， 并可方便地接入远程信息网络，可广泛应用于冶金、化工、电力、材料等流程工业的自动化过程控制系统中，特别适用于能源管理系统工程的能源介质流量测量。