智能平衡均速流量計(jì)包括節(jié)流裝置和智能變送主機(jī)。 其基于流體能量守恒定律 ，采用平衡整流的一體化多孔節(jié)流技術(shù)，是新型差壓式流量測量儀表。 在能源管理系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)踐表明，其具有壓力損失小、測量精度高、量程比寬、安裝條件要求低、耐臟污不易堵等特點(diǎn)。

能源管理系統(tǒng) EMS 是綜合采用智能儀表、網(wǎng)絡(luò)通訊、計(jì)算機(jī)等技術(shù)構(gòu)建的信息化管控系統(tǒng)，為生產(chǎn)企業(yè)的能源調(diào)度提供依據(jù)，是耗能企業(yè)對能源生產(chǎn)、消耗和回收進(jìn)行全面監(jiān)控、計(jì)劃和調(diào)度的有效工具，對企業(yè)合理利用能源、降低能源消耗、增加能源回收、減少 CO2 排放，進(jìn)而提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要的意義。

能源管理系統(tǒng)需要對煤氣、氧氣、水蒸汽等各類能源介質(zhì)的主管道和重要末端管道配備大量的計(jì)量儀表。 與流程工業(yè)的過程控制系統(tǒng)相比，能源管理系統(tǒng)的介質(zhì)測量對可靠性、度、介質(zhì)的適用性、 滿足惡劣環(huán)境等有更高的要求。 針對能源管理系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)合適的測量裝置，確保能源介質(zhì)的可靠計(jì)量是實(shí)現(xiàn)能源管理系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。

智能平衡均速流量計(jì)是一種新型流量測量裝置。 在能源管理系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)踐表明，與傳統(tǒng)流量測量儀表相比，該裝置具有顯著的優(yōu)越性。

1.智能平衡均速流量計(jì)的結(jié)構(gòu)

智能平衡均速流量計(jì)包括智能變送測量主機(jī)和節(jié)流裝置， 智能變送測量主機(jī)置于管道外部，節(jié)流裝置用法蘭安裝在管道上，如圖 1 所示。

智能變送測量主機(jī)包括箱體和安裝在箱體內(nèi)的智能儀表、差壓變送單元和壓力變送單元，如圖 2所示。

智能儀表包括處理器模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、存儲模塊、人機(jī)交互模塊、電源處理模塊、通訊模塊、信號輸出模塊等。 儀表采集差壓、壓力和溫度信號，并進(jìn)行流量的計(jì)算、累積、存儲和查詢；提供 LED 顯示屏和觸摸鍵盤人機(jī)交互接口，用于測量參數(shù)及儀器狀態(tài)的顯示和組態(tài)參數(shù)及操作指令的輸入；具有標(biāo)準(zhǔn)的 Ethernet 和 Modbus 網(wǎng)絡(luò)接口， 以方便直接接入或通過網(wǎng)關(guān)接入信息網(wǎng)絡(luò)。

節(jié)流裝置包括連接法蘭、 取壓室和節(jié)流板，采用一體化多孔結(jié)構(gòu)的獨(dú)特設(shè)計(jì)，如圖 3 所示。 節(jié)流板設(shè)置在沿連接法蘭的軸線方向的中間位置，為圓形板體。 其中心設(shè)置 1 個(gè)大節(jié)流孔，其外圓周上均布若干小節(jié)流孔。 節(jié)流孔的數(shù)量、位置和孔徑根據(jù)不同管道的口徑通過計(jì)算與測試確定。 取壓室是一個(gè)中空管體，其端面分別與連接法蘭內(nèi)壁和節(jié)流板固接，取壓管開口于取壓室管壁上。 節(jié)流板中嵌裝有溫度傳感器。

一體化多孔節(jié)流裝置以法蘭連接形式接入能源介質(zhì)的管道中， 輸出一路測量溫度的電阻信號、一路測量壓力的流體信號、二路測量差壓的流體信號。 流體信號接入智能變送測量主機(jī)的壓力變送單元和差壓變送單元， 變送成 4～20 mA 的電流信號。電流信號和電阻信號接入主機(jī)的計(jì)算顯示單元，通過軟件計(jì)算出能源介質(zhì)溫度、壓力、流量的瞬時(shí)值及流量的累積值，實(shí)時(shí)顯示于面板上，并通過網(wǎng)絡(luò)上傳至能源管理系統(tǒng)。

2.平衡均速節(jié)流裝置的原理

平衡均速流量計(jì)是差壓式流量儀表，其工作原理是基于流體在封閉管道中的能量守恒定律。 一體化多孔節(jié)流裝置安裝在管道的截面上，當(dāng)流體流過該裝置時(shí)，在節(jié)流孔處形成局部收縮后，流速增加，在節(jié)流板前后產(chǎn)生壓力差。 通過取壓裝置，可獲得穩(wěn)定的差壓信號。 同時(shí)，流體將被平衡整流，渦流被***小化。 對于理想流體，管道中的流量與差壓的平方根成正比，測出該差壓值即可計(jì)算出管道中的流量。

2.1不可壓縮流體的流量

對不可壓縮流體， 在充分紊流的理想情況下，在節(jié)流前后（分別設(shè)為 a 截面和 b 截面）滿足流動連續(xù)性方程（式 1）和伯努利方程（式 2），進(jìn)而計(jì)算出流體的流量。

式中：Q 為體積流量，m3/s；va，vb 為節(jié)流前后 a、b 截面的平均流速，m/s；Pa，Pb 為節(jié)流前后 a、b 截面的壓力，Pa；P1，P2 為節(jié)流前后壓力的測量值，Pa； ρ 為流體密度，kg /m3；ξ 為阻力損失系數(shù)；Aa，Ab 為節(jié)流前后 a、b 截面流體面積，m2；D，db 為節(jié)流前后 a、b 截面等效直徑，m；d 為節(jié)流孔的等效直徑，m。

2.2可壓縮流體的流量

不可壓縮流體的流量計(jì)算式（4）基礎(chǔ)上，將流體可壓縮性對流體系數(shù)的影響用流束膨脹系數(shù) ε來表示（不可壓縮流體 ε=1），則可壓縮性流體的流量為

式中：Q0，Q 為設(shè)定工況和實(shí)際工況流量，m3/s；P0，P為設(shè)定工況和實(shí)際工況相對壓力，Pa；t0，t 為設(shè)定工況和實(shí)際工況溫度，℃。

對于過熱蒸汽與飽和蒸汽，采用國際水和水蒸汽性質(zhì)協(xié)會提供的計(jì)算模型（IAPWS-IF97）進(jìn)行溫壓補(bǔ)償計(jì)算。

2.4標(biāo)定

對于確定的節(jié)流裝置，流量系數(shù) α 和流出系數(shù) C 僅與等效孔徑比 β 和雷諾數(shù) Re 有關(guān)。 當(dāng) Re 足夠大時(shí)，α 和 C 趨于定值。 α 和 C 可通過理論計(jì)算得到，一般通過流量實(shí)標(biāo)進(jìn)行校核并***終確定。

在流量標(biāo)定測試系統(tǒng)上，將流量在全量程范圍內(nèi)調(diào)整到若干測點(diǎn)，通過被測表與標(biāo)準(zhǔn)表示值的比較，可計(jì)算出儀表在各測點(diǎn)的誤差和重復(fù)性。 通過反復(fù)校核 α 和 C 值，可使儀表的誤差和重復(fù)性在一定量程范圍內(nèi)達(dá)到期望的水平。

3.平衡均速流量計(jì)的特點(diǎn)及應(yīng)用效果

與傳統(tǒng)流量計(jì)相比，平衡均速節(jié)流裝置的獨(dú)特結(jié)構(gòu)有效地降低了介質(zhì)在節(jié)流孔前后的紊流現(xiàn)象，削弱了渦流的形成，如圖 4 所示。 從而使測量信號穩(wěn)定、線性度高、測量范圍廣。 同時(shí)，顯著地降低節(jié)流孔處的動能損失，從而減少了流體運(yùn)行所需的能量消耗，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。 平衡均速流量計(jì)在測量精度、量程比、阻力損失、應(yīng)用環(huán)境等方面均有卓越的性能，特別是針對能源管理系統(tǒng)的特點(diǎn)，具有顯著的優(yōu)勢。

1）壓力損失低。 平衡均速節(jié)流裝置的多孔平衡結(jié)構(gòu)減弱了渦流的形成和紊流的摩擦，降低了動能損失。 在相同流量下，該裝置產(chǎn)生的差壓值與孔板近似。 但孔板的壓力損約為差壓值的 60%

～70%，而平衡均速節(jié)流裝置的壓力損約為差壓值的 20%～30%。 在產(chǎn)生相同差壓值的情況下，平衡均速節(jié)流計(jì)壓力損失為孔板流量計(jì)的約 30%～40%。 對于能源管理系統(tǒng)，介質(zhì)不同區(qū)段需設(shè)置大量的流量測點(diǎn)，測量儀表造成的介質(zhì)動能損失是很顯著的運(yùn)行成本。 如一臺 DN200 的孔板流量計(jì)測量蒸汽，按差壓值 50 kPa 設(shè)計(jì)，壓力損失約 30 kPa，而平衡均速流量計(jì)壓力損失約 10 kPa，節(jié)能效果十分顯著。

2）安裝條件要求低。 傳統(tǒng)儀表要求安裝位置前直管段≮10D，后直管段≮5D（D 為管道內(nèi)徑）。 能源管理系統(tǒng)的流量測點(diǎn)， 大多需要布置在管線復(fù)雜、安裝空間狹小的工業(yè)現(xiàn)場，采用傳統(tǒng)流量計(jì)，通常需要進(jìn)行管道的改造，否則將影響測量的度與穩(wěn)定性。 由于平衡均速節(jié)流裝置的流場渦流段極短，對直管段的要求大大降低[3]。 在流量標(biāo)定測試系統(tǒng)上進(jìn)行插入式干擾實(shí)驗(yàn)，表明平衡均速節(jié)流裝置安裝位置前直管段≥3D，后直管段≥2D，即可達(dá)到穩(wěn)定的測量精度。 這使該裝置對現(xiàn)場的要求明顯降低，可節(jié)約大量的管道費(fèi)用和工程成本。

3）測量精度高。 平衡均速節(jié)流裝置使節(jié)流區(qū)流場的穩(wěn)定性大大提高，降低了渦流、振動和信號噪聲，提高了系統(tǒng)測量穩(wěn)定性，使線性度比傳統(tǒng)節(jié)流裝置提升了 5～10 倍。 通過對裝置的幾何尺寸設(shè)計(jì)和理論計(jì)算， 即可達(dá)到準(zhǔn)確度 1.0 級； 經(jīng)過流量實(shí)標(biāo)， 準(zhǔn)確度可高于 0.5 級。  穩(wěn)定的流態(tài)使得其在200～107 雷諾數(shù)的范圍內(nèi)均可保證測量精度， 重復(fù)性達(dá) 0.1%。

4）量程比寬。 過程控制系統(tǒng)中介質(zhì)流量范圍一般較小，而能源管網(wǎng)中流量的波動極大。 傳統(tǒng)流量計(jì)的量程比一般為 3∶1，難以在流量全部波動范圍內(nèi)確保測量的度。 平衡均速流量計(jì)的 β 值可在0.25～0.90 范圍內(nèi)（常取 0.7 左右）選擇，一般情況下量程比為 15∶1，選擇合適的參數(shù)可以實(shí)現(xiàn) 30∶1。

5）耐臟污不易堵 。 傳統(tǒng)流量計(jì)應(yīng)用于焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣、油等能源介質(zhì)時(shí)容易發(fā)生臟污和堵塞，影響測量度。 平衡均速節(jié)流裝置減少了流場死區(qū)，使臟污物質(zhì)可順利通過節(jié)流孔，因此可用于測量各種含有臟污成份的能源介質(zhì)。

4.結(jié)語

智能平衡流量均速流量計(jì)作為新一代差壓式流量測量裝置，采用一體化多孔節(jié)流結(jié)構(gòu)和智能化數(shù)據(jù)處理技術(shù)，具有壓力損失小、測量精度高、量程比寬、安裝條件要求低、耐臟污不易堵等特點(diǎn)。 應(yīng)用實(shí)踐表明，與傳統(tǒng)流量計(jì)相比，該裝置在節(jié)能、高精度等方面性能卓越， 并可方便地接入遠(yuǎn)程信息網(wǎng)絡(luò)，可廣泛應(yīng)用于冶金、化工、電力、材料等流程工業(yè)的自動化過程控制系統(tǒng)中，特別適用于能源管理系統(tǒng)工程的能源介質(zhì)流量測量。