热电厂供热流量仪表的设计

南方能源建设

SOUTHERN ENERGY CONSTRUCTION

勘测设计

Survey & Design

DOI： 10. 16516/j. gedi. issn2095-8676. 2016. Si. 009

热电厂供热流量仪表的设计

裴顺，王晓雄

(中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广州510663)

摘要：在热电厂的生产过程中，供热结算用的流量测量精度要求高，且流量变化范围很大，一般的流量测量方案无法 满足精确测量要求。为解决热电厂供热流量的精确测量的需求，介绍了多种常用流量测量方案，并针对火电厂的常见 工况提出供热流量的精确测量方案及造价分析，测量方案已经应用实际工程中的多种工况，使用效果令人满意，可在 热电厂中的相似工况中推广使用。

关键词：供热流量计；大量程比；平衡流量计；双变送器测量方案；多测量管道方案 中图分类号：TM611

文献标志码：A

文章编号：2095-8676(2016)S1-0035-04

Design of Heating Media Flow Measurement for Thermal Power Plant

PEI Shun, WANG Xiaoxiong

(China Energy Engineering Group Guangdong Electric Power Design Institute Co. , Ltd. , Guangzhou 510663, China)

Abstract ： In the production process of thermal power plant, measurement precision requirement of heating media flow measurement

for charge is high, and the heating media flow range is very large. General flow measurement scheme could not meet the requirements of precise measurement for such heating media flow. To solve this problem, this paper introduced several common flow measurement schemes, and proposed precise heating media flow measurement schemes and cost for several common conditions. Those schemes have been applied for several engineering. Effect of this proposes is satisfied. Those schemes can be used widely in thermal power plants for similar applications.

Key words： heating media flow measure； large measurement range ratio； balanced flow meter； dual-transmitter measure scheme； multi-measure pipe flow measurement scheme

在热电厂的生产过程中，供热介质（例如蒸汽 和热水)结算用流量的测量精度要求很高（要求误差 小于±0.5%);而且由于热负荷不稳定，供热介质 的流量变化范围很大。一般情况下，供热介质的最 大流量与最小流量的比值可达几十比一，甚至高达 400 ： 1〇

但是，常用流量计的量程比（量程比：满足精 度要求的前提下，所能测量的最大值与最小值的 比）通常低于10 : 1，无法实现供热介质流量的全计 量范围的精确测量，尤其是小流量区域的精确测 量。因此，大量程比的供热介质流量测量方案的研

究就十分必要。

1现有测量方案

当前，蒸汽和热水的常用流量方案有差压式流

量计和涡街流量计两种测量方案。

1.1

差压式流量计

以节流装置作为检测件的差压式流量计是历史 悠久、理论和时间资料丰富、用量最大的一类流量 计。节流装置配合差压变送器可用来对液体、蒸汽 和气体的流量进行测量和控制。差压式流量计具有 技术成熟、适用范围管，安装维护简便、重复性 好、使用寿命长等特点。1.1.1节流装置

节流装置形式和种类繁多，本文仅介绍火电厂 中常用的三类节流装置：标准节流装置、均速管流

收稿日期：2016-10-13

作者简介：裴顺（1978),男，安徽宣城人，高级工程师，硕士，主

要从事电站仪控设计与研究工作（e-mail)peishun@gedi. com. cn。

南方能源建设

第3卷

量计和平衡流量计。

标准节流装置：标准节流装置是按照国际标准 IS05167、中国标准GB/T —2624的技术规范书进 行设计、制造和使用的节流装置。标准节流装置有 标准孔板、标准喷嘴和标准文丘利管。标准孔板是 最常用的节流件，标准喷嘴和标准文丘利管的原 理、特性与标准孔板相似；因此，本文中以标准孔 板为例讨论标准节流装置。

均速管流量计：均速管流量计是基于皮托管测 在小流速工况的应用效果不佳，实际量程比接近标 准孔板的量程比3 : 1。

基于以上结论，三种常用节流装置中平衡流量 计的性能较为优越，对大量程比流量测量方案更为 有利。因此，本专题后续讨论中以平衡流量计为例 讨论大量程流量测量方案。1.1.3差压变送器

差压式流量计由节流装置和差压变送器共同组 成，其特性也由两者共同决定。表2给出了当前主 速原理发展而来的一种新型差压流量测量装置，具 有永久压缩小的特点。

平衡流量计：平衡流量计是一个多孔的圆盘节 流整流器，每个孔的尺寸和分布是基于特殊的公式 和测试数据而制定，称为函数孔。当流体穿过圆盘 的函数孔时，流体被平衡整流，涡流被最小化，形 成近似理想流体，通过取压装置，可获得稳定的差 压信号。

1.1.2节流装置特性对比

标准节流装置、均速管流量计和平衡流量计的 主要性能对比如表1所示。

表1

常用节流装置的主要性能对比表

Tab. 1 Performance of common throttling device

节流装置标准孔板

均速管流量计

平衡流量计

工作压力/MPa容

40容

40容

42

工作温度/t容700

容

700

^850精度/%0. 5-1.51. 00. 3 -0. 5量程比3 ： 110 ： 1

30 ： 1

管道尺寸DN50 ~ DN3 000

DN40 ~ DN9 000DN15 -DN3 000

压力损失/%50-7010-20

10-30

雷诺数

5 OOO^Re^lO7

80 OOO^Re^lO7200 容 Re 容 107对介质流速：

其它

气体X 5 m/s， 液体為〇. 6 m/s， 蒸汽為9.7 m/s

从常用节流装置的主要性能对比表中可以得出 以下结论：

1)

精度：平衡流量计最优，标准孔板（标次之，均速管流量计最差。

2) 压力损失：均速管流量计最优，平衡流量计 次之，标准孔板最差。

3)

量程比：平衡流量计最优；均速管流量计的

理论量程比可达到10 : 1，但是均速管流量计的适 用雷诺数范围较小且对流速有要求，均速管流量计

流变送器品牌的常用差压变送器型号主要性能 参数。

表2

常用差压变送器主要性能参数表

Tab. 2 Performance of common differential pressure transmitter

厂家EJA罗斯蒙特霍尼韦尔西门子系列EJA110A3 051ST3 000DSIII精度/%0.0150.0250. 0650.075量程比

50 ： 1

100 ： 1

200 ： 1

100 ： 1

由表2可以得出，常用差压变送器的量程比为 100 : 1。而根据流量计算公式：

e

(i)

式中：2为体积流量；▽ p为差压；p为流体密度。 可以得出：流量与差压是平方根关系。因此可以得 出差压变送器用于流量测量时量程比为10: 1。

但是，差压式流量计设计时，节流装置的刻度 流量为介质最大流量的1.1倍以上；节流装置的刻 度流量对应的差压值也小于差压变送器自身最大量 程，因此差压式变送器用于流量测量时，实际的有 效量程比一'般在7 : 1〜9 : 1。

因此，当节流件采用标准节流装置或均速管流 量计时，整套差压流量计的最大量程受节流件的限

制，最大量程比为3 : 1。当节流件采用平衡流量计 时，整套差压流量计的最大量程受差压变送器的限 制，最大量程比为7 : 1〜9 : 1。

）1. 1.4双变送器测量方案

由于差压变送器量程比的限制，平衡流量计大 量程比（10 : 1甚至30 : 1)的优势无法充分体现。 为突破差压变送器对整套差压流量计量程比的限

制，一些项目采用了双变送器的测量方案，具体原 理图具体见图1。双变送器测量方案：一套平衡流量计的同时配

定增刊1裴顺，等：热电厂供热流量仪表的设计

37

涡街流量计不需要额外的变送器，因此具有安 装简单和大量程比的特点；但是涡街流量计的适用 温度和压力范围较小，应用场合较少。

1.3

推荐方案

根据上文对差压式流量计和涡街流量计的综合 分析，本文给出不同量程比情况下的推荐流量测量 两套差压变送器，其中差压变送器1的差压测量范 围覆盖整个平衡流量计刻度流量对应的差压值范 围，差压变送器2的差压测量范围覆盖平衡流量计 0〜60%刻度流量范围。为避免差压变送器2超量 程，可以在差压变送器2—次门后加装电磁阀。两套差压变送器测量值同时送入流量计算装置 (如：DCS, PLC或者就地控制器）。当差压变送器 1的流量计算值大于60%时，使用差压变送器1计 算流量；当差压变送器1的流量计算值小于60%， 使用差压变送器2计算流量。平衡流量计的流量计 算公式按照〇〜60%和60%〜100%两个流量区间 分别修正。

双变送器测量方案可以克服差压变送器的有效 量程比的限制；配合宽量程比的平衡流量计，可以 实现量程比为30 : 1的宽量程比的流量精确测量。

1.2

涡街流量计

涡街流量计是根据“卡门涡街”原理制造的一种 速度式流量仪表，是目前国际主要的流量测量仪表 之一。适用于液体、气体和蒸汽的流量计量。涡街

流量计的主要技术参数如表3所示：

表3

涡街流量计的主要技术参数表

Tab. 3 Main parameters of vortex flowmeter

参数数值精度/%1.0工作压力/MPa^4工作温度/ °c彡350量程比10 ： 1介质蒸汽，水，气体管道尺寸DN15 〜DN400

介质流速/(m • s_1)

液体0.8〜7;气体5〜50;蒸汽4〜60

方案，具体见表4。

表4

不同量程比下的推荐测量方案

Tab. 4 Recommended flow measurement scheme

量程比 推荐方案

小于3 : 1

标准节流件+单差压变送器 均速管流量计+单差压变送器

大于3 : 1 平衡流量计+单差压变送器

小于7 : 1涡街流量计(低温低压工况下，DN500以下标准管道)

大于7 : 1 平衡流量计+单差压变送器

小于10 : 1涡街流量计(低温低压工况下，DN500以下标准管道)大于10 : 1 小于30 : 1

平衡流量计+双变送器

2多测量管道方案

通过对差压式流量计和涡街流量计的分析，可

以看出采用单个流量变送器时，流量计的量程比最 大不超过30 : 1。而在热电厂生产过程中，部分工 况下供热介质流量的量程比可能高达1〇〇 : 1甚至 更高。对于这类应用场合，常规单套的流量测量装 置无法满足流量精确测量的要求。

2.1

多测量管道方案

针对高量程比的应用场合，本文提出多测量管 道方案。本章节以两测量管道方案为例说明方案测 量原理，具体原理图详见图2。

流量计（小流量）

r

NJ/1MV-PS

FT ow

Fj

流量计（大流量）

-----7

lPL

PV-PL

FL

|X|^jMV-PL______________图2双测量管道方案原理图

Fig. 2 Schematic diagram of dual measure pipe flow

measurement scheme

本方案采用两段截面积不一样的流量测量管 道，分别为大流量管道（PL)和小流量管道（PS)。 每段测量管道上相应配一个流量计用于流量测量， 分别为大流量流量计（FL)和小流量流量计（FS)。

38南方能源建设

表5

某工程热负荷表

第3卷

两测量管道方案对于流量计的具体方案没有要求。

每段测量管道上游均设有一个远控阀门（可以 是电动阀、气动阀，本文以气动阀为例），分别为 MV-PL和MV-PS。下游设有一个手动阀（正常工作 时，处于全开状态），分别为HV-PL和HV-PS。正 常流量测量时，仅有一段流量测量管路上的电动阀 处于全开状态，另一个管路上的电动阀处于全关状 态。测量过程如下：

序号123

用户

Tab. 5 Heating loads list

正常 最大热 最小

压力/ 温度/

负荷/ 热负荷/热负荷/

MPat：

(t _ h-1)(t.h-1)(t.h-1)3. 503. 503. 82

435365450450量程比1.60 ： 11.09 : 11.20 : 1

ABC16363027.2813. 1352523. 84103325/0

3. 8223.84/01. 10 : 1

当大流量测量管道PL处于测量状态时，即阀 门MV-PL全开，大流量流量计（FL)处于工作状 态。如大流量流量计(FL)的测量值大于FLmin时, 以大流量流量计（FL)的测量值为准；如大流量流 量计(FL)的测量值小于FLmin时，控制打开阀门

MV-PS投入小流量测量管道PS和小流量流量计 (FS),待MV-PS全开后关闭MV-PL阀门。

当小流量测量管道PS处于测量状态时，即阀 门MV-PS全开，小流量流量计（FS)处于工作状态。 如小流量流量计（FS)的测量值小于FSmin,以小流 量流量计（FS)的测量值为准；如小流量流量计 (FS)的测量值大于FSmax时，控制打开阀门MV-

PL投入测量管道PL和大流量流量计（FL),待 MV-PL全开后关闭MV-PS阀门。

测量管路切换过程中，保持上一个有效测量 值。为减短测量管路切换时间，选择执行机构全行 程动作时间尽量短（气动阀动作时间小于10 S)。热 电厂生产中，热负荷变化较为均勻，切换过程对测 量影响不大。

通过工程实践证明，通过合理设计两段测量管 路和选用流量计方案，可以实现的大量程比流量的 测量。当两套流量计采用平衡流量计+单差压变送 器方案，本方案可以实现量程比为60 : 1的流量测量。

如需工况确实需要更大量程比，可采用量程比 更大的流量计；例如：小流量流量计可以采用平衡 流量计+双变送器方案，即可以实现量程比为 200 : 1的流量测量。当然采用三测量管道方案能实 现更大量程比流量的精确测量，但是系统复杂度和 控制难度将大幅度提升。2.2实际工程案例分析

某工程提供近期的供热需求方案。具体数据见 表5〇

4D

3. 50

400

2002001200 ： 1汇总—

—

—

309.28

296.94

44

7. 03 ： 1

根据表5可知，用户A,用户B和用户C计量 用的蒸汽流量计所需的量程比均小于3 : 1，采用标 准节流件/均速管流量计+单差压变送器的方案即

可满足要求，预计每套流量计设备价格为2万元; 供热蒸汽母管计量用的蒸汽流量计所需的量程比达 到7. 03 : 1，需要采用平衡流量计+单差压变送器 的测量方案，预计流量计设备价格为11万元。

用户D计量用的蒸汽流量计所需的量程比达到 200 : 1，需要采用两段测量管路方案：其中大流量 测量管道流量计采用平衡流量计+单差压变送器， 小流量测量管道流量计采用平衡流量计+双变送 器。具体配置如表6。

表6

用户D测量方案

Table. 6 Flow measure scheme for user D

测量管道

节流件

变送器

流

围

(

麵

大流量测量管道平衡流量计1 差压变送器1 25 ~ 200差压变送器2 5 ~25 200 ： 1

小流量测量管道平衡流量计2

差压变送器3

0~5

用户4蒸汽流量测量方案的所需设备和材料价 格估计如表7所亦。

表7

用户D蒸汽流量测量方案设备材料价格

Tab. 7 Cost of flow measure scheme for user D

设备名称

数量/套

价格/万元

大口径平衡流量计1

10

小口径平衡流量计

15差压变送器32大口径闸阀（气动）113大口径闸阀（手动）110小口径闸阀（气动）13小口径闸阀（手动）

122安装材料15合计

21

50

(下转第 5〇 贾 Continued on Page 5〇)

50

南方能源建设

第3卷

高浓度区。

4. 2区域环境的敏感性

研究区域内有广东石门台国家自然保护区和英 德滑水山市级自然保护区。如此地理位置，使电厂 厂址处在一个较为敏感的环境当中，大气污染物排 放面临着超越生态红线。4.3环境影响的约束性

电厂在采取了低于燃机排放标准的排放措施后 (排放浓度 S02 为 15 mg/m3, NO,为 25 mg/m3, 烟尘为3 mg/m3),大气污染物排放对自然保护区 的影响仍然严重，小时浓度S02超过标准2. 3倍，

5结论

A电厂是广东地区首次尝试烟塔合一排烟方案

的研究，从结果上看是一次积极的尝试，首先用

(Fr〇M&数）的判定方法，证明了华南地区本工程 烟塔设计(外形和排放参数)在工程上是可行的。由 于地理环境的制约局部地区存在污染物超标的情 况。其次表明多山、盆地、丘陵地区不适宜烟塔合 一项目的实施。因此建议烟塔合一技术在平原地区 电厂项目中具有较高的推广价值。参考文献：

[1]

马忠强，汪林，朱京海，等

1416-1421.

N02超过标准2. 8倍。要使工程烟塔排放的环境影

响满足其环境功能要求，S02和NC^的排放水平需 控制在4 mg/m3以下，采取进一步的治理措施将面 临治理措施的技术瓶颈和付出更大的经济代价，其 一，目前国内外尚无成熟的相关治理技术；其二， 类似技术在投资和运行维护上将付诸更大的经济投 入(具体投入情况需进一步研究）。

.

2 X300 MW机组烟塔合一方

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(责任编辑张春文）

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通过表6和表7,可以得出两段测量管路方案 可以获得所需量程比流量(200 : 1)的精确测量，但 是测量方案价格增加明显。

3结论

通过工程实践证明，通过合理设计多段测量管

路和选用流量计方案，可以实现的大量程比流量的 测量。但是，大量程比的流量精确测量意味着更多 设备和仪表，也需要更高的一次投资成本和后续维 护成本。因此建议各发电厂可仔细核实外部实际热 负荷需求，确定准确的、合适的量程范围，进而相 应确定精确的和经济的流量测量方案。参考文献：

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(责任编辑郑文裳）