能源監測的必要性 　　 過去10年，我國GDP年增長率都達到10%以上，受世人矚目。但這種高增長卻是以高耗能為代價的。我國單位產值耗能水平為國際平均水平的2.5倍，分別為美國、歐盟、日本的2.5、4.9、8.7倍，每年耗煤達14.2億噸。如“十一五”GDP要翻一番，按目前的耗能水平，年產煤將近30億噸，無論從資源、生產還是從安全、運輸、環保的角度考慮，都是難以為繼，無法承受的。“十五”期間，中央曾下達了節能指標，要求在保證GDP增長前提下，單位耗能水平應下降15～17%，而執行的結果卻是上升了7%。再不狠抓節能，高耗能必將成為我國經濟進一步增長的瓶頸。因此，中央在“十一五”期間將狠抓節能降耗，列為經濟建設的重中之重，要求在確保GDP翻番的同時，單位產值耗能應下降20%。為確保貫徹實施制定了國際GB17167，要求耗能達一定水平的單位及設備都必需安裝儀表進行監測，用科學的方法，用數字來評估節能降耗的效果。 流量儀表在節能監測中的地位 　　 事實說明，節能降耗僅宣傳無濟于事，必須立法，用具體的數字、指標進行監督，并落實到各級地方和企業領導。為此，制定了國標GB17167－2006，其中 五條（4.3.2，4.3.3，4.3.4，4.3.5，4.3.8）為強制條款，不僅規定了用能達到一定水平的單位與設備必須安裝監測儀表，而且對用能的大小，監測儀表的種類以及準確度的等級都做了明確的規定。 在能源監測儀表中，除電能用電表、固態煤用稱重儀表外，其他氣態、液態能源（如原油、成品油、重油、渣油、天然氣、液化氣、煤氣…），以及載能工質（水蒸汽）都必須采用流量儀表，即使對于固態煤，在流程工業連續作業時，也可采用沖板式流量計，或氣固二相微波流量計。因此，流量儀表在節能降耗監測中具有舉足輕重、無法替代的重要地位。 能源監測流量儀表的特點 　　 流量儀表的原理多達十余種，類型近200多，合理選用并非舉手之勞，限于篇幅本文略去一般的選型規則，著重談一下在能源監測中選擇流量儀表應注意的兩個問題： 準確度 　　 能源監測中，流量儀表的準確度應放在重要的位置上，GB17167為此也做了合理、明確的規定。既然要求流量儀表對節能降耗的效果進行準確的量化，它就應具有必要的準確度。否則，知之渺渺，如何評估節能效果，又如何“對癥下藥”，進一步采取節能措施呢？當然，也并非越準確越好，因為準確度高的儀表價格都十分昂貴，還應考慮企業的承受能力。因此GB17167實事求是地根據監測對象做了不同的要求：如測燃油流量，準確度應為0.5～1級；測天然氣、煤氣流量可為2級；而測水、水蒸汽流量可低至2～2.5級。這里要強調的是準確度，不是流量系數的分散度，還應包括校驗裝置的流量不確定度。 因此，有些儀表，如測點速來推算流量的儀表（如雙文丘利、皮托管…）就不宜選為能源監測儀表，特別是在管徑較大、直管段長度無法保證，管內流速分布不理想的情況，更應避免。 永久壓損　 　　 用于監測降耗的流量儀表，不僅本身不節能，而且還將以壓力損失的形式消耗能源，耗能的大小取決于儀表的結構。 當流體流過儀表內阻力件時，（如孔板、噴咀、內錐、漩渦發生體、檢測桿、靶…），都將會在阻力件后產生漩渦，如同機械運動中的摩擦，這是一個不可逆等熵過程，將消耗流體的能量，使流體的壓力不可能恢復到原來的數值。噴咀、內錐等流量儀表都會有這樣的損失。丘利管雖有擴張段可使流體的動能轉換為位能，也存在流體與管壁摩擦產生的壓損，只是較漩渦產生的壓損要小得多。 　　 永久壓損計算公式：本文略，參見R、W、Miller 流量測量工程手冊。 　　 由于儀表內部的阻力件所造成的流體能量損失，將使流動減緩，流量降低。為維持正常的工藝過程，必需加大泵（或風機）的動力；增加的這部分動力是由于流量儀表的壓損引起的。對有些儀表來說，這是一個不菲的數字。 　　 以下計算了三種常用儀表（孔板、內錐、均速管），在不同口徑下的年運行費，列于表１。 　　 以上計算流體為空氣，流量按管內平均流速的25m/s計算，溫度20℃，壓力102kpa。風機效率為0.85，孔板為0.62；內錐為0.7；全年工作8760小時（365×24），電費每千瓦小時為0.8元人民幣。如假設參數變化，結果會有不同。因此，上述計算結果只能做為不同儀表耗能的定性評估。 　　 表1所列的數據表明：當孔板口徑大于0.3米；內錐口徑大于0.5米時，年運行費過于巨大，難以令人接受。但當管徑較小時，仍可應用。均速管這類插入式儀表壓損小，特別適用于大口徑管道。 幾種類型流量儀表的選用 　　 節流裝置 　　 這類儀表可經受惡劣的工況，占流量儀表市場50%以上的份額，歷史悠久，根據應用中的問題，仍不斷涌現新型的儀表。 ■ 孔板 　　 孔板積累了數十年的使用經驗，建立了數以萬計的數據庫，同時具有國際、國內標準，目前的安裝率也是最大的。但近兩年公布了ISO5167新標準，進一步要求加長前直管段后，應用面臨較大困境。從節能角度來看，它是壓損最大的一類流量儀表。當管徑較大時，壓損所引起的年運行費令人難以接受，且還因無法滿足直管段長度，準確度也無法保證，它在國內外市場中均已呈下降的趨勢。 ■ 內錐 　　 由美國MCCROMETER公司1986年推出，由于流體的沖刷，可用于多相臟污流體（如焦爐煤氣）；且因錐體有整流作用，要求直管段長度僅幾倍管徑，在ISO5167新標準公布后，倍受業內關注。但有些宣傳，如壓損小、準確度高等言過其實。天津科特公司是研制、銷售內錐的專業企業，對內錐的準確度及壓損進行了系統的研究、測試，結果如下： 準確度：對口徑100至800mm的內錐進行了標定，結果列于表2。數據表明，當管徑較大時，由于加工、安裝的原因，所引起流出系數離散性（也反映了準確度），可達到5%。 壓損：內錐的永久壓損芇e計算公式為：芇e＝（1.3－1.25b）芇，芇為輸出差壓。 根據不同b值，來計算孔板和內錐的永久壓損占輸出差壓的比值列于表3。數據表明，內錐的壓損，特別是在b值較小，在0.4～0.45范圍，與孔板十分接近；而如果選用較大的b值，意味著環形通道加大，整流效果將會降低，又會影響準確度，因此b值多選為0.55～0.65。因此，內錐流量計并不是節能儀表，從“節能降耗的要求來推廣內錐流量計的必要性”理由并不充分。 羅洛斯管（lo-loss） 　　 入口錐角約40°，在節流后有一個錐角約5～7°的擴張段，流體可在不產生漩渦狀態下使動能平穩地轉化為位能，壓損小，是一種節能儀表，但如要求較高的準確度，仍要求較長的直管段長度。 ■ 梭式 　　 2005年公布的專利產品，它取內錐環形通道要求直管道較短的優點，而避其壓損較大的缺點；又取羅洛斯管無漩渦，動能有序恢復為位能的優點，在內錐加了一個尾錐形成梭體，因而壓損較低。此外，專利還為適應現場直管段較短，采取了一些措施以提高準確度。 ■ 插入式 　　 以測管道內一點（或幾點）流速來推算流量的儀表。特點是結構簡單、價廉、安裝拆卸方便、壓損小；但準確度往往只能達到±2～5%，僅測一點流速的流量計，在直管段長度不足時，準確度可能低于±3%，制約了它被選為能源監測儀表的空間，常用有以下幾種： ■ 雙文丘利管 　　 突出優點是結構簡單，輸出差壓較大，但準確度根據ISO7145的評估，最好情況下也能達到±3%，基本上無法滿足能源監測儀表對于準確度的要求。 ■ 熱式　 　　 低速性能較好，僅限于測潔凈、干燥的氣體，不僅直管段長度而且氣體組分對準確度的影響都較大，準確度較低，不適用于能源監測。 異型皮托管（亦稱測管） 　　 近一、二年被國內冶金行業廣泛采用，用于測量廢氣（轉爐、焦爐煤氣…）的一種插入式流量計，其結構類似于日本的異型皮托管（見日本工業標準28808），優點在于垂直于管道軸線的切口，有利于廢氣中的固體粉塵及液滴排出，不似一般均速管易于堵塞；此外，它是單支標定，不存在均速管所測差壓未必是管道平均流速差壓的問題。由于其結構的特殊，其流速系數約為0.85，使用前必需標定。從能源監測的角度來評價這種儀表，壓損小，可用于測臟污廢氣都是突出優點，而準確度是否能達到相關文章所介紹的為±2～3%，則令人質疑。它僅有的三個測點部位于管道上方，測點的位置及數量均未按ISO3966的要求，沒有充分反映管道中的流速分布，文章在分析誤差中“忽略”了由于流速分布不理想而引入的干擾系數。在直管段不足時，它將是最大的誤差源。 ■ 均速管 　　 均速管通過測管內多點流速來推算流量，一般準確度可達到±1.5～2%，可用于能源監測中大管徑且對準確度要求不太高的場合（如測水），如果直管段不足，可在管道中相近截面同時插入二支均速管，互成90°，測點的數量及位置基本可達到ISO3966的要求，至于易堵塞問題，可采取反吹法，也可吸取測管的優點，設計一種既有均速管易于安裝、價格低廉又不易堵塞的新型儀表。 ■ 無阻力件流量儀表　　 　　 這是近五年發展最快的一類流量儀表，據權威網站評估，以下三種儀表世界市場的年增長率分別為2%、6.9%、10.4%，其特點是管內無任何阻力件，壓損小，機械結構簡單，而功能日趨完善，準確度高。 ■ 電磁　　 　　 電磁是目前流量儀表市場銷售額最大的產品，但不能測油品、氣體能源的流量。 ■ 科氏 　　 管道中雖無阻力件，但為產生科氏力，必需強制被測流體轉180°，因而壓損較大但準確度可高達±0.2～0.5%，口徑一般小于0.2米，無直管段要求，價格較貴。歐美各國多用它測能源及貴重的流體，以減少貿易核算中的爭議，在中國目前尚未廣泛采用。 ■ 超聲波 　　 由于它可測氣、液各種流體，不僅壓損小，準確度也可高達±0.5%，量程比寬，是當前發展最快、最適用于能源監測的流量儀表。超聲波液體流量儀表的技術已經較成熟，而聲波在氣體中的傳播阻力較通過液體大得多，據美國GE公司介紹，接受反射回來的信息僅為發射的萬分之一，時差僅10－9－10－12ｓ。國外近七、八年基本解決了信息微弱的難題，已有產品問世，且已制定了相應的標準，成為國內外天然氣貿易結算的主要計量儀表，只是價格還較貴。國內上海、北京相繼也有產品進入市場，但尚存在準確度不夠高、抗噪聲干擾能力較低的缺點，雖已有用于測高爐焦爐煤氣，還未完全進入貿易計量領域。 　　 近二年，國外已推出外夾式氣體超聲波流量計，有的廠家甚至宣稱精確度已達到±0.5%，而據國外資深專家指出，由于受管道材質、涂層、厚度…及安裝位置多因素的影響，客觀地說準確度達±2%，已很不易。目前來看，氣體超聲波流量計以其結構簡單，功能完善，準確度高，安裝簡便，可適用于各種管道，是能源監測中最具有發展潛力的流量儀表。 討論 　　 本文強調用于能源監測流量儀表的兩大特點：必要的準確度及較小的壓力損失。 目前還沒有十全十美的儀表，每一種儀表都只能在某一特定條件下發揮作用，如內錐，當直管段短時，它較經典式節流裝置優越，仍可維持較高的準確度，但壓損并不是宣傳的那么小；又如插入式儀表，壓損倒是不高，價格也不貴，但準確度往往滿足不了監測的要求。超聲波流量計壓損小，準確高，但價格太貴，只能用于重要的貿易計量，而非一般用戶，處處可以選用。因此，選用時要反復比較，切勿聽信一面之詞。 　　 在儀表的說明書中，廠商都會將儀表的性能介紹得十分優越，如準確度。這里姑且不考慮有些是無中生有，有忌誤導，不少負責任的廠家確實是在不同的實驗室中，在相對比較理想的條件下，通過標定得到了這些技術指標，問題在于工業現場一般是無法滿足提供實驗室的理想條件。在選擇儀表時請勿忽略這個因素。 　　 近百年來，有些流量儀表如孔板、噴咀…在應用中不斷完善、且積累了數以萬計的試驗數據，建立了標準。但有些問題，如壓損大，要求直管段太長，現場無法滿足，以及長期的穩定性較差等缺點難以克服，特別是ISO5167新標準公布后，進一步制約了它的應用。在此背景下，涌現了一批新的儀表，如內錐、插入式、超聲波…，這些儀表在開始問世時，會有些缺點，有待在實踐中不斷改進、完善、面對這個問題，業內專家們究竟采取什么態度，是橫加指責，還是盲目支持？都不可取。只有肯定優點，指出不足，并提出改進意見才有助于新產品的不斷完善，逐步取代無法適應工程技術不斷發展的舊產品。“沉舟斜畔千帆過”，這是不以人主觀意愿為轉移的客觀規律。