楔式流量計(jì)的選型與安裝①

華霄峰

(寧波中天工程有限公司)

楔式流量計(jì)的選型與安裝①

華霄峰

(寧波中天工程有限公司)

針對(duì)高粘度介質(zhì)、漿料、臟污流及雙向流等傳統(tǒng)流量計(jì)難以準(zhǔn)確測(cè)量的流體工況，提出了楔式流量計(jì)的選型解決方案。介紹了楔式流量計(jì)的測(cè)量原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、主要技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)選型，并說明了儀表的安裝要求。

楔式流量計(jì) V形節(jié)流件 楔塊比 設(shè)計(jì)選型 安裝要求

在石油、化工行業(yè)的工藝流程檢測(cè)過程中，有時(shí)會(huì)遇到原油、黑水及漿液等介質(zhì)流量測(cè)量問題，這類介質(zhì)具有粘度大、易結(jié)晶及固體顆粒易磨損等特點(diǎn)，導(dǎo)致傳統(tǒng)的孔板流量計(jì)、靶式流量計(jì)等不僅測(cè)量精度低、安裝維護(hù)工作量大，而且很難保證儀表的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。針對(duì)上述問題，一種新型差壓式流量測(cè)量?jī)x表——楔式流量計(jì)應(yīng)運(yùn)而生，并在業(yè)內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用[1]。

1 測(cè)量原理

楔式流量計(jì)的測(cè)量原理是基于伯努利方程(能量守恒和連續(xù)性方程)的。通過在管段中設(shè)置一個(gè)V形楔塊節(jié)流件，當(dāng)流體流經(jīng)此楔塊時(shí)，流通面積減小、流速增大，在楔塊前后產(chǎn)生一個(gè)靜壓差，該壓差的開方與質(zhì)量流量或體積流量成正比，從而實(shí)現(xiàn)流量的測(cè)量。測(cè)量管的流量系數(shù)與楔塊比(H/D)相關(guān)，即流量測(cè)量范圍可通過H/D來調(diào)整[2]。

工程設(shè)計(jì)中不同介質(zhì)的常用流量計(jì)算式如下：

式中C1——流量常數(shù)；

d——測(cè)量管內(nèi)徑；

Ftf——流體溫度系數(shù)；

K——流量系數(shù)；

pf——流體絕對(duì)壓力；

Qm——質(zhì)量流量；

Qv——體積流量；

SGs——?dú)怏w在標(biāo)況下的比重；

α——測(cè)量管的熱膨脹系數(shù)；

Δp——壓差；

ρf——流體密度。

2 流量計(jì)結(jié)構(gòu)

楔式流量計(jì)(圖1)主要由測(cè)量管和流量差壓變送器組成。

圖1 楔式流量計(jì)典型結(jié)構(gòu)示意圖

按照測(cè)量管與工藝管道的連接方式，楔式流量計(jì)可分為對(duì)夾式、螺紋式、對(duì)焊式和法蘭式連接結(jié)構(gòu)形式。對(duì)夾式和螺紋式適用于管道口徑為1/2～3″(1英寸=25.4mm)、壓力等級(jí)不大于CL300的低壓管線；對(duì)焊式適用于管道口徑為1/2～48″、壓力等級(jí)為CL900或更高的管線；法蘭式適用于管道口徑為1/2～48″、壓力等級(jí)為CL900或更高的管線。

按照測(cè)量管取壓方式的不同，楔式流量計(jì)又可分為螺紋取壓、法蘭遠(yuǎn)傳式(隔膜密封式)取壓和化學(xué)T取壓。螺紋取壓適用于測(cè)量氣體、蒸汽或潔凈液體，通常采用1/2″NPT(F)配合終端接頭與變送器測(cè)壓管線進(jìn)行連接。法蘭遠(yuǎn)傳式取壓適用于測(cè)量容易堵塞的漿料、臟物流和強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)。此外，對(duì)于有毒有害介質(zhì)的測(cè)量和介質(zhì)溫度超過傳統(tǒng)變送器可直接接觸溫度限定值的情況，亦可采用法蘭遠(yuǎn)傳式進(jìn)行取壓測(cè)量?；瘜W(xué)T取壓適用于測(cè)量容易堵塞的漿料和易結(jié)晶介質(zhì)，該方式與法蘭遠(yuǎn)傳式相比，具有更大的取壓口，且沒有突出段取壓短管，取壓法蘭安裝后膜片基本能與測(cè)量管內(nèi)徑平齊，不容易引發(fā)堵塞，但需要注意的是，該方式只適用于壓力等級(jí)為CL300以下的管線。另外，變送器一體式和自帶溫度補(bǔ)償?shù)膬x表，可以減小不必要的安裝誤差，現(xiàn)場(chǎng)使用方便，但需要注意安裝空間。

3 特點(diǎn)與主要技術(shù)參數(shù)

楔式流量計(jì)測(cè)量原理簡(jiǎn)單，可滿足大多數(shù)流體的測(cè)量要求，且使用范圍廣。除了可以應(yīng)用于一般的氣體、液體和蒸汽測(cè)量外，還特別適用于高粘度、高腐蝕性、易結(jié)晶、含懸浮顆粒的液體和含塵量高的氣體的流量測(cè)量。楔式流量計(jì)管徑范圍1/2～48″；壓力等級(jí)可達(dá)CL900或更高；雷諾數(shù)最低可達(dá)300，最高可達(dá)106；粘度最高可達(dá)3Pa·s，且不會(huì)影響楔式流量計(jì)的測(cè)量精度；量程比可達(dá)10∶1；所測(cè)介質(zhì)的最低流速可達(dá)0.01m/s[3]。

楔式流量計(jì)的節(jié)流元件呈倒等腰三角形，使用時(shí)具有導(dǎo)流作用，使流體能夠圓滑過渡[4]。與孔板相比，楔式流量計(jì)沒有銳角要求，所以其壓損更小，更加節(jié)能。常用的節(jié)流裝置的壓損對(duì)比如圖2所示。楔式流量計(jì)的測(cè)量元件無可動(dòng)部件和易損部件，使用過程中幾乎可以免維護(hù)。在選型時(shí)還可要求楔塊或測(cè)量管內(nèi)壁整體帶耐磨涂層，如在煤漿氣化工藝和渣水處理工段中，采用碳化鎢噴涂進(jìn)行表面硬化處理后可以更好地抵抗黑水、灰水等含硬質(zhì)顆粒流體的沖擊。

楔式流量計(jì)的楔塊焊接于測(cè)量管頂部，倒三角結(jié)構(gòu)使得測(cè)量介質(zhì)中的固體雜質(zhì)在節(jié)流件處很容易地就從節(jié)流件下部流過，而不會(huì)附著在節(jié)流件上側(cè)，即具備了自清潔功能。

圖2 常用節(jié)流裝置的壓損對(duì)比

幾家主流楔式流量計(jì)廠家的技術(shù)資料(表1)顯示，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)流標(biāo)定后的儀表測(cè)量精度較高，重復(fù)性可達(dá)±0.2%，滿足工藝過程的測(cè)量與控制要求。

表1 儀表測(cè)量精度

楔式流量計(jì)節(jié)流元件的流量系數(shù)對(duì)管道內(nèi)流體速度分布不敏感，相比于大部分的差壓式和速度式流量?jī)x表，楔式流量計(jì)具備更小的前后支管段要求，最小可達(dá)前5D后2D，這使得楔式流量計(jì)具備更強(qiáng)的安裝適應(yīng)性。

4 設(shè)計(jì)選型

楔式流量計(jì)的選型計(jì)算通常由業(yè)主或設(shè)計(jì)院提供工藝參數(shù)，再由儀表廠家使用各自的計(jì)算軟件完成選型計(jì)算。選型計(jì)算時(shí)所需確定的主要工藝數(shù)據(jù)有工藝介質(zhì)、工藝管道材料、管道口徑、流量范圍、操作壓力及操作溫度等。

楔式流量計(jì)的口徑和壓力等級(jí)通常與連接處的工藝管線一致。根據(jù)不同的工況要求，應(yīng)選擇合適的過程連接與取壓方式。流量計(jì)本體和楔塊的材料應(yīng)根據(jù)工藝介質(zhì)進(jìn)行選用，不能低于管道等級(jí)表的要求，并考慮腐蝕、磨損等特殊工況下的選材特點(diǎn)。對(duì)于法蘭遠(yuǎn)傳式取壓，還需注意介質(zhì)的溫度，對(duì)于高溫介質(zhì)的測(cè)量，毛細(xì)管填充液應(yīng)選用可耐受高溫的介質(zhì)。

楔塊比H/D的選用需保證計(jì)算得到的差壓量程分別為6、10、16、25、40、50kPa，在滿足測(cè)量要求的前提下，對(duì)于液體介質(zhì)的測(cè)量，量程應(yīng)首選25kPa[5，6]。計(jì)算結(jié)果應(yīng)滿足楔式流量計(jì)對(duì)最低雷諾數(shù)的要求，以保證在流量范圍內(nèi)流量系數(shù)是線性的、穩(wěn)定的。

楔式流量計(jì)的精度應(yīng)滿足工藝測(cè)量要求，通常要求標(biāo)定后精度為±0.5%FS，重復(fù)性為±0.2%，在相應(yīng)的雷諾數(shù)范圍內(nèi)量程比應(yīng)達(dá)到10∶1。流量計(jì)的標(biāo)定可采用特定介質(zhì)由獨(dú)立的NIST認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室來完成，或者進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)流標(biāo)定以達(dá)到測(cè)量精度要求。

5 儀表的安裝

楔式流量計(jì)可采用水平或垂直安裝的方式。水平安裝時(shí)，對(duì)于液體或蒸汽介質(zhì)，V形節(jié)流件宜安裝在與管道水平中心線垂直方向，即取壓口與管道水平中心線平行，以免測(cè)量介質(zhì)內(nèi)的氣泡進(jìn)入取壓口影響測(cè)量精度，或者采取必要的排氣措施；對(duì)于氣體介質(zhì)，可將取壓口朝上安裝。垂直安裝時(shí)，由于存在輕微靜壓差，因此使用之前應(yīng)注意變送器的調(diào)零。

為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，流體在經(jīng)過節(jié)流件之前需處于穩(wěn)定的層流狀態(tài)，因此需要保證V形節(jié)流件前后具備一定的直管段，最小直管段要求可以參照各儀表廠家的樣本執(zhí)行。

對(duì)于粘稠或易結(jié)晶介質(zhì)的測(cè)量，如果選用法蘭遠(yuǎn)傳式取壓，為了便于儀表的現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)，宜在法蘭連接處增加沖洗管線以便及時(shí)對(duì)測(cè)量管路進(jìn)行清洗，或者采用插入式法蘭進(jìn)行取壓以避免取壓口堵塞導(dǎo)致無法準(zhǔn)確測(cè)量。

6 結(jié)束語

隨著化工行業(yè)的蓬勃發(fā)展，楔式流量計(jì)作為一種非標(biāo)節(jié)流裝置，已經(jīng)越來越多地被應(yīng)用在燃料油、污水及重油等高粘度、高固體含量、腐蝕性介質(zhì)的流量測(cè)量中，并得到了較好的用戶反饋。筆者對(duì)該流量計(jì)的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，梳理了設(shè)計(jì)選型的注意事項(xiàng)，并對(duì)儀表的安裝使用提出了建議，以供同行參考。

[1] 呂婭潔.楔式流量計(jì)的應(yīng)用[J].石油化工設(shè)備,2013,42(3):84～86.

[2] 孫明權(quán),穆立新.楔式流量計(jì)及其應(yīng)用[J].自動(dòng)化儀表,2000,21(10):19～20.

[3] 劉潔.楔式流量計(jì)的應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化及儀表,2013,40(4):563～564.

[4] 陸德民,張振基,黃步余.石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2001.

[5] SH/T 3005-2016,石油化工自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)石化出版社,2016.

[6] 劉齊忠,孫磊.淺談大型石化項(xiàng)目?jī)x表專業(yè)項(xiàng)目規(guī)劃[J].石油化工自動(dòng)化,2016,52(2):1～6.

華霄峰(1988-)，工程師，從事化工自控設(shè)計(jì)工作，hua_xiao_feng@126.com。

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