楔式流量計的選型與安裝①

華霄峰

(寧波中天工程有限公司)

楔式流量計的選型與安裝①

華霄峰

(寧波中天工程有限公司)

針對高粘度介質、漿料、臟污流及雙向流等傳統流量計難以準確測量的流體工況，提出了楔式流量計的選型解決方案。介紹了楔式流量計的測量原理、結構特點、主要技術參數和設計選型，并說明了儀表的安裝要求。

楔式流量計 V形節流件 楔塊比 設計選型 安裝要求

在石油、化工行業的工藝流程檢測過程中，有時會遇到原油、黑水及漿液等介質流量測量問題，這類介質具有粘度大、易結晶及固體顆粒易磨損等特點，導致傳統的孔板流量計、靶式流量計等不僅測量精度低、安裝維護工作量大，而且很難保證儀表的長期穩定運行。針對上述問題，一種新型差壓式流量測量儀表——楔式流量計應運而生，并在業內得到了廣泛應用[1]。

1 測量原理

楔式流量計的測量原理是基于伯努利方程(能量守恒和連續性方程)的。通過在管段中設置一個V形楔塊節流件，當流體流經此楔塊時，流通面積減小、流速增大，在楔塊前后產生一個靜壓差，該壓差的開方與質量流量或體積流量成正比，從而實現流量的測量。測量管的流量系數與楔塊比(H/D)相關，即流量測量范圍可通過H/D來調整[2]。

工程設計中不同介質的常用流量計算式如下：

式中C1——流量常數；

d——測量管內徑；

Ftf——流體溫度系數；

K——流量系數；

pf——流體絕對壓力；

Qm——質量流量；

Qv——體積流量；

SGs——氣體在標況下的比重；

α——測量管的熱膨脹系數；

Δp——壓差；

ρf——流體密度。

2 流量計結構

楔式流量計(圖1)主要由測量管和流量差壓變送器組成。

圖1 楔式流量計典型結構示意圖

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

按照測量管取壓方式的不同，楔式流量計又可分為螺紋取壓、法蘭遠傳式(隔膜密封式)取壓和化學T取壓。螺紋取壓適用于測量氣體、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壓管線進行連接。法蘭遠傳式取壓適用于測量容易堵塞的漿料、臟物流和強腐蝕性介質。此外，對于有毒有害介質的測量和介質溫度超過傳統變送器可直接接觸溫度限定值的情況，亦可采用法蘭遠傳式進行取壓測量。化學T取壓適用于測量容易堵塞的漿料和易結晶介質，該方式與法蘭遠傳式相比，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量管內徑平齊，不容易引發堵塞，但需要注意的是，該方式只適用于壓力等級為CL300以下的管線。另外，變送器一體式和自帶溫度補償的儀表，可以減小不必要的安裝誤差，現場使用方便，但需要注意安裝空間。

3 特點與主要技術參數

楔式流量計測量原理簡單，可滿足大多數流體的測量要求，且使用范圍廣。除了可以應用于一般的氣體、液體和蒸汽測量外，還特別適用于高粘度、高腐蝕性、易結晶、含懸浮顆粒的液體和含塵量高的氣體的流量測量。楔式流量計管徑范圍1/2～48″；壓力等級可達CL900或更高；雷諾數最低可達300，最高可達106；粘度最高可達3Pa·s，且不會影響楔式流量計的測量精度；量程比可達10∶1；所測介質的最低流速可達0.01m/s[3]。

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

楔式流量計的楔塊焊接于測量管頂部，倒三角結構使得測量介質中的固體雜質在節流件處很容易地就從節流件下部流過，而不會附著在節流件上側，即具備了自清潔功能。

圖2 常用節流裝置的壓損對比

幾家主流楔式流量計廠家的技術資料(表1)顯示，經過現場實流標定后的儀表測量精度較高，重復性可達±0.2%，滿足工藝過程的測量與控制要求。

表1 儀表測量精度

楔式流量計節流元件的流量系數對管道內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儀表，楔式流量計具備更小的前后支管段要求，最小可達前5D后2D，這使得楔式流量計具備更強的安裝適應性。

4 設計選型

楔式流量計的選型計算通常由業主或設計院提供工藝參數，再由儀表廠家使用各自的計算軟件完成選型計算。選型計算時所需確定的主要工藝數據有工藝介質、工藝管道材料、管道口徑、流量范圍、操作壓力及操作溫度等。

楔式流量計的口徑和壓力等級通常與連接處的工藝管線一致。根據不同的工況要求，應選擇合適的過程連接與取壓方式。流量計本體和楔塊的材料應根據工藝介質進行選用，不能低于管道等級表的要求，并考慮腐蝕、磨損等特殊工況下的選材特點。對于法蘭遠傳式取壓，還需注意介質的溫度，對于高溫介質的測量，毛細管填充液應選用可耐受高溫的介質。

楔塊比H/D的選用需保證計算得到的差壓量程分別為6、10、16、25、40、50kPa，在滿足測量要求的前提下，對于液體介質的測量，量程應首選25kPa[5，6]。計算結果應滿足楔式流量計對最低雷諾數的要求，以保證在流量范圍內流量系數是線性的、穩定的。

楔式流量計的精度應滿足工藝測量要求，通常要求標定后精度為±0.5%FS，重復性為±0.2%，在相應的雷諾數范圍內量程比應達到10∶1。流量計的標定可采用特定介質由獨立的NIST認證實驗室來完成，或者進行現場實流標定以達到測量精度要求。

5 儀表的安裝

楔式流量計可采用水平或垂直安裝的方式。水平安裝時，對于液體或蒸汽介質，V形節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，以免測量介質內的氣泡進入取壓口影響測量精度，或者采取必要的排氣措施；對于氣體介質，可將取壓口朝上安裝。垂直安裝時，由于存在輕微靜壓差，因此使用之前應注意變送器的調零。

為了保證測量的準確性，流體在經過節流件之前需處于穩定的層流狀態，因此需要保證V形節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行。

對于粘稠或易結晶介質的測量，如果選用法蘭遠傳式取壓，為了便于儀表的現場維護，宜在法蘭連接處增加沖洗管線以便及時對測量管路進行清洗，或者采用插入式法蘭進行取壓以避免取壓口堵塞導致無法準確測量。

6 結束語

隨著化工行業的蓬勃發展，楔式流量計作為一種非標節流裝置，已經越來越多地被應用在燃料油、污水及重油等高粘度、高固體含量、腐蝕性介質的流量測量中，并得到了較好的用戶反饋。筆者對該流量計的技術特點進行了總結，梳理了設計選型的注意事項，并對儀表的安裝使用提出了建議，以供同行參考。

[1] 呂婭潔.楔式流量計的應用[J].石油化工設備,2013,42(3):84～86.

[2] 孫明權,穆立新.楔式流量計及其應用[J].自動化儀表,2000,21(10):19～20.

[3] 劉潔.楔式流量計的應用[J].化工自動化及儀表,2013,40(4):563～564.

[4] 陸德民,張振基,黃步余.石油化工自動控制設計手冊[M].北京:化學工業出版社,2001.

[5] SH/T 3005-2016,石油化工自動化儀表選型設計規范[S].北京:中國石化出版社,2016.

[6] 劉齊忠,孫磊.淺談大型石化項目儀表專業項目規劃[J].石油化工自動化,2016,52(2):1～6.

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

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