1 引言

 

    在流量儀表中，孔板和噴嘴為主的節(jié)流式差壓流量計壓力損失大，是一個重要的缺點，開發(fā)低壓損節(jié)流件越來越受到人們的重視，因而楔式流量計的發(fā)展及應(yīng)用便引起了人們的濃厚興趣。自19世紀(jì)80年代中國引進美國泰勒公司[1]生產(chǎn)的楔形流量計，在化工企業(yè)的高黏度及臟污流體測量中使用效果令人滿意。截至目前，國內(nèi)已有許多廠專門從事楔式流量計的設(shè)計、制造、安裝等工作，從而也加速了楔式流量計的推廣及應(yīng)用范圍，但由于楔形孔板至今仍未標(biāo)準(zhǔn)化，這也成為其發(fā)展速度及應(yīng)用范圍的障礙。隨著國內(nèi)節(jié)能工作的發(fā)展，各行各業(yè)節(jié)能意識不斷增強，節(jié)能的楔形流量計在石化行業(yè)的應(yīng)用推廣應(yīng)該引起重視。

 

    2　測量原理

 

    楔形流量計是根據(jù)伯努利公式，利用流體在流動過程中遵守能量守恒定律（即動能和靜壓能之和不變），流體通過起節(jié)流作用的楔塊時流通面積減少，流速增大，靜壓減小，從而在楔形塊兩側(cè)產(chǎn)生靜壓力差。此壓差與流體流量成平方關(guān)系的原理而進行流量測量的，因此測得壓差即可測得管道中的流量[2]。

 

    楔形流量計的楔形塊由兩塊平板（一般為不銹鋼）制作而成，這兩塊平板在臨界角上焊接在一起，然后插入槽內(nèi)，差壓引出管在位于楔形片中心兩邊等距離的地方，如圖1所示，其中h應(yīng)根據(jù)流量及流出系數(shù)來確定。

 

    楔形流量計的流量公式：

 

    

 

 

 

圖1　楔形流量計測量原理

 

    式中：qv———體積流量，m3/s；C———流出系數(shù)；ε———可膨脹系數(shù)；m———流通面積與管道截面之比；D———管道內(nèi)徑，m；Δp———楔形件前后產(chǎn)生的差壓，Pa；ρ———被測流體密度，kg/m3。

 

    3　結(jié)構(gòu)和基本特點

 

    3.1　楔形流量計基本結(jié)構(gòu)

 

    由楔式節(jié)流裝置及差壓變送器構(gòu)成，如圖2所示。當(dāng)被測介質(zhì)通過節(jié)流裝置時，由于其體積流量變化而在節(jié)流件的前后產(chǎn)生壓差，差壓變送器將差壓信號轉(zhuǎn)換成電信號，同時，將被測介質(zhì)的壓力、溫度電信號一起送入計算機進行運算，自動補償修正，給出瞬時流量或累計流量顯示或記錄[3]。

 

 

 

圖2　楔形流量計基本結(jié)構(gòu)

 

    楔形流量計分為一體型及分離型，一體型是將節(jié)流楔形塊及差壓變送器做成整體，而分離型則是節(jié)流件與差壓變送器分開設(shè)置。由于楔形流量計的結(jié)構(gòu)形式獨特，兼顧了其他幾種節(jié)流式流量計的特點，具有較好的適應(yīng)性。

 

    3.2　基本特點

 

    a）易于通過較臟污的流體，污物不易沉積、附著，提高了測量的準(zhǔn)確性和使用維護周期，適合于冶金、石化、環(huán)保等行業(yè)多種介質(zhì)的測量。

 

    b）改善了對孔板入口尖銳度的要求，使磨損減小，這樣極大地減少了維護工作量并延長了儀表檢定周期，提高了測量準(zhǔn)確性。

 

    c）由于楔形塊本身具有“導(dǎo)流”作用，流通能力要比孔板大，一般來說，楔形流量計流出系數(shù)典型值為0.8，孔板為0.6，在相同的流量下，楔形流量計的差壓比孔板小，具有較小的“節(jié)流”作用，適合于高黏度介質(zhì)的測量，用途廣泛。

 

    d）量程比寬，通?？梢赃_到10∶1（或15∶1），測量精度較高，正負（0.5%～1%）FS。

 

    e）壓損比孔板小，楔形孔板其夾角一般為60°～90°，如果其夾角為0°，即成為園缺孔板。夾角越小，產(chǎn)生的靜壓越大，但壓損也相應(yīng)增大。楔形孔板的結(jié)構(gòu)在園缺孔板、噴嘴之間，由于楔形孔板呈倒三角形，而三角形具有導(dǎo)流作用，流體流動時能使流線圓滑過渡，與孔板相比，楔形孔板產(chǎn)生的壓損較小。圖3為楔形孔板與銳孔板產(chǎn)生的壓力損失比較[4]。

 

 

 

圖3　楔形孔板與銳孔板的壓損比較

 

    f）自清洗特點。楔形孔板具有園缺孔板的優(yōu)點，當(dāng)流體中含有雜質(zhì)或固體物質(zhì)時，流動線路無死角，容易從楔形孔板下部流過，不會沉積在楔形孔板周圍，也就是說楔形孔板具有自清洗作用[5]。

 

    g）適用于低雷諾數(shù)流量測量。標(biāo)準(zhǔn)孔板、文丘里管等不宜在低雷諾數(shù)下進行測量，標(biāo)準(zhǔn)孔板的流量系數(shù)通常在雷諾數(shù)4000以上時趨于穩(wěn)定，在低雷諾數(shù)時，其流量系數(shù)會隨雷諾數(shù)的變化而變化；當(dāng)雷諾數(shù)小于1800時，流量與差壓之間會偏離基本的平方根關(guān)系，顯然會對測量的準(zhǔn)確度造成較大影響。而楔形孔板是V形節(jié)流元件，其流量系數(shù)線性好，具有噴嘴入口曲線流暢、無滯流區(qū)的特點，雷諾數(shù)對它影響小。當(dāng)雷諾數(shù)小至500時，楔形流量計的準(zhǔn)確度和流量系數(shù)的變化不大，雷諾數(shù)在400～10000之間進行流量測量，其誤差小

于3%。

 

    h）安裝使用方便，與孔板相比，楔形流量計兩端用法蘭與工藝管道連接即可，安裝較方便，同時其日常維護量較小，運行成本相對較低，使用壽命較長。

 

    i）尚未標(biāo)準(zhǔn)化。楔形流量計屬非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，由于缺少相應(yīng)的數(shù)據(jù)，至今尚未標(biāo)準(zhǔn)化，其設(shè)計、制造、計算等工作全部由各生產(chǎn)廠家自定，這也決定了其流出系數(shù)必須由實流標(biāo)準(zhǔn)確定。其實標(biāo)準(zhǔn)與非標(biāo)儀表只是相對而言，今天的非標(biāo)準(zhǔn)可能明天就成為標(biāo)準(zhǔn)，況且很多設(shè)計好的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置因現(xiàn)場條件所限就成非標(biāo)準(zhǔn)了，而且有些誤差還難以確定，這種情況在工廠的計量中屢見不鮮。

 

    4　楔形流量計適用范圍

 

    由于楔形孔板結(jié)構(gòu)獨特，可用于黏滯性液體的流量測量，黏度可高達500mPa•s，如燃油、渣油、重油等。其楔形塊的“導(dǎo)流”及流動線路無“死區(qū)”的特點，傳感器不沉積、不堵塞，使其適用于含懸浮顆粒的液固混合物，如漿狀流體、工業(yè)污水等的流量測量。楔形流量計雷諾數(shù)使用范圍廣，適用于極低的雷諾數(shù)（RcD=300），雷諾數(shù)上限可達106以上，可適用于氣體、蒸汽等流量測量。由此可見，楔式流量計除應(yīng)用于一般氣體、液體、蒸汽外，在高黏度、結(jié)晶混合液、臟污的液體及高含塵氣體的流量測量中具有孔板無法達到的優(yōu)越性能。

 

    目前，楔形流量計在該公司主要應(yīng)用情況如下。

 

    a）循環(huán)水系統(tǒng)受當(dāng)?shù)厮|(zhì)較差的影響，應(yīng)定期加滅藻劑和阻垢劑等藥品，但仍避免不了換熱器芯子半年多就需一次清理，結(jié)垢相當(dāng)嚴(yán)重，而且時常有雜物等鉤掛在流量計上。公司于2005年一方面加強了循環(huán)水管理，另一方面將靶式流量計更換為雙法蘭式楔形流量計，使用至今，測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定，維護工作量大為減少，故障率極低，效果顯著。

 

    b）在2007年壓縮空氣計量系統(tǒng)中采用楔形流量計，克服了以前用孔板時因各個生產(chǎn)裝置用量變化，引起總管壓縮空氣流量變化范圍大的難題，基本滿足了工藝生產(chǎn)的需要。

 

    c）目前在工業(yè)水流量的測量中已使用了10多臺楔形流量計，由于工業(yè)水含有一定泥沙和雜質(zhì)，以往使用孔板容易使雜質(zhì)在孔板前堆積，堆積的雜質(zhì)也易造成取壓管發(fā)生堵塞，儀表維護工作量大，改用楔形流量計后，以前存在的問題大大減少，效果十分明顯。

 

    d）2004年10月墾利石化建成800kt/a延遲焦化裝置，在渣油、油漿及其混合物的測量全部采用楔形流量計，它將楔形塊產(chǎn)生的差壓傳至雙法蘭差壓變送器，再由變送器送出與差壓成正比關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)信號，經(jīng)DCS開方，得到流量測量值。經(jīng)過4年的運行，整體運行穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)因沉積、堵塞等問題引起的非正常停工檢修，節(jié)能的間接效益十分明顯，值得在石化重油的流量測量中推廣使用，這一點也在文獻[4]中得到了驗證。

 

    5　楔式流量計節(jié)能舉例

 

    楔式流量計的節(jié)能可分為直接節(jié)能及間接節(jié)能。直接節(jié)能的效果可通過理論計算得到動力節(jié)約費用，較易估算出節(jié)能效果，但是間接節(jié)能包括極低的維修維護費用、確保裝置長周期安全運行帶來的潛在效益等，包括的因素較多，很難給出定量數(shù)據(jù)?？偟膩砜?，從某種意義上可說，楔式流量計間接節(jié)能的效益遠大于直接節(jié)能。

 

    5.1　直接節(jié)能

 

    節(jié)能裝置的壓力損失會引起額外的損耗，各類節(jié)流裝置壓力損失的大小決定了儀表耗能的多少，對于大口徑的測量，其耗能費用是筆大數(shù)目[6]?，F(xiàn)將墾利石化公司污水總量采用楔形和孔板的情況對比如下：

 

    工藝參數(shù)：管道D322min×10mm，最大體積流量qVmax=650m3/h，正常流量qVnor=525m3/h，最小流量qVmin=320m3/h，標(biāo)準(zhǔn)工況壓力p=0.6MPa，溫度t=30℃。

 

    采用楔形孔板，經(jīng)重慶艾維有限公司楔式流量計設(shè)計軟件計算：楔形比D/h=0.5，楔子高度h=156.02mm，節(jié)流面積比m=0.5，最大差壓Δpmax=12.5kPa；采用孔板流量計：經(jīng)丹東通博流量測量孔板節(jié)流裝置設(shè)計軟件進行計算：β=0.707，最大差壓Δpmax=16.80kPa；（楔形比D/h=0.5與孔板β=0.707其節(jié)流面積比是一樣的）。

 

    永久壓力損失參照標(biāo)準(zhǔn)孔板的壓損公式[6-7]：

 

    

 

    式中　Δω———壓力損失；β———直徑比；ΔP———差壓。

 

    楔形孔板：

 

    

 

    標(biāo)準(zhǔn)孔板：

 

    

 

    永久壓損的差值：

 

    

 

    用標(biāo)準(zhǔn)孔板多消耗的功率（能耗計算式）：

 

    

 

    式中W———能耗值，W；qV———工況體積流量，本例為2172m3/h、0.6m3/s；η一般取0.8。

 

    每年多耗能費用：

 

    

 

    采用楔形孔板比標(biāo)準(zhǔn)孔板有較明顯的節(jié)能效果。

 

    5.2　間接節(jié)能

 

    從該公司近幾年應(yīng)用楔形流量計的情況來看，儀表故障率極低，測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定，未發(fā)生因測量失靈而造成操作失誤或停工的現(xiàn)象，儀表維修維護工作量大大減少，基本可實現(xiàn)“零維修”，確保了裝置的平穩(wěn)運行，給企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益。

 

    6　結(jié)束語

 

    楔形流量計在墾利石化公司應(yīng)用中的實踐表明，其工作穩(wěn)定，準(zhǔn)確度適中，儀表結(jié)構(gòu)簡單、能適應(yīng)多種介質(zhì)的測量，維護量小，在公司的使用量逐年遞增。楔形流量計在使用過程存在很多優(yōu)點，但相對于孔板流量計來說，楔形流量計還具有價格高、必須每臺標(biāo)定等不足，無論是在設(shè)計、制造、計算，還是安裝使用等方面，楔形流量計尚缺乏相應(yīng)的數(shù)據(jù)和規(guī)范。就目前而言，楔形流量計與孔板流量計共存，發(fā)揮各自的優(yōu)勢[8]，但從長遠來看，楔形流量計是新一代差壓式流量計的發(fā)展趨勢。

 

    節(jié)能是一項長期國策，節(jié)能需要每個石化企業(yè)從每一個細節(jié)抓起，節(jié)能不僅是工藝、設(shè)備節(jié)能，儀表節(jié)能（直接或間接）也應(yīng)該引起重視?？梢钥闯?，楔形流量計應(yīng)用在某些對計量結(jié)算要求不十分嚴(yán)格的場所會帶來極大的直接節(jié)能效益和巨大的間接經(jīng)濟效益，在石化行業(yè)有著廣闊的推廣應(yīng)用前景。