針對高粘度介質(zhì)、漿料、臟污流及雙向流等傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)特點、主要技術(shù)參數(shù)和設(shè)計選型，并說明 了儀表的安裝要求。

 

　　在石油、化工行業(yè)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(zhì)流量測量問題， 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,導(dǎo)致傳統(tǒng)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(wěn)定運行。針對上述問題，一種新型 差壓式流量測量儀表一楔式流量計應(yīng)運而生, 并在業(yè)內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。

 

　　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(xù)性方程）的。通過在管段中設(shè) 置一個V形楔塊節(jié)流件，當(dāng)流體流經(jīng)此楔塊時, 流通面積減小、流速增大,在楔塊前后產(chǎn)生一個靜 壓差，該壓差的開方與質(zhì)量流量或體積流量成正 比,從而實現(xiàn)流量的測量。測量管的流量系數(shù)與 楔塊比（H/D)相關(guān)，即流量測量范圍可通過H/D 來調(diào)整。

 

　　工程設(shè)計中不同介質(zhì)的常用流量計算式如下：

　　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(jié)構(gòu)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(xué)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(zhì)。此外,對于有毒有害介質(zhì)的測量和介質(zhì)溫度 超過傳統(tǒng)變送器可直接接觸溫度限定值的情況, 亦可采用法蘭遠傳式進行取壓測量?；瘜W(xué)T取壓 適用于測量容易堵塞的漿料和易結(jié)晶介質(zhì)，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(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為CL300以下的管 線。另外,變送器一體式和自帶溫度補償?shù)膬x表, 可以減小不必要的安裝誤差，現(xiàn)場使用方便,但需 要注意安裝空間。

 

　　3.特點與主要技術(shù)參數(shù)：

 

　　楔式流量計測量原理簡單，可滿足大多數(shù)流 體的測量要求，且使用范圍廣。除了可以應(yīng)用于 —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(jié)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(shù)*** 低可達300,***高可達106;粘度***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(zhì)的較低流速可達0. 01m/s H。

 

　　楔式流量計的節(jié)流元件呈倒等腰三角形,使 用時具有導(dǎo)流作用，使流體能夠圓滑過渡。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(jié)能。常用的節(jié)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(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。

 

　　楔式流量計的楔塊焊接于測量管頂部,倒三 角結(jié)構(gòu)使得測量介質(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,而不會附著在節(jié)流件上側(cè),即具備了自清潔功能。

　　4.設(shè)計選型：

 

　　楔式流量計的選型計算通常由業(yè)主或設(shè)計院 提供工藝參數(shù),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(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。

 

　　楔式流量計的口徑和壓力等級通常與連接處 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。流量計本體和楔塊 的材料應(yīng)根據(jù)工藝介質(zhì)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(zhì) 的溫度,對于高溫介質(zhì)的測量,毛細管填充液應(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(zhì)的測量,量程應(yīng)實惠 25kPa5，。計算結(jié)果應(yīng)滿足楔式流量計對較低 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。

 

　　楔式流量計的精度應(yīng)滿足工藝測量要求，通 常要求標定后精度為± 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)達到 10:1。流量計的標定可采用特定介質(zhì)由獨立的 NIST認證實驗室來完成，或者進行現(xiàn)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(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，以免測量介質(zhì)內(nèi)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(zhì)，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(yīng)注意 變送器的調(diào)零。

 

　　為了保證測量的準確性,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,***小直管段要求 可以參照各儀表廠家的樣本執(zhí)行。

 

　　對于粘稠或易結(jié)晶介質(zhì)的測量，如果選用法 蘭遠傳式取壓,為了便于儀表的現(xiàn)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(dǎo)致無法準確測量。

 

　　過程流量檢測特點

 

　　在線流生產(chǎn)中為保證生產(chǎn)的物料平衡，需要對管線內(nèi)流體的流量進行檢測及控制。這種過程流量檢測具有一些鮮明的特點，因為生產(chǎn)是連續(xù)進行的，受生產(chǎn)的波動所需物料處于一個動態(tài)的平衡過程，具體到一個時間段穩(wěn)定在一個流量范圍，而具體到一個時間點每一刻，都無法確保一致。宏觀生產(chǎn)的物料控制不是追求一點的恒定，而是要求一個范圍的相對穩(wěn)定，因此對于這種流量檢測具體到一個時刻的誤差可以放寬，但物料的變化趨勢要表征正確。由此這類過程檢測流量儀表的精度可以適當(dāng)降低，可選用二級甚至三級流量監(jiān)測儀表。

 

　　標準節(jié)流孔板使用中的制約

 

　　過程流量檢測儀表在經(jīng)典設(shè)計選型中普遍選用標準節(jié)流元件（孔板***多）+差壓變送器的組合方式來實現(xiàn)。選用標準節(jié)流元件的原因是標準節(jié)流件經(jīng)過幾十年的研究、制造、使用形成了一套標準的規(guī)范，在工業(yè)設(shè)計選型中擁有眾多的成功案例和使用經(jīng)驗。

 

　　在線流生產(chǎn)是一個復(fù)雜的流體加工工藝，其所面對的生產(chǎn)物料多種多樣，給過程流量檢測儀表的選用帶來一些困難。標準節(jié)流孔板是應(yīng)用***多的節(jié)流元件，在長期的使用中發(fā)現(xiàn)其具有以下無法消除的弱點：

 

　　1、只能用于氣體和粘性小的輕質(zhì)液體的流量測量，具體到石油煉制行業(yè)僅適用于柴油及以下的輕質(zhì)油品和氣體的測量，不能用于原油、蠟油、燃料油、瀝青等粘性高的液體測量。

 

　　2、孔板的結(jié)構(gòu)是一個中間開孔的金屬薄板，使用中若流體含有雜質(zhì)或顆粒，會因孔板周邊金屬的阻擋而堆積在孔板前方下沿側(cè)。長期的集聚易堵塞孔板前方取壓孔、取壓閥門及引壓管，造成孔板+差壓變送器測量失靈，由于引壓孔、取壓閥門內(nèi)徑細小，很難通過疏通維修的方法進行排除。新建裝置由于管線焊接過程的焊渣很難在管線吹掃中徹底的清除，運行中常常出現(xiàn)脫落的焊渣隨著流體流動在孔板前方堆積堵塞引壓管的情況，致使儀表失靈而無法修復(fù)，給生產(chǎn)帶來很大被動。

 

　　3、孔板的結(jié)構(gòu)決定了流體流經(jīng)孔板時流體的靜壓明顯減小，流速顯著加大，造成流體沖刷孔板嚴重，侵蝕孔板中心的銳口金屬邊緣，致使孔板精度不斷下降。液化氣、丙烯等易氣化的液體流量測量中，流體物理形態(tài)的改變造成孔板侵蝕更加嚴重。

 

　　4、孔板的結(jié)構(gòu)形式造成了流體流過孔板后有較大的靜壓損失，從整體上看孔板流量計是一個耗能較大的儀表，使機泵機械功率的損失加大，不利于裝置的能效提高，對于越來越嚴格的節(jié)能要求是一個不利因素。

 

　　除以上4點無法可否的弊端外，孔板流量計在使用中還會出現(xiàn)危及安全的隱患——孔板組件易發(fā)生泄露?？装辶髁繖z測普遍采用法蘭取壓的方式，其由節(jié)流孔板前后的管線連接法蘭、取壓法蘭和標準孔板組成，各部件之間通過墊片進行密封和緩沖結(jié)構(gòu)復(fù)雜。若施工中工藝管線、連接螺栓與孔板各組間的金屬材質(zhì)不同，若被測流體出現(xiàn)較大幅度的溫度波動，因不同材質(zhì)的金屬膨脹率不同，極易造成孔板組合體出現(xiàn)密封松動，引發(fā)介質(zhì)泄露。這種現(xiàn)象在裝置開停車過程中常常出現(xiàn)，如孔板流量計用于蒸汽測量中，蒸汽在退出和進入管線時常因膨脹率不同造成孔板組合體滲漏蒸汽。

 

　　楔式流量計

 

　　孔板流量計在使用中出現(xiàn)的以上缺陷迫使工程設(shè)計人員和使用人員尋找其它結(jié)構(gòu)的儀表。長期的使用積累和儀表研發(fā)人員的努力下，大量的非標節(jié)流元件研發(fā)出來。這些非標節(jié)流元件雖然無法與標準孔板那樣具有完善的實驗數(shù)據(jù)支持，無法實現(xiàn)標準化生產(chǎn)，但經(jīng)過長期的使用和生產(chǎn)廠家不斷的改進完善，其已可以滿足過程流量檢測的要求。在眾多的非標節(jié)流元件中楔式流量計近年來得到大量的應(yīng)用。

 

　　楔式流量計的結(jié)構(gòu)特點

 

　　從外表看楔式流量計是一個兩端焊接有連接法蘭的金屬直管體，在金屬管的中間留有兩個開孔接口，接口有管口和法蘭兩種方式，現(xiàn)工業(yè)中主要使用法蘭接口形式。

 

　　從兩端連接法蘭看進去，可以看到其內(nèi)部有一個固定與表體內(nèi)腔的V形凸出部件，這就是楔式流量計的節(jié)流元件楔塊，在楔塊前后上方分別開有取壓接口。

 

　　由楔式流量計的外表可以看到楔式流量計的構(gòu)造大大簡化，與孔板相比連接件密封件減少，安裝使用比孔板流量計更簡單方便。

 

　　楔式流量計的測量原理

 

　　楔式流量計是一個節(jié)流元件，節(jié)流元件的結(jié)構(gòu)形式都是根據(jù)伯努利原理——流體流通面積的突然減小而引起的靜壓動壓能的相互轉(zhuǎn)換制造而成的，因此節(jié)流元件的一個共性都是流體的流通面積突然大幅度改變。

 

　　楔式流量計的節(jié)流元件是一個焊接到表體內(nèi)腔的一個V形楔塊，通過這個凸出的楔塊與表體內(nèi)腔形成的空間體實現(xiàn)流體流通面積的突然改變，使流體的靜壓動壓能夠相互轉(zhuǎn)換。通過差壓變送器測量V形楔塊前后的壓差測知流體的瞬時流速，換算出流體流過楔式流量計的體積流量。

 

　　楔式流量計的優(yōu)點

 

　　一、消除雜質(zhì)堵塞

 

　　由楔式流量計的結(jié)構(gòu)可以看到，楔塊安裝在表體的一側(cè)，過流面積是在楔塊與表體內(nèi)腔之間，這種結(jié)構(gòu)對于介質(zhì)中的雜質(zhì)、顆粒乃至較大的焊渣都可隨著流體流過楔式流量計，而不會在表體內(nèi)積聚，所以其可以用于孔板流量計無法使用的含顆粒雜質(zhì)的流體測量中。

 

　　二、適用于更多狀況

 

　　節(jié)流楔塊焊接到儀表內(nèi)腔的一側(cè)，對于通過表體的流體產(chǎn)生的水頭（壓力）損失要比中間開口的節(jié)流孔板小的多，因此對于流體靜壓動壓轉(zhuǎn)化過程中的附加水頭損失要比孔板流量計小得多。楔式流量計適用的流體粘度范圍變寬，可用于粘度較大的原油、污油、蠟油、燃料油甚至瀝青的測量中，在石油煉制過程中得到大量使用。

 

　　三、取壓方式轉(zhuǎn)變

 

　　楔式流量計的法蘭取壓方式簡化了節(jié)流元件+差壓變送器測量流體流量的構(gòu)造，通過使用雙法蘭變送器的模式不但可以節(jié)省引壓管、伴熱線的鋪設(shè)，而且由于雙法蘭變送器毛細管內(nèi)填充硅油的穩(wěn)定性，明顯的提高了節(jié)流元件測量過程的準確性。從根本上克服了節(jié)流元件引壓管內(nèi)靜止介質(zhì)的質(zhì)變引入的附加誤差，減少了流量儀表的故障率和維護頻率，整體提高了楔式流量計的測量精度。

 

　　法蘭取壓方式的楔式流量計如下圖所示：

 

　　四、節(jié)能減排

 

　　楔塊對于過流流體的水頭損失小于孔板流量計，楔式流量計與孔板流量計對于同一種介質(zhì)的靜壓損失要減小較多。楔式流量計+雙法蘭變送器的檢測方式，省掉了引壓管的鋪設(shè)，從而節(jié)省了伴熱源的鋪設(shè)和伴熱蒸汽的消耗，楔式流量計的取壓接口可與表體和工藝管線進行整體保溫，通過流體本身的熱源保證楔式流量計冬季的防凍措施，節(jié)省了裝置的蒸汽能源消耗和冷凝水排放，對于裝置整體能耗的降低有一定的提高。

 

　　楔式流量計使用中的注意事項

 

　　楔式流量計上述的優(yōu)點，近年來石油煉制行業(yè)得到廣泛的使用，但每一種儀表都有自身的使用要求，只有按照規(guī)范使用才能發(fā)揮儀表的***大作用。

 

　　1、要按照楔式流量計標注的方向進行安裝

 

　　雖然有的文章及資料上說，楔式流量計安裝沒有方向要求，可用于反向流的測量，從楔式流量計的測量原理看如果是標準的V形楔塊，其對于流體的節(jié)流正反都一樣。但在楔式流量計的表體上，生產(chǎn)廠家都標注了楔式流量計流體的流向箭頭，從楔式流量計的兩端法蘭看進去，其楔塊的安裝位置也不在楔式流量計的正中，因此我們要按照楔式流量計的標注方向進行安裝，防止安裝方向不對加大測量誤差。

 

　　楔式流量計表體上標注了流體的流動方向

 

　　2、關(guān)于取壓接口的方向問題

 

　　按照測量儀表取壓引壓規(guī)范，測量氣體流量時，取壓口在節(jié)流元件的中上部，測量液體流量時取壓口在節(jié)流元件的中下側(cè)，測量臟污介質(zhì)時取壓口在節(jié)流元件的中部位置。但楔式流量計與孔板流量計的不同之處在于節(jié)流楔塊在表體內(nèi)腔不是均勻分布的，取壓口的位置生產(chǎn)廠家已給固定預(yù)制好，其在楔塊焊接處的前后上方。若嚴格按照取壓規(guī)范，當(dāng)測量液體時，如果取壓口安裝在管線的中下部，那么其楔式流量計內(nèi)部的楔塊也在管線的中下部，而造成流體要從楔式流量計的上方流過，這種方式會造成流體內(nèi)介質(zhì)雜質(zhì)顆粒的沉淀在楔式流量計的下部表體內(nèi)腔，有堵塞楔塊前方取壓口的隱患，易造成流量計失靈，因此在現(xiàn)場安裝過程中要根據(jù)實際情況區(qū)別對待。

 

　　3、垂直管道安裝

 

　　楔式流量計建議水平安裝，盡可能的減少垂直安裝方式，是因為在垂直安裝過程中，楔式流量計零點的校準無法進行。

 

　　楔式流量計零點校準的要求時，工況介質(zhì)充滿楔式流量計，后關(guān)閉管線前后閥門，在確保楔式流量計內(nèi)部流體靜止?fàn)顟B(tài)下，進行流量計的校準。由于節(jié)流元件的流量表普遍不設(shè)計副線切除設(shè)施，因此節(jié)流元件前后普遍無工藝切斷閥門，這種狀況下校準楔式流量計就比較困難。如果楔式流量計水平安裝，我們可以認為靜止的流體對于楔式流量計檢測的差壓沒有附加影響，因此我們只需把楔式流量計的前后取壓閥門關(guān)閉同時泄壓通大氣即可實現(xiàn)流量計的零點校準。

 

　　若楔式流量計垂直安裝，此時靜止的介質(zhì)在楔式流量計內(nèi)腔會產(chǎn)生一個靜止的靜壓力，這個靜壓作用于變送器的正壓室會增大差壓變送器的壓差值，使楔式流量計的零點差壓值不在是零，且負壓測引壓管內(nèi)也會產(chǎn)生靜壓附件誤差。所以此時對于零點的校準變得困難。即使使用雙法蘭變送器，負壓測的靜壓附加我們可以算出，但被測介質(zhì)的密度我們只能通過設(shè)計時的理想值進行計算，而粗略的算出楔式流量計測量管內(nèi)的靜壓，在進行校準修訂，這種方法其零點的可信度就會降低。

 

　　下圖垂直安裝的楔式流量計給流量計零點校準帶來困難

 

　　因此實際安裝中***好不要垂直安裝楔式流量計，若工藝無法滿足水平安裝，垂直安裝過程中除保證楔式流量計滿管的情況下，我們還要對楔式流量計零點的修正壓差進行準確的換算，而不能只單單的關(guān)閉正負取壓閥門后就進行零點校準。

 

　　4、安裝排污減壓閥

 

　　楔式流量計+雙法蘭變送器的流量檢測模式，在取壓閥門與雙法蘭連接部件之間要設(shè)置排污泄壓閥門。這個閥門非常重要，在流量計校準過程中既可以保證正負雙法蘭之間的受壓一致都為大氣壓確保校準可靠，更能保證維修人員的安全。若雙法蘭變送器損壞需要更換，通過排污泄壓閥門能夠判斷取壓一次閥門是否滲漏，只有在確保安全的情況下，才能拆卸雙法蘭變送器。很多工程安裝過程中，省略了排污泄壓閥門的安裝，這是不正確的，一定要進行整改。

 

　　安裝排污閥的楔式流量計維護維修工作更加方便

 

　　5、楔式流量計在大修中要進行測厚檢測。

 

　　從楔式流量計內(nèi)部的結(jié)構(gòu)我們可以看到，楔式流量計節(jié)流元件的過流面是楔塊與表體內(nèi)腔，這種節(jié)流形式對于楔式流量計的表體內(nèi)腔產(chǎn)生較大的沖刷侵蝕。特別是流體的流速較快時，楔塊之前的流體在流經(jīng)楔塊的空隙時會大大的沖刷表體內(nèi)腔，長時間的侵蝕會造成表體內(nèi)腔變薄，甚至穿孔滲漏，所以在裝置大修時要對使用中的楔式流量計的表體進行厚度測試，如果表體內(nèi)腔磨損嚴重要進行更換，而不能帶病使用。

 

　　裝置大修時，要拆卸楔式流量計進行厚度測試

 

　　六，楔形流量計選型型譜：

　　訂貨須知事項：

 

　　用戶訂貨時請?zhí)峁┮韵聴l件以便幫助正確選擇流量計的規(guī)格和系數(shù)。

 

　　1、 管道尺寸：外徑×壁厚（mm）；

 

　　2、測量介質(zhì)名稱：介質(zhì)密度〔kg/m3〕；

 

　　3、設(shè)定的***大流量：即流量計的量程上限值〔kg/h或m3/h〕；

 

　　4、工藝的***小流量：〔kg/h或m3/h〕；

 

　　5、工作壓力：（Mpa）；

 

　　6、工作溫度：（°C）；

 

　　7、如配我公司智能流量積算儀請一齊提供：壓力變化范圍，或壓力變送器型號、量程；溫度變化范圍，或溫度變送器型號、量程。

 

　　6.結(jié)束語

 

　　隨著化工行業(yè)的蓬勃發(fā)展,楔式流量計作為 —種非標節(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)的流量測量中，并得到了較好的用戶反饋。 筆者對該流量計的技術(shù)特點進行了總結(jié),梳理了 設(shè)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。