高嗣晟

(中國石油集團(tuán)東北煉化工程有限公司 葫蘆島設(shè)計院，遼寧 葫蘆島 125000)

楔形流量計選型探討

高嗣晟

(中國石油集團(tuán)東北煉化工程有限公司 葫蘆島設(shè)計院，遼寧 葫蘆島 125000)

介紹了楔形流量計的原理及應(yīng)用范圍，探討了楔形流量計對介質(zhì)雷諾數(shù)下限的要求；介紹了楔形流量計差壓值的確定方法；以實(shí)際案例為例，采用Preso FlowCal軟件對楔形流量計差壓值及壓損進(jìn)行計算。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，對與楔形流量計配套使用的差壓變送器進(jìn)行選型，根據(jù)不同的工況，給出建議的安裝方式。

楔形 流量計 差壓變送器 計算軟件

在石化裝置中，存在一些易結(jié)晶、黏稠、臟污、磨蝕、低雷諾數(shù)、含有懸浮物、高溫等工況的介質(zhì)，如原油、泥漿、煤焦油、廢水、瀝青、氯氣等，常用的流量計如孔板、渦街、電磁等流量計無法克服堵塞、低雷諾數(shù)、磨損、腐蝕等問題，故給設(shè)計選型帶來一些困擾。楔形流量計能夠有效克服上述惡劣工況，提供高性能的流量解決方案，取得了滿意的測量效果。

1 原理及應(yīng)用范圍

楔形流量計結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)流體流經(jīng)V形節(jié)流塊時，流通面積減小，流速增大，靜壓減小，從而產(chǎn)生靜壓差，而壓差的平方根與流量成正比，測得差壓即可測得管道中的流量[1]。楔形流量計采用“V”型體節(jié)流件，當(dāng)流體中含有雜質(zhì)或者固體時，容易從楔形下部流過，不會產(chǎn)生滯留，從而防止堵塞現(xiàn)象[2]。

圖1 楔形流量計結(jié)構(gòu)

楔形流量計通?？趶椒秶鸀镈N15～DN600，特殊口徑可至DN1 200，壓力等級高至PN420，測量精度為±0.5%FS，可測量黏度高至3Pa·s的介質(zhì)。

楔形流量計對介質(zhì)雷諾數(shù)下限的要求，HG/T 20507—2014《自動化儀表選型設(shè)計規(guī)范》6.2.4條規(guī)定：“含懸浮物的高黏度易結(jié)晶液體的流量、要求永久的壓力損失小、雷諾數(shù)小于500時，宜選用楔形流量計”[3]；已作廢的HG/T 20507—2000《自動化儀表選型設(shè)計規(guī)定》3.2.1條規(guī)定：“含懸浮物的高黏度液體、蒸汽、氣體的流量測量、雷諾數(shù)大于500時可選用楔形流量計”；SH/T 3005—2016《石油化工自動化儀表選型設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定：“當(dāng)測量高黏度、低雷諾數(shù)(最低至500)的流體時，可選用楔形流量計”；已作廢的SH/T 3005—1999《石油化工自動化儀表選型設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定：“測量高黏度、低雷諾數(shù)(低至100)的流體，如原油、油漿、渣油、瀝青等，可選用楔式流量計”。

上述4個前后版本中關(guān)于楔形流量計對介質(zhì)最低雷諾數(shù)的說法不一致，其中HG/T 20507—2014與SH/T 3005—2015對雷諾數(shù)的要求相悖。查看廠家樣本資料，如ABB的FPD470系列、Badger Meter的Preso楔形流量計要求雷諾數(shù)下限值為500，大韓DHWM系列、捷達(dá)WM系列楔形流量計要求雷諾數(shù)下限值為300，當(dāng)雷諾數(shù)再低時流量系數(shù)發(fā)生變化，流體流量和差壓不再遵循平方根的關(guān)系，會影響測量準(zhǔn)確度。綜合上述產(chǎn)品信息，楔形流量計雷諾數(shù)下限取500。

2 差壓值的計算

楔形流量計差壓值與流量的關(guān)系如下式所示：

(1)

式中： Δp——差壓值，kPa；qV——介質(zhì)工況下體積流量， m3/h；C——流量常數(shù)。

1) 對于測量液體介質(zhì)，流量常數(shù)C見下式所示：

(2)

式中：N——單位轉(zhuǎn)換系數(shù)，N=0.126 4；Kp——流量系數(shù)；D——楔形流量計內(nèi)徑， mm；Fa——材料熱膨脹系數(shù)， mm2/mm2；ρ——介質(zhì)密度， kg/m3。

楔形流量計的流量系數(shù)Kp和流量計的口徑及楔塊比(H/D)有關(guān)，計算時可參考表1中Preso楔形流量計數(shù)據(jù)。

表1 Preso楔形流量計流量系數(shù)

續(xù) 表1

在實(shí)際使用過程中，因楔形流量計為非標(biāo)儀表，出廠時每臺儀表需經(jīng)過實(shí)際流體標(biāo)定，從而得出實(shí)際的流量系數(shù)，對原有計算時的差壓值進(jìn)行調(diào)整[4]。

2) 對于測量氣體介質(zhì)，流量常數(shù)C見下式所示：

(3)

式中：Y——?dú)怏w熱膨脹系數(shù)。

3) 楔形流量計也可以測量蒸汽，但對于蒸汽介質(zhì)，建議采用噴嘴、渦街等其他形式的流量計進(jìn)行測量。

3 壓損的計算

楔形流量計比孔板、V錐、噴嘴的壓力損失小，相同β值情況下幾種流量計壓損比較[5]如圖2所示。

將楔形流量計H/D換算成孔板流量計的β值，如楔形流量計H/D=0.5與孔板β=0.707 0的節(jié)流面積比是一樣的[6]，詳見表2所列。

表2 楔形流量計H/D與孔板β值換算[7]

將換算完后的β值代入下式[6]中，即可得出楔形流量計的永久壓力損失。

ppl=(1-β1.9)Δp

(4)

式中：ppl——永久壓力損失， kPa。

圖2 相同β值情況下幾種流量計壓損比較示意

4 應(yīng)用案例

某工況介質(zhì)為原料油，管道為DN250，壁厚為SH80，材質(zhì)為碳鋼，正常溫度為50℃，正常壓力為2.08 MPa，最大流量為196.4 t/h，正常流量為178.6 t/h，最小流量為125 t/h，動力黏度為0.295 Pa·s，介質(zhì)密度為943 kg/m3，允許壓降為30 kPa。

因介質(zhì)黏稠，綜合比較各類型流量計后選用楔形流量計進(jìn)行測量，最大流量不超過滿量程的90%，因而圓整后最大量程選用220 t/h，楔形流量計材質(zhì)選用316不銹鋼。使用Badger Meter的Preso FlowCalc V5.36軟件對此工況下的楔形流量計差壓值及壓損進(jìn)行計算。通過調(diào)整H/D的值得到合適的差壓值，確定H/D的值后即可確定等效的β值，得出永久壓力損失值。

該案例中的楔形流量計H/D選用0.3，流量系數(shù)Kp為0.185 4，在滿刻度220 t/h的流量下差壓值為25.53 kPa，等效的β值為0.502 3，在滿刻度流量下的永久壓力損失為11.99 kPa，滿足工藝的30 kPa壓力損失限制要求。

上述均為基于經(jīng)驗(yàn)值的計算，可供設(shè)計選型參考，實(shí)際的流量系數(shù)仍需要經(jīng)過標(biāo)定后才可確定。

5 楔形流量計的安裝

楔形流量計多用于介質(zhì)高黏度或者強(qiáng)腐蝕性等場合，常與毛細(xì)管式法蘭膜片密封式差壓變送器配套使用，差壓變送器與楔形流量計之間配備法蘭式切斷閥方便檢維修，對于高黏度的介質(zhì)還需配備沖洗環(huán)。

若儀表訂貨是在基礎(chǔ)工程設(shè)計階段時，建議帶隔離裝置的毛細(xì)管差壓變送器與楔形流量計成套訂貨，并采用一體式的安裝形式，將差壓變送器固定在楔形流量計上，避免過長的毛細(xì)管的長度影響測量精度或過短的毛細(xì)管長度影響安裝。在詳細(xì)工程設(shè)計階段時，需提相關(guān)安裝條件給配管專業(yè)，將楔形流量計安裝在便于維護(hù)的場合。

羅斯蒙特1199遠(yuǎn)傳膜片裝置采用D.C.704高溫硅油時介質(zhì)溫度上限是315℃[8]，EJA118系列隔膜密封裝置允許介質(zhì)溫度上限是300℃[9]，當(dāng)介質(zhì)溫度過高采用上述帶毛細(xì)管遠(yuǎn)傳膜片式差壓變送器與楔形流量計配套使用時容易造成測量誤差。當(dāng)介質(zhì)高黏度且高溫時，楔形流量計的接管長度可選150 mm，利用盲腸效應(yīng)進(jìn)行降溫，避免高溫傷及儀表及堵塞發(fā)生。

6 結(jié) 論

掌握楔形流量計差壓值的計算有利于指導(dǎo)設(shè)計選型，流量計直管段的要求與楔塊比有關(guān)系，根據(jù)確定的楔塊比提出流量計安裝要求；設(shè)計過程中應(yīng)根據(jù)具體工況選擇合適的安裝方式。楔形流量計在使用過程中運(yùn)行穩(wěn)定，維護(hù)量少，價格便宜[10]，有很大的應(yīng)用前景。

[1] 戴禎建.楔形流量計在臟污流體測量中的應(yīng)用[J].自動化儀表，2007(28)： 74-76.

[2] 肖玲，劉連景.煤粉氣化裝置中黑水流量計的選型及應(yīng)用[J].自動化應(yīng)用，2011(12)： 71-72.

[3] 王雪梅，張悅崑，安鐵夫，等. HG/T 20507—2014 自動化儀表選型設(shè)計規(guī)范[S].北京： 中國計劃出版社，2014.

[4] 戴禎建.圓缺孔板、楔形流量計在臟污流體計量中的應(yīng)用[J].中國計量，2010(10)： 121-123.

[5] 溫州市捷達(dá)石化儀表有限公司.WM WEDGE FLOWMETER Series Produts WM楔式流量計系列產(chǎn)品樣本[DB/OL].[2016-10-11].http： //www.wzjd.com/ch/product.asp?id=2.

[6] 王發(fā)明.楔形流量計在石化行業(yè)的節(jié)能應(yīng)用[J].石油化工自動化，2009，45(01)： 64-67.

[7] Badger Meter. PRESO楔式流量計產(chǎn)品選型樣本[DB/OL].[2016-10-11].https： //www.badgermeter.com/brands/preso/transcoin/?sizeunitid=d86d4cfa2b9b4d83 af417427f 1443512&sizeminvalue=&sizemaxvalue=&temperature unitid=c344f37a39594cc7b4ef058c270dab9f&temperature minvalue=&temperaturemaxvalue=&pressureunitid=6f9100fd3479400fac45d4ddc080545e&pressureminvalue=& pressuremaxvalue=&page=2.

[8] Rosement.羅斯蒙特1199遠(yuǎn)傳膜片系統(tǒng)產(chǎn)品選型樣本[DB/OL].[2016-10-11].http： //www2.emersonprocess.com/zh-cn/brands/rosemount/level/differential-pressure-level/1199-remote-seals/pages/index.aspx.

[9] YOKOGAWA.EJA118W，EJA118N和EJA118Y型隔膜密封式差壓變送器樣本[DB/OL]. [2016-10-11].http： //www.yokogawa.com/cn/fld/pressure/EJA/fld-eja_group-zh.htm.

[10] 朱小本，孟祥生.楔型流量計在黏稠介質(zhì)計量中的應(yīng)用[J].油氣田地面工程，2005，24(06)： 29.

Discussion on Wedge Flow-meter Type Selection

Gao Sisheng

(Hu Ludao Design Institute， PetroChina Northeast Refining & Chemicals Engineering Co.Ltd.， Huludao，125000，China)

s: The principle and application scope of wedge flow-meter is introduced. Lower Reynolds number limit requirement of wedge flow-meter is discussed. The method to determine differential pressure of wedge flow-meter is introduced. Differential pressure and pressure loss is calculated with Preso Flow Cal software with actual case as example. Combing with engineering experience， type of differential pressure transmitter to match with wedge flow-meter is selected. According to different working conditions， suggestions on installation are put forward.

wedge; flow-meter; DP transmitter; calculation software

高嗣晟(1979—)，男，遼寧葫蘆島人，2004年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)測控技術(shù)與儀器專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)就職于中國石油集團(tuán)東北煉化工程有限公司葫蘆島設(shè)計院，從事自控設(shè)計工作，任工程師。

TH814

B

1007-7324(2017)02-0054-03

稿件收到日期： 2016-10-11，修改稿收到日期： 2016-12-26。