楔式流量计的选型与安装①

华霄峰

(宁波中天工程有限公司)

楔式流量计的选型与安装①

华霄峰

(宁波中天工程有限公司)

针对高粘度介质、浆料、脏污流及双向流等传统流量计难以准确测量的流体工况，提出了楔式流量计的选型解决方案。介绍了楔式流量计的测量原理、结构特点、主要技术参数和设计选型，并说明了仪表的安装要求。

楔式流量计 V形节流件 楔块比 设计选型 安装要求

在石油、化工行业的工艺流程检测过程中，有时会遇到原油、黑水及浆液等介质流量测量问题，这类介质具有粘度大、易结晶及固体颗粒易磨损等特点，导致传统的孔板流量计、靶式流量计等不仅测量精度低、安装维护工作量大，而且很难保证仪表的长期稳定运行。针对上述问题，一种新型差压式流量测量仪表——楔式流量计应运而生，并在业内得到了广泛应用[1]。

1 测量原理

楔式流量计的测量原理是基于伯努利方程(能量守恒和连续性方程)的。通过在管段中设置一个V形楔块节流件，当流体流经此楔块时，流通面积减小、流速增大，在楔块前后产生一个静压差，该压差的开方与质量流量或体积流量成正比，从而实现流量的测量。测量管的流量系数与楔块比(H/D)相关，即流量测量范围可通过H/D来调整[2]。

工程设计中不同介质的常用流量计算式如下：

式中C1——流量常数；

d——测量管内径；

Ftf——流体温度系数；

K——流量系数；

pf——流体绝对压力；

Qm——质量流量；

Qv——体积流量；

SGs——气体在标况下的比重；

α——测量管的热膨胀系数；

Δp——压差；

ρf——流体密度。

2 流量计结构

楔式流量计(图1)主要由测量管和流量差压变送器组成。

图1 楔式流量计典型结构示意图

按照测量管与工艺管道的连接方式，楔式流量计可分为对夹式、螺纹式、对焊式和法兰式连接结构形式。对夹式和螺纹式适用于管道口径为1/2～3″(1英寸=25.4mm)、压力等级不大于CL300的低压管线；对焊式适用于管道口径为1/2～48″、压力等级为CL900或更高的管线；法兰式适用于管道口径为1/2～48″、压力等级为CL900或更高的管线。

按照测量管取压方式的不同，楔式流量计又可分为螺纹取压、法兰远传式(隔膜密封式)取压和化学T取压。螺纹取压适用于测量气体、蒸汽或洁净液体，通常采用1/2″NPT(F)配合终端接头与变送器测压管线进行连接。法兰远传式取压适用于测量容易堵塞的浆料、脏物流和强腐蚀性介质。此外，对于有毒有害介质的测量和介质温度超过传统变送器可直接接触温度限定值的情况，亦可采用法兰远传式进行取压测量。化学T取压适用于测量容易堵塞的浆料和易结晶介质，该方式与法兰远传式相比，具有更大的取压口，且没有突出段取压短管，取压法兰安装后膜片基本能与测量管内径平齐，不容易引发堵塞，但需要注意的是，该方式只适用于压力等级为CL300以下的管线。另外，变送器一体式和自带温度补偿的仪表，可以减小不必要的安装误差，现场使用方便，但需要注意安装空间。

3 特点与主要技术参数

楔式流量计测量原理简单，可满足大多数流体的测量要求，且使用范围广。除了可以应用于一般的气体、液体和蒸汽测量外，还特别适用于高粘度、高腐蚀性、易结晶、含悬浮颗粒的液体和含尘量高的气体的流量测量。楔式流量计管径范围1/2～48″；压力等级可达CL900或更高；雷诺数最低可达300，最高可达106；粘度最高可达3Pa·s，且不会影响楔式流量计的测量精度；量程比可达10∶1；所测介质的最低流速可达0.01m/s[3]。

楔式流量计的节流元件呈倒等腰三角形，使用时具有导流作用，使流体能够圆滑过渡[4]。与孔板相比，楔式流量计没有锐角要求，所以其压损更小，更加节能。常用的节流装置的压损对比如图2所示。楔式流量计的测量元件无可动部件和易损部件，使用过程中几乎可以免维护。在选型时还可要求楔块或测量管内壁整体带耐磨涂层，如在煤浆气化工艺和渣水处理工段中，采用碳化钨喷涂进行表面硬化处理后可以更好地抵抗黑水、灰水等含硬质颗粒流体的冲击。

楔式流量计的楔块焊接于测量管顶部，倒三角结构使得测量介质中的固体杂质在节流件处很容易地就从节流件下部流过，而不会附着在节流件上侧，即具备了自清洁功能。

图2 常用节流装置的压损对比

几家主流楔式流量计厂家的技术资料(表1)显示，经过现场实流标定后的仪表测量精度较高，重复性可达±0.2%，满足工艺过程的测量与控制要求。

表1 仪表测量精度

楔式流量计节流元件的流量系数对管道内流体速度分布不敏感，相比于大部分的差压式和速度式流量仪表，楔式流量计具备更小的前后支管段要求，最小可达前5D后2D，这使得楔式流量计具备更强的安装适应性。

4 设计选型

楔式流量计的选型计算通常由业主或设计院提供工艺参数，再由仪表厂家使用各自的计算软件完成选型计算。选型计算时所需确定的主要工艺数据有工艺介质、工艺管道材料、管道口径、流量范围、操作压力及操作温度等。

楔式流量计的口径和压力等级通常与连接处的工艺管线一致。根据不同的工况要求，应选择合适的过程连接与取压方式。流量计本体和楔块的材料应根据工艺介质进行选用，不能低于管道等级表的要求，并考虑腐蚀、磨损等特殊工况下的选材特点。对于法兰远传式取压，还需注意介质的温度，对于高温介质的测量，毛细管填充液应选用可耐受高温的介质。

楔块比H/D的选用需保证计算得到的差压量程分别为6、10、16、25、40、50kPa，在满足测量要求的前提下，对于液体介质的测量，量程应首选25kPa[5，6]。计算结果应满足楔式流量计对最低雷诺数的要求，以保证在流量范围内流量系数是线性的、稳定的。

楔式流量计的精度应满足工艺测量要求，通常要求标定后精度为±0.5%FS，重复性为±0.2%，在相应的雷诺数范围内量程比应达到10∶1。流量计的标定可采用特定介质由独立的NIST认证实验室来完成，或者进行现场实流标定以达到测量精度要求。

5 仪表的安装

楔式流量计可采用水平或垂直安装的方式。水平安装时，对于液体或蒸汽介质，V形节流件宜安装在与管道水平中心线垂直方向，即取压口与管道水平中心线平行，以免测量介质内的气泡进入取压口影响测量精度，或者采取必要的排气措施；对于气体介质，可将取压口朝上安装。垂直安装时，由于存在轻微静压差，因此使用之前应注意变送器的调零。

为了保证测量的准确性，流体在经过节流件之前需处于稳定的层流状态，因此需要保证V形节流件前后具备一定的直管段，最小直管段要求可以参照各仪表厂家的样本执行。

对于粘稠或易结晶介质的测量，如果选用法兰远传式取压，为了便于仪表的现场维护，宜在法兰连接处增加冲洗管线以便及时对测量管路进行清洗，或者采用插入式法兰进行取压以避免取压口堵塞导致无法准确测量。

6 结束语

随着化工行业的蓬勃发展，楔式流量计作为一种非标节流装置，已经越来越多地被应用在燃料油、污水及重油等高粘度、高固体含量、腐蚀性介质的流量测量中，并得到了较好的用户反馈。笔者对该流量计的技术特点进行了总结，梳理了设计选型的注意事项，并对仪表的安装使用提出了建议，以供同行参考。

[1] 吕娅洁.楔式流量计的应用[J].石油化工设备,2013,42(3):84～86.

[2] 孙明权,穆立新.楔式流量计及其应用[J].自动化仪表,2000,21(10):19～20.

[3] 刘洁.楔式流量计的应用[J].化工自动化及仪表,2013,40(4):563～564.

[4] 陆德民,张振基,黄步余.石油化工自动控制设计手册[M].北京:化学工业出版社,2001.

[5] SH/T 3005-2016,石油化工自动化仪表选型设计规范[S].北京:中国石化出版社,2016.

[6] 刘齐忠,孙磊.浅谈大型石化项目仪表专业项目规划[J].石油化工自动化,2016,52(2):1～6.

华霄峰(1988-)，工程师，从事化工自控设计工作，hua_xiao_feng@126.com。

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