楔形流量計及應用

【資料簡介】

江蘇金鼎自動化儀表有限公司 ：姚佳明  

楔形流量計屬于差壓式流量計，20世紀70年代后期我國引進了泰勒公司〔Taylor〕生產(chǎn)的楔形流量計，在化工企業(yè)的高粘度液體測量中使用效果令人滿意，美國一家污水處理廠1987～1988年共安裝15臺楔形流量計測量污水流量，投運后儀表運行正常^[2]。我公司近3年內(nèi)在焦化廠焦油、工業(yè)萘、蒸汽、天然氣、高爐煤氣、焦爐煤氣、水等介質(zhì)的測量中廣泛采用楔形流量計進行測量，取得了滿意的效果。

      1 測量原理

      楔形流量計根據(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，以流體通過起節(jié)流作用的圓缺楔時產(chǎn)生壓差的原理而進行流量測量。楔形流量孔板由兩塊平板（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，見圖1。

      當流體流經(jīng)V形節(jié)流塊時，流通面積減少，流速增大，靜壓減小，從而產(chǎn)生靜壓力差。壓差的平方根與流量成正比。測得壓差即可測得管道中的流量。楔形流量計的流量公式為：

                            （1）

      式中：

      q_v 為體積流量，m³/s；
      C  為流出因數(shù)；
      ε   為可膨脹系數(shù)；
      m  為流通面積與管道截面積之比；
      D  為管道內(nèi)徑，m；
      Δp為楔形件前后產(chǎn)生的差壓，Pa；
      ρ  為被測流體密度，kg/m³。

      2 楔形流量計的特點

      2.1 楔形流量計的壓損

      由于楔形孔板未標準化，其結構中各生產(chǎn)廠決定，我公司生產(chǎn)的楔形孔板其夾角一般為60°～90°，如果其夾角為0°，即成為圓缺孔板了，夾角越大，產(chǎn)生的靜壓差越小，但壓損也相應增大。楔形孔板的結構在圓缺孔板、噴嘴之間，由于楔形孔板倒三角形，而三角形具有導流作用，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2為楔形孔板與噴嘴、孔板產(chǎn)生的力損失比較。

      2.2 楔形流量計的優(yōu)點

      楔形孔板具有圓缺孔板的優(yōu)點，當流體中含有雜質(zhì)或固體物質(zhì)時，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。

      2.3 適用于低雷諾數(shù)R_eD流量測量

      標孔板、文丘里管等不宜在低雷諾數(shù)下進行測量，標準孔板的流出因數(shù)通常在雷諾數(shù)4000以上時趨于穩(wěn)定，在低雷諾數(shù)時，其流出因數(shù)會隨雷諾數(shù)的變化而變化，當雷諾數(shù)小1800時，則流量與差壓之間會偏離基本的平方根關系，顯然會對測量準確度造成較大影響。而楔形孔板是V型節(jié)流元件，其流出因數(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，當雷諾數(shù)小至500時，楔形流量計的準確度和流出因數(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%。

      2.4 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。

      3 適用范圍

      由于楔形流量計量程比寬，雷諾數(shù)適用范圍在300～10⁶之間，因而特別適合于高粘度流體的測量，如化工廠各種高粘度流體以及污水、較臟污的氣體如高爐煤氣、焦爐煤氣的測量，楔形流量計可測量的雷諾數(shù)范圍上限可達10⁶，所以也可進行蒸汽、天然氣等氣體的測量。

      4 楔形流量計的標定

      4.1 實流標定

      楔形流量計是非標儀表，出廠時每臺儀表必須經(jīng)過實流標定。我公司生產(chǎn)的楔形流量計采用標準表法、用水作介質(zhì)對每臺儀表進行標定。楔形流量計在設計時選擇的流出因數(shù)由于很難準確地測量楔形元件的流通面積，找出等效孔徑，因而大多憑經(jīng)驗先選擇流出因數(shù)，只有通過標定才能計算出實際的流出因數(shù)，確定該臺儀表的誤差，并對原設計的差壓進行調(diào)整以達到儀表準確度等級的要求。

      4.2 標定及數(shù)據(jù)處理

      為了保證在儀表使用范圍內(nèi)的準確性，標定點應選擇在常用流量范圍內(nèi)，一般選取流量上限的20%、40%、60%、80%、100%；每一標定點按企業(yè)標準規(guī)定，用計算機多次采樣后取其平均值，再求出各標定點的流出因數(shù)平均值作為這臺儀表的流出因數(shù)。其C值的計算公式如下：

                           （2）

      式中：

      q_m 為質(zhì)量流量，kg/m³；
       ε   為膨脹因數(shù)；
      Δp  為楔形件前后產(chǎn)生的差壓，Pa；
      ρ    為被測流體密度，kg/m³；
      m   為流通面積與管道截面積之比；
      D    為管道內(nèi)徑，m。

      我們對生產(chǎn)的數(shù)十臺楔形流量計標定后流出因數(shù)進行分析，其各種規(guī)格的楔形孔板（管徑25～300mm、量程比為1:10）的流出因數(shù)十分穩(wěn)定，其測量誤差均小于1%。80%左右的儀表顯示流量與標準電磁流量計（經(jīng)華東國家計量測試中心、上海市計量測試技術研究院給出的校準證書標明，其zui大示值誤差為-0.10% 、-0.12%）的誤差均在±0.5%左右。

      表1列出了q_{m max}=50000kg/h、ΔP_max=44kPa、楔形比β=0.2522的楔形孔板的標定數(shù)據(jù)。

      表1 楔形流量計標定數(shù)據(jù)

被檢表輸出帶內(nèi)流/mA	計算值 /kg•h-1	標準表讀數(shù) /kg•h-1	被件表讀數(shù) /kg•h-1	測量誤差 /%	流出因數(shù) /C	各點流出因數(shù)平均值/
5	12500.00	12280.00	12310.00	0.2443	0.7248	0.72490
		12280.00	12300.00	0.1629	0.7250
		12650.00	12680.00	0.2372	0.7249
		12550.00	12600.00	0.3984	0.7249
		12230.00	12280.00	0.4088	0.7249
8	25000.00	24910.00	24990.00	0.3212	0.7248	0.72458
		24940.00	24980.00	0.1604	0.7245
		24990.00	25050.00	0.2401	0.7246
		25030.00	25100.00	0.2797	0.7244
		25010.00	25030.00	0.0800	0.7246
12	35355.34	35370.00	35500.00	0.3675	0.7245	0.72432
		35380.00	35550.00	0.4805	0.7244
		35300.00	35450.00	0.4249	0.7242
		35400.00	35480.00	0.2260	0.7242
		35850.00	35930.00	0.2232	0.7243
16	43301.27	43470.00	43550.00	0.1840	0.7246	0.72450
		43440.00	43540.00	0.2302	0.7244
		43500.00	43620.00	0.2579	0.7246
		43520.00	43590.00	0.1608	0.7244
		43420.00	43610.00	0.4376	0.7245
20	50000.00	48420.00	48560.00	0.2891	0.7243	0.72418
		48900.00	49000.00	0.2045	0.7241
		48950.00	49100.00	0.3064	0.7243
		48910.00	48980.00	0.1431	0.7242
		48500.00	48680.00	0.3711	0.7240

      按公式（3）計算出每個檢定點5個C值的平均值C_I；

                           （3） 

      再計算出5個檢定點的5個C_I值的平均值C₀，C₀即為該被檢定楔形流量計的流出因數(shù)。標定后的流出因數(shù)C₀=0.7245可作為該臺儀表出廠時確定的流出因數(shù)。

       5 楔形流量計的應用

      我公司焦化廠萘油、焦油的測量，過去采用靶式流量計，使用效果不能令人滿意，用楔形流量計后3年多，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，維護工作量大為減少，故障率極低，*。

      高爐煤氣發(fā)生量和熱風爐用高爐煤氣（管道直徑為Φ1820mm×10mm和Φ1420mm×10mm）均采用楔形流量計進行測量，從二年多使用情況來看，從未發(fā)生取壓管堵塞，數(shù)據(jù)也十分穩(wěn)定。

       6 結束語

      的1S05167：2003〔E〕已經(jīng)逐步在國內(nèi)宜傳、推廣，對冶金廠來說，現(xiàn)行國標GB/T2624-93中規(guī)定的直管段長度很多地方都無法滿足，更長的直管段要求更是擺在現(xiàn)行孔板面前的嚴峻課題。除了采用新型儀表V型內(nèi)錐以外，筆者覺得，在一些不是作為計量結算十分嚴格的場所，采用一些實用、可靠的非標儀表也是可以考慮的。其實標準與非標儀表也是相對的，今天的非標可能明天就成為標準，況且很多設計好的標準節(jié)流裝置因現(xiàn)場條件所限就成非標了，而且有些誤差還不好確定，這種情況在工廠的計量中屢見不鮮。楔形流量計我們使用后的體會就是工作穩(wěn)定、準確度適中、儀表結構簡單、能適應多種介質(zhì)的測量、維護量小，在我們公司的使用量逐年遞增。缺點就是必須每臺標定，價格比孔板略高。