1 引言

    在流量?jī)x表中，孔板和噴嘴為主的節(jié)流式差壓流量計(jì)壓力損失大，是一個(gè)重要的缺點(diǎn)，開(kāi)發(fā)低壓損節(jié)流件越來(lái)越受到人們的重視，因而楔式流量計(jì)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(guó)引進(jìn)美國(guó)泰勒公司[1]生產(chǎn)的楔形流量計(jì)，在化工企業(yè)的高黏度及臟污流體測(cè)量中使用效果令人滿意。截至目前，國(guó)內(nèi)已有許多廠專(zhuān)門(mén)從事楔式流量計(jì)的設(shè)計(jì)、制造、安裝等工作，從而也加速了楔式流量計(jì)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(guó)內(nèi)節(jié)能工作的發(fā)展，各行各業(yè)節(jié)能意識(shí)不斷增強(qiáng)，節(jié)能的楔形流量計(jì)在石化行業(yè)的應(yīng)用推廣應(yīng)該引起重視。

    2 測(cè)量原理

    楔形流量計(jì)是根據(jù)伯努利公式，利用流體在流動(dòng)過(guò)程中遵守能量守恒定律（即動(dòng)能和靜壓能之和不變），流體通過(guò)起節(jié)流作用的楔塊時(shí)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(jìn)行流量測(cè)量的，因此測(cè)得壓差即可測(cè)得管道中的流量[2]。

    楔形流量計(jì)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(lái)確定。

    楔形流量計(jì)的流量公式：

圖1 楔形流量計(jì)測(cè)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(cè)流體密度，kg/m3。

    3 結(jié)構(gòu)和基本特點(diǎn)

    3.1 楔形流量計(jì)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(cè)介質(zhì)通過(guò)節(jié)流裝置時(shí)，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(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，同時(shí)，將被測(cè)介質(zhì)的壓力、溫度電信號(hào)一起送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，自動(dòng)補(bǔ)償修正，給出瞬時(shí)流量或累計(jì)流量顯示或記錄[3]。

圖2 楔形流量計(jì)基本結(jié)構(gòu)

    楔形流量計(jì)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(kāi)設(shè)置。由于楔形流量計(jì)的結(jié)構(gòu)形式*，兼顧了其他幾種節(jié)流式流量計(jì)的特點(diǎn)，具有較好的適應(yīng)性。

    3.2 基本特點(diǎn)

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

    b）改善了對(duì)孔板入口尖銳度的要求，使磨損減小，這樣*地減少了維護(hù)工作量并延長(zhǎng)了儀表檢定周期，提高了測(cè)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(lái)說(shuō)，楔形流量計(jì)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(jì)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(cè)量，用途廣泛。

    d）量程比寬，通?？梢赃_(dá)到10∶1（或15∶1），測(cè)量精度較高，正負(fù)（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(dòng)時(shí)能使流線圓滑過(guò)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(diǎn)。楔形孔板具有園缺孔板的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)流體中含有雜質(zhì)或固體物質(zhì)時(shí)，流動(dòng)線路*，容易從楔形孔板下部流過(guò)，不會(huì)沉積在楔形孔板周?chē)?，也就是說(shuō)楔形孔板具有自清洗作用[5]。

    g）適用于低雷諾數(shù)流量測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)孔板、文丘里管等不宜在低雷諾數(shù)下進(jìn)行測(cè)量，標(biāo)準(zhǔn)孔板的流量系數(shù)通常在雷諾數(shù)4000以上時(shí)趨于穩(wěn)定，在低雷諾數(shù)時(shí)，其流量系數(shù)會(huì)隨雷諾數(shù)的變化而變化；當(dāng)雷諾數(shù)小于1800時(shí)，流量與差壓之間會(huì)偏離基本的平方根關(guān)系，顯然會(huì)對(duì)測(cè)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(wú)滯流區(qū)的特點(diǎn)，雷諾數(shù)對(duì)它影響小。當(dāng)雷諾數(shù)小至500時(shí)，楔形流量計(jì)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(jìn)行流量測(cè)量，其誤差小
于3%。

    h）安裝使用方便，與孔板相比，楔形流量計(jì)兩端用法蘭與工藝管道連接即可，安裝較方便，同時(shí)其日常維護(hù)量較小，運(yùn)行成本相對(duì)較低，使用壽命較長(zhǎng)。

    i）尚未標(biāo)準(zhǔn)化。楔形流量計(jì)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(jì)、制造、計(jì)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(shí)流標(biāo)準(zhǔn)確定。其實(shí)標(biāo)準(zhǔn)與非標(biāo)儀表只是相對(duì)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(jì)好的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置因現(xiàn)場(chǎng)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(jì)量中屢見(jiàn)不鮮。

    4 楔形流量計(jì)適用范圍

    由于楔形孔板結(jié)構(gòu)*，可用于黏滯性液體的流量測(cè)量，黏度可高達(dá)500mPa•s，如燃油、渣油、重油等。其楔形塊的“導(dǎo)流”及流動(dòng)線路無(wú)“死區(qū)”的特點(diǎn)，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(cè)量。楔形流量計(jì)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(dá)106以上，可適用于氣體、蒸汽等流量測(cè)量。由此可見(jiàn)，楔式流量計(jì)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(cè)量中具有孔板無(wú)法達(dá)到的*性能。

    目前，楔形流量計(jì)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(shí)常有雜物等鉤掛在流量計(jì)上。公司于2005年一方面加強(qiáng)了循環(huán)水管理，另一方面將靶式流量計(jì)更換為雙法蘭式楔形流量計(jì)，使用至今，測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定，維護(hù)工作量大為減少，故障率極低，*。

    b）在2007年壓縮空氣計(jì)量系統(tǒng)中采用楔形流量計(jì)，克服了以前用孔板時(shí)因各個(gè)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(cè)量中已使用了10多臺(tái)楔形流量計(jì)，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(hù)工作量大，改用楔形流量計(jì)后，以前存在的問(wèn)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(cè)量全部采用楔形流量計(jì)，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(hào)，經(jīng)DCS開(kāi)方，得到流量測(cè)量值。經(jīng)過(guò)4年的運(yùn)行，整體運(yùn)行穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)因沉積、堵塞等問(wèn)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(cè)量中推廣使用，這一點(diǎn)也在文獻(xiàn)[4]中得到了驗(yàn)證。

    5 楔式流量計(jì)節(jié)能舉例

    楔式流量計(jì)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(guò)理論計(jì)算得到動(dòng)力節(jié)約費(fèi)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(hù)費(fèi)用、確保裝置長(zhǎng)周期安全運(yùn)行帶來(lái)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?lái)看，從某種意義上可說(shuō)，楔式流量計(jì)間接節(jié)能的效益遠(yuǎn)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(huì)引起額外的損耗，各類(lèi)節(jié)流裝置壓力損失的大小決定了儀表耗能的多少，對(duì)于大口徑的測(cè)量，其耗能費(fèi)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(duì)比如下：

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

    采用楔形流量計(jì)，經(jīng)西安三聯(lián)測(cè)控技術(shù)有限公司楔式流量計(jì)設(shè)計(jì)軟件計(jì)算：楔形比D/h=0.5，楔子高度h=156.02mm，節(jié)流面積比m=0.5，zui大差壓Δpmax=12.5kPa；采用孔板流量計(jì)：經(jīng)開(kāi)封儀表測(cè)量孔板節(jié)流裝置設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行計(jì)算：β=0.707，zui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）。

    *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：

    *壓損的差值：

    用標(biāo)準(zhǔn)孔板多消耗的功率（能耗計(jì)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(fèi)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(jì)的情況來(lái)看，儀表故障率極低，測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定，未發(fā)生因測(cè)量失靈而造成操作失誤或停工的現(xiàn)象，儀表維修維護(hù)工作量大大減少，基本可實(shí)現(xiàn)“零維修”，確保了裝置的平穩(wěn)運(yùn)行，給企業(yè)帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

    6 結(jié)束語(yǔ)

    楔形流量計(jì)在墾利石化公司應(yīng)用中的實(shí)踐表明，其工作穩(wěn)定，準(zhǔn)確度適中，儀表結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能適應(yīng)多種介質(zhì)的測(cè)量，維護(hù)量小，在公司的使用量逐年遞增。楔形流量計(jì)在使用過(guò)程存在很多優(yōu)點(diǎn)，但相對(duì)于孔板流量計(jì)來(lái)說(shuō)，楔形流量計(jì)還具有價(jià)格高、必須每臺(tái)標(biāo)定等不足，無(wú)論是在設(shè)計(jì)、制造、計(jì)算，還是安裝使用等方面，楔形流量計(jì)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(jì)與孔板流量計(jì)共存，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)[8]，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，楔形流量計(jì)是新一代差壓式流量計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。

    節(jié)能是一項(xiàng)*國(guó)策，節(jié)能需要每個(gè)石化企業(yè)從每一個(gè)細(xì)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?？梢钥闯觯ㄐ瘟髁坑?jì)應(yīng)用在某些對(duì)計(jì)量結(jié)算要求不十分嚴(yán)格的場(chǎng)所會(huì)帶來(lái)*的直接節(jié)能效益和巨大的間接經(jīng)濟(jì)效益，在石化行業(yè)有著廣闊的推廣應(yīng)用前景