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楔形流量計選型研究
發布時間:2019-03-13

摘要:介紹了楔形流量計的原理及應用范圍,探討了楔形流量計對介質雷諾數下限的要求;介紹了楔形流量計差壓值的確定方法;以實際案例為例,采用PresoFloWCal軟件對楔形流量計差壓值及壓損進行計算。結合工程經驗,對與楔形流量計配套使用的差壓變送器進行選型,根據不同的工況,給出建議的安裝方式。
  在石化裝置中,存在一些易結晶、黏稠、臟污、磨蝕、低雷諾數、含有懸浮物、高溫等工況的介質,如原油、泥漿、煤焦油、廢水、瀝青、氯氣等,常用的流量計如孔板流量計渦街流量計電磁流量計等無法克服堵塞、低雷諾數、磨損、腐蝕等問題,故給設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原理及應用范圍
  楔形流量計結構如圖1所示。當流體流經V形節流塊時,流通面積減小,流速增大,靜壓減小,從而產生靜壓差,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”型體節流件,當流體中含有雜質或者固體時,容易從楔形下部流過,不會產生滯留,從而防止堵塞現象[2]。
  楔形流量計通常口徑范圍為DN15~DN600,特殊口徑可至DN1200,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。
楔形流量計結構圖
  楔形流量計對介質雷諾數下限的要求,HG/T20507—2014《自動化儀表選型設計規范》6.2.4條規定:“含懸浮物的高黏度易結晶液體的流量、要求永久的壓力損失小、雷諾數小于500時,宜選用楔形流量計”[3];已作廢的HG/T20507—2000《自動化儀表選型設計規定》3.2.1條規定:“含懸浮物的高黏度液體、蒸汽、氣體的流量測量、雷諾數大于500時可選用楔形流量計”;SH/T3005—2016《石油化工自動化儀表選型設計規范》中規定:“當測量高黏度、低雷諾數(最低至500)的流體時,可選用楔形流量計”;已作廢的SH/T3005—1999《石油化工自動化儀表選型設計規范》中規定:“測量高黏度、低雷諾數(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個前后版本中關于楔形流量計對介質最低雷諾數的說法不一致,其中HG/T20507—2014與SH/T3005—2015對雷諾數的要求相悖。查看廠家樣本資料,如ABB的FPD470系列、BaDgerMeter的Preso楔形流量計要求雷諾數下限值為500,大韓DHWM系列、捷達WM系列楔形流量計要求雷諾數下限值為300,當雷諾數再低時流量系數發生變化,流體流量和差壓不再遵循平方根的關系,會影響測量準確度。綜合上述產品信息,楔形流量計雷諾數下限取500。
2差壓值的計算
楔形流量計差壓值與流量的關系如下式所示:

  式中:ΔP———差壓值,Kpa;qv———介質工況下體積流量,M3/H;C———流量常數。
1)對于測量液體介質,流量常數C見下式所示:

  式中:N———單位轉換系數,N=0.1264;KP———流量系數;D———楔形流量計內徑,mm;Fa———材料熱膨脹系數,mm2/mm2;ρ———介質密度,kg/M3。
  楔形流量計的流量系數KP和流量計的口徑及楔塊比(H/D)有關,計算時可參考表1中Preso楔形流量計數據。

  在實際使用過程中,因楔形流量計為非標儀表,出廠時每臺儀表需經過實際流體標定,從而得出實際的流量系數,對原有計算時的差壓值進行調整[4]。
2)對于測量氣體介質,流量常數C見下式所示:

式中:Y———氣體熱膨脹系數。
3)楔形流量計也可以測量蒸汽,但對于蒸汽介質,建議采用噴嘴、渦街等其他形式的流量計進行測量。
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=0.7070的節流面積比是一樣的[6],詳見表2所列。

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。

式中:PPl———永久壓力損失,Kpa。

4應用案例
  某工況介質為原料油,管道為DN250,壁厚為SH80,材質為碳鋼,正常溫度為50℃,正常壓力為2.08Mpa,最大流量為196.4t/h,正常流量為178.6t/h,最小流量為125t/h,動力黏度為0.295Pa·s,介質密度為943kg/M3,允許壓降為30Kpa。
因介質黏稠,綜合比較各類型流量計后選用楔形流量計進行測量,最大流量不超過滿量程的90%,因而圓整后最大量程選用220t/h,楔形流量計材質選用316不銹鋼。使用BaDgerMeter的PresoFloWCalCV5.36軟件對此工況下的楔形流量計差壓值及壓損進行計算。通過調整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KP為0.1854,在滿刻度220t/h的流量下差壓值為25.53Kpa,等效的β值為0.5023,在滿刻度流量下的永久壓力損失為11.99Kpa,滿足工藝的30Kpa壓力損失限制要求。
上述均為基于經驗值的計算,可供設計選型參考,實際的流量系數仍需要經過標定后才可確定。
5楔形流量計的安裝
  楔形流量計多用于介質高黏度或者強腐蝕性等場合,常與毛細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,對于高黏度的介質還需配備沖洗環。
  若儀表訂貨是在基礎工程設計階段時,建議帶隔離裝置的毛細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,避免過長的毛細管的長度影響測量精度或過短的毛細管長度影響安裝。在詳細工程設計階段時,需提相關安裝條件給配管專業,將楔形流量計安裝在便于維護的場合。
  羅斯蒙特1199遠傳膜片裝置采用D.C.704高溫硅油時介質溫度上限是315℃[8],EJA118系列隔膜密封裝置允許介質溫度上限是300℃[9],當介質溫度過高采用上述帶毛細管遠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。當介質高黏度且高溫時,楔形流量計的接管長度可選150mm,利用盲腸效應進行降溫,避免高溫傷及儀表及堵塞發生。
6結論
  掌握楔形流量計差壓值的計算有利于指導設計選型,流量計直管段的要求與楔塊比有關系,根據確定的楔塊比提出流量計安裝要求;設計過程中應根據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行穩定,維護量少,價格便宜[10],有很大的應用前景。

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