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(jìn)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(mǎn)意,美國一家污水處理廠(chǎng)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年內在焦化廠(chǎng)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(jìn)行測量,取得了滿(mǎn)意的效果。
1 測量原理
楔形流量計根據伯努利公式,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,以流體通過(guò)起節流作用的圓缺楔時(shí)產(chǎn)生壓差的原理而進(jìn)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,差壓引出管在位于楔形片中心兩邊等距離的地方,見(jiàn)圖1。
當流體流經(jīng)V形節流塊時(shí),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:
qv 為體積流量,m3/s;
C 為流出因數;
ε 為可膨脹系數;
m 為流通面積與管道截面積之比;
D 為管道內徑,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(diǎn)
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(chǎng)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(dòng)時(shí)能使流線(xiàn)圓滑過(guò)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(diǎn)
楔形孔板具有圓缺孔板的優(yōu)點(diǎn),當流體中含有雜質(zhì)或固體物質(zhì)時(shí),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。
2.3 適用于低雷諾數ReD流量測量
標孔板、文丘里管等不宜在低雷諾數下進(jìn)行測量,標準孔板的流出因數通常在雷諾數4000以上時(shí)趨于穩定,在低雷諾數時(shí),其流出因數會(huì )隨雷諾數的變化而變化,當雷諾數小1800時(shí),則流量與差壓之間會(huì )偏離基本的平方根關(guān)系,顯然會(huì )對測量準確度造成較大影響。而楔形孔板是V型節流元件,其流出因數線(xiàn)性好,具有噴嘴入口曲線(xiàn)流暢、無(wú)滯流區的特點(diǎn),雷諾數對它影響小,當雷諾數小至500時(shí),楔形流量計的準確度和流出因數的變化不大,雷諾數在400~10000之間進(jìn)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(shí)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(chǎng)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范圍上限可達106,所以也可進(jìn)行蒸汽、天然氣等氣體的測量。
4 楔形流量計的標定
4.1 實(shí)流標定
楔形流量計是非標儀表,出廠(chǎng)時(shí)每臺儀表必須經(jīng)過(guò)實(shí)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(jìn)行標定。楔形流量計在設計時(shí)選擇的流出因數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,只有通過(guò)標定才能計算出實(shí)際的流出因數,確定該臺儀表的誤差,并對原設計的差壓進(jìn)行調整以達到儀表準確度等級的要求。
4.2 標定及數據處理
為了保證在儀表使用范圍內的準確性,標定點(diǎn)應選擇在常用流量范圍內,一般選取流量上限的20%、40%、60%、80%、;每一標定點(diǎn)按企業(yè)標準規定,用計算機多次采樣后取其平均值,再求出各標定點(diǎn)的流出因數平均值作為這臺儀表的流出因數。其C值的計算公式如下:
(2)
式中:
qm 為質(zhì)量流量,kg/m3;
ε 為膨脹因數;
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 為管道內徑,m。
我們對生產(chǎn)的數十臺楔形流量計標定后流出因數進(jìn)行分析,其各種規格的楔形孔板(管徑25~300mm、量程比為1:10)的流出因數十分穩定,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(shù)研究院給出的校準證書(shū)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qm max=50000kg/h、ΔPmax=44kPa、楔形比β=0.2522的楔形孔板的標定數據。
表1 楔形流量計標定數據
被檢表輸出帶內流/mA | 計算值 /kg•h-1 | 標準表讀數 /kg•h-1 | 被件表讀數 /kg•h-1 | 測量誤差 /% | 流出因數 /C | 各點(diǎn)流出因數平均值/ |
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(gè)檢定點(diǎn)5個(gè)C值的平均值CI;
(3)
再計算出5個(gè)檢定點(diǎn)的5個(gè)CI值的平均值C0,C0即為該被檢定楔形流量計的流出因數。標定后的流出因數C0=0.7245可作為該臺儀表出廠(chǎng)時(shí)確定的流出因數。
5 楔形流量計的應用
我公司焦化廠(chǎng)萘油、焦油的測量,過(guò)去采用靶式流量計,使用效果不能令人滿(mǎn)意,用楔形流量計后3年多,數據穩定,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(fēng)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(jìn)行測量,從二年多使用情況來(lái)看,從未發(fā)生取壓管堵塞,數據也十分穩定。
6 結束語(yǔ)
的1S05167:2003〔E〕已經(jīng)逐步在國內宜傳、推廣,對冶金廠(chǎng)來(lái)說(shuō),現行國標GB/T2624-93中規定的直管段長(cháng)度很多地方都無(wú)法滿(mǎn)足,更長(cháng)的直管段要求更是擺在現行孔板面前的嚴峻課題。除了采用新型儀表V型內錐以外,筆者覺(jué)得,在一些不是作為計量結算十分嚴格的場(chǎng)所,采用一些實(shí)用、可靠的非標儀表也是可以考慮的。其實(shí)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流裝置因現場(chǎng)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(chǎng)的計量中屢見(jiàn)不鮮。楔形流量計我們使用后的體會(huì )就是工作穩定、準確度適中、儀表結構簡(jiǎn)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(diǎn)就是必須每臺標定,價(jià)格比孔板略高。