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楔形流量计选型研究
发布时间:2019-03-13

摘要:介绍了楔形流量计的原理及应用范围,探讨了楔形流量计对介质雷诺数下限的要求;介绍了楔形流量计差压值的确定方法;以实际案例为例,采用PresoFloWCal软件对楔形流量计差压值及压损进行计算。结合工程经验,对与楔形流量计配套使用的差压变送器进行选型,根据不同的工况,给出建议的安装方式。
  在石化装置中,存在一些易结晶、黏稠、脏污、磨蚀、低雷诺数、含有悬浮物、高温等工况的介质,如原油、泥浆、煤焦油、废水、沥青、氯气等,常用的流量计如孔板流量计涡街流量计电磁流量计等无法克服堵塞、低雷诺数、磨损、腐蚀等问题,故给设计选型带来一些困扰。楔形流量计能够有效克服上述恶劣工况,提供高性能的流量解决方案,取得了满意的测量效果。
1原理及应用范围
  楔形流量计结构如图1所示。当流体流经V形节流块时,流通面积减小,流速增大,静压减小,从而产生静压差,而压差的平方根与流量成正比,测得差压即可测得管道中的流量[1]。楔形流量计采用“V”型体节流件,当流体中含有杂质或者固体时,容易从楔形下部流过,不会产生滞留,从而防止堵塞现象[2]。
  楔形流量计通常口径范围为DN15~DN600,特殊口径可至DN1200,压力等级高至PN420,测量精度为±0.5%FS,可测量黏度高至3Pa·s的介质。
楔形流量计结构图
  楔形流量计对介质雷诺数下限的要求,HG/T20507—2014《自动化仪表选型设计规范》6.2.4条规定:“含悬浮物的高黏度易结晶液体的流量、要求永久的压力损失小、雷诺数小于500时,宜选用楔形流量计”[3];已作废的HG/T20507—2000《自动化仪表选型设计规定》3.2.1条规定:“含悬浮物的高黏度液体、蒸汽、气体的流量测量、雷诺数大于500时可选用楔形流量计”;SH/T3005—2016《石油化工自动化仪表选型设计规范》中规定:“当测量高黏度、低雷诺数(最低至500)的流体时,可选用楔形流量计”;已作废的SH/T3005—1999《石油化工自动化仪表选型设计规范》中规定:“测量高黏度、低雷诺数(低至100)的流体,如原油、油浆、渣油、沥青等,可选用楔式流量计”。
  上述4个前后版本中关于楔形流量计对介质最低雷诺数的说法不一致,其中HG/T20507—2014与SH/T3005—2015对雷诺数的要求相悖。查看厂家样本资料,如ABB的FPD470系列、BaDgerMeter的Preso楔形流量计要求雷诺数下限值为500,大韩DHWM系列、捷达WM系列楔形流量计要求雷诺数下限值为300,当雷诺数再低时流量系数发生变化,流体流量和差压不再遵循平方根的关系,会影响测量准确度。综合上述产品信息,楔形流量计雷诺数下限取500。
2差压值的计算
楔形流量计差压值与流量的关系如下式所示:

  式中:ΔP———差压值,Kpa;qv———介质工况下体积流量,M3/H;C———流量常数。
1)对于测量液体介质,流量常数C见下式所示:

  式中:N———单位转换系数,N=0.1264;KP———流量系数;D———楔形流量计内径,mm;Fa———材料热膨胀系数,mm2/mm2;ρ———介质密度,kg/M3。
  楔形流量计的流量系数KP和流量计的口径及楔块比(H/D)有关,计算时可参考表1中Preso楔形流量计数据。

  在实际使用过程中,因楔形流量计为非标仪表,出厂时每台仪表需经过实际流体标定,从而得出实际的流量系数,对原有计算时的差压值进行调整[4]。
2)对于测量气体介质,流量常数C见下式所示:

式中:Y———气体热膨胀系数。
3)楔形流量计也可以测量蒸汽,但对于蒸汽介质,建议采用喷嘴、涡街等其他形式的流量计进行测量。
3压损的计算
  楔形流量计比孔板、V锥、喷嘴的压力损失小,相同β值情况下几种流量计压损比较[5]如图2所示。
  将楔形流量计H/D换算成孔板流量计的β值,如楔形流量计H/D=0.5与孔板β=0.7070的节流面积比是一样的[6],详见表2所列。

将换算完后的β值代入下式[6]中,即可得出楔形流量计的永久压力损失。

式中:PPl———永久压力损失,Kpa。

4应用案例
  某工况介质为原料油,管道为DN250,壁厚为SH80,材质为碳钢,正常温度为50℃,正常压力为2.08Mpa,最大流量为196.4t/h,正常流量为178.6t/h,最小流量为125t/h,动力黏度为0.295Pa·s,介质密度为943kg/M3,允许压降为30Kpa。
因介质黏稠,综合比较各类型流量计后选用楔形流量计进行测量,最大流量不超过满量程的90%,因而圆整后最大量程选用220t/h,楔形流量计材质选用316不锈钢。使用BaDgerMeter的PresoFloWCalCV5.36软件对此工况下的楔形流量计差压值及压损进行计算。通过调整H/D的值得到合适的差压值,确定H/D的值后即可确定等效的β值,得出永久压力损失值。
  该案例中的楔形流量计H/D选用0.3,流量系数KP为0.1854,在满刻度220t/h的流量下差压值为25.53Kpa,等效的β值为0.5023,在满刻度流量下的永久压力损失为11.99Kpa,满足工艺的30Kpa压力损失限制要求。
上述均为基于经验值的计算,可供设计选型参考,实际的流量系数仍需要经过标定后才可确定。
5楔形流量计的安装
  楔形流量计多用于介质高黏度或者强腐蚀性等场合,常与毛细管式法兰膜片密封式差压变送器配套使用,差压变送器与楔形流量计之间配备法兰式切断阀方便检维修,对于高黏度的介质还需配备冲洗环。
  若仪表订货是在基础工程设计阶段时,建议带隔离装置的毛细管差压变送器与楔形流量计成套订货,并采用一体式的安装形式,将差压变送器固定在楔形流量计上,避免过长的毛细管的长度影响测量精度或过短的毛细管长度影响安装。在详细工程设计阶段时,需提相关安装条件给配管专业,将楔形流量计安装在便于维护的场合。
  罗斯蒙特1199远传膜片装置采用D.C.704高温硅油时介质温度上限是315℃[8],EJA118系列隔膜密封装置允许介质温度上限是300℃[9],当介质温度过高采用上述带毛细管远传膜片式差压变送器与楔形流量计配套使用时容易造成测量误差。当介质高黏度且高温时,楔形流量计的接管长度可选150mm,利用盲肠效应进行降温,避免高温伤及仪表及堵塞发生。
6结论
  掌握楔形流量计差压值的计算有利于指导设计选型,流量计直管段的要求与楔块比有关系,根据确定的楔块比提出流量计安装要求;设计过程中应根据具体工况选择合适的安装方式。楔形流量计在使用过程中运行稳定,维护量少,价格便宜[10],有很大的应用前景。

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