楔形流量计及应用

楔形流量计属于差压式流量计，20世纪70年代后期我国引进了泰勒公司〔Taylor〕生产的楔形流量计，在化工企业的高粘度液体测量中使用效果令人满意，美国一家污水处理厂1987～1988年共安装15台楔形流量计测量污水流量，投运后仪表运行正常^[2]。我公司近3年内在焦化厂焦油、工业萘、蒸汽、天然气、高炉煤气、焦炉煤气、水等介质的测量中广泛采用楔形流量计进行测量，取得了满意的效果。

      1 测量原理

      楔形流量计根据伯努利公式，利用流体在流动过程中遵守能量守恒定律，即动能和静压能之和不变，以流体通过起节流作用的圆缺楔时产生压差的原理而进行流量测量。楔形流量孔板由两块平板（一般为不锈钢）制作而成，这两块平板在临界角上焊接在一起，然后插入槽内，差压引出管在位于楔形片中心两边等距离的地方，见图1。

      当流体流经V形节流块时，流通面积减少，流速增大，静压减小，从而产生静压力差。压差的平方根与流量成正比。测得压差即可测得管道中的流量。楔形流量计的流量公式为：

                            （1）

      式中：

      q_v 为体积流量，m³/s；
      C  为流出因数；
      ε   为可膨胀系数；
      m  为流通面积与管道截面积之比；
      D  为管道内径，m；
      Δp为楔形件前后产生的差压，Pa；
      ρ  为被测流体密度，kg/m³。

      2 楔形流量计的特点

      2.1 楔形流量计的压损

      由于楔形孔板未标准化，其结构中各生产厂决定，我公司生产的楔形孔板其夹角一般为60°～90°，如果其夹角为0°，即成为圆缺孔板了，夹角越大，产生的静压差越小，但压损也相应增大。楔形孔板的结构在圆缺孔板、喷嘴之间，由于楔形孔板倒三角形，而三角形具有导流作用，流体流动时能使流线圆滑过渡，与孔板相比，楔形孔板产生的压损较小。图2为楔形孔板与喷嘴、孔板产生的力损失比较。

      2.2 楔形流量计的优点

      楔形孔板具有圆缺孔板的优点，当流体中含有杂质或固体物质时，容易从楔形孔板下部流过，不会沉积在楔形孔板周围，也就是说楔形孔板具有自清洗作用。

      2.3 适用于低雷诺数R_eD流量测量

      标孔板、文丘里管等不宜在低雷诺数下进行测量，标准孔板的流出因数通常在雷诺数4000以上时趋于稳定，在低雷诺数时，其流出因数会随雷诺数的变化而变化，当雷诺数小1800时，则流量与差压之间会偏离基本的平方根关系，显然会对测量准确度造成较大影响。而楔形孔板是V型节流元件，其流出因数线性好，具有喷嘴入口曲线流畅、无滞流区的特点，雷诺数对它影响小，当雷诺数小至500时，楔形流量计的准确度和流出因数的变化不大，雷诺数在400～10000之间进行流量测量，其误差小于3%。

      2.4 安装使用方便

      与孔板相比，楔形流量计两端用法兰与工艺管道连接即可，安装较方便，同时其日常维护量较小，运行成本相对较低。

      3 适用范围

      由于楔形流量计量程比宽，雷诺数适用范围在300～10⁶之间，因而特别适合于高粘度流体的测量，如化工厂各种高粘度流体以及污水、较脏污的气体如高炉煤气、焦炉煤气的测量，楔形流量计可测量的雷诺数范围上限可达10⁶，所以也可进行蒸汽、天然气等气体的测量。

      4 楔形流量计的标定

      4.1 实流标定

      楔形流量计是非标仪表，出厂时每台仪表必须经过实流标定。我公司生产的楔形流量计采用标准表法、用水作介质对每台仪表进行标定。楔形流量计在设计时选择的流出因数由于很难准确地测量楔形元件的流通面积，找出等效孔径，因而大多凭经验先选择流出因数，只有通过标定才能计算出实际的流出因数，确定该台仪表的误差，并对原设计的差压进行调整以达到仪表准确度等级的要求。

      4.2 标定及数据处理

      为了保证在仪表使用范围内的准确性，标定点应选择在常用流量范围内，一般选取流量上限的20%、40%、60%、80%、；每一标定点按企业标准规定，用计算机多次采样后取其平均值，再求出各标定点的流出因数平均值作为这台仪表的流出因数。其C值的计算公式如下：

                           （2）

      式中：

      q_m 为质量流量，kg/m³；
       ε   为膨胀因数；
      Δp  为楔形件前后产生的差压，Pa；
      ρ    为被测流体密度，kg/m³；
      m   为流通面积与管道截面积之比；
      D    为管道内径，m。

      我们对生产的数十台楔形流量计标定后流出因数进行分析，其各种规格的楔形孔板（管径25～300mm、量程比为1:10）的流出因数十分稳定，其测量误差均小于1%。80%左右的仪表显示流量与标准电磁流量计（经华东国家计量测试中心、上海市计量测试技术研究院给出的校准证书标明，其zui大示值误差为-0.10% 、-0.12%）的误差均在±0.5%左右。

      表1列出了q_{m max}=50000kg/h、ΔP_max=44kPa、楔形比β=0.2522的楔形孔板的标定数据。

      表1 楔形流量计标定数据

      按公式（3）计算出每个检定点5个C值的平均值C_I；

                           （3） 

      再计算出5个检定点的5个C_I值的平均值C₀，C₀即为该被检定楔形流量计的流出因数。标定后的流出因数C₀=0.7245可作为该台仪表出厂时确定的流出因数。

       5 楔形流量计的应用

      我公司焦化厂萘油、焦油的测量，过去采用靶式流量计，使用效果不能令人满意，用楔形流量计后3年多，数据稳定，维护工作量大为减少，故障率极低，*。

      高炉煤气发生量和热风炉用高炉煤气（管道直径为Φ1820mm×10mm和Φ1420mm×10mm）均采用楔形流量计进行测量，从二年多使用情况来看，从未发生取压管堵塞，数据也十分稳定。

       6 结束语

      的1S05167：2003〔E〕已经逐步在国内宜传、推广，对冶金厂来说，现行国标GB/T2624-93中规定的直管段长度很多地方都无法满足，更长的直管段要求更是摆在现行孔板面前的严峻课题。除了采用新型仪表V型内锥以外，笔者觉得，在一些不是作为计量结算十分严格的场所，采用一些实用、可靠的非标仪表也是可以考虑的。其实标准与非标仪表也是相对的，今天的非标可能明天就成为标准，况且很多设计好的标准节流装置因现场条件所限就成非标了，而且有些误差还不好确定，这种情况在工厂的计量中屡见不鲜。楔形流量计我们使用后的体会就是工作稳定、准确度适中、仪表结构简单、能适应多种介质的测量、维护量小，在我们公司的使用量逐年递增。缺点就是必须每台标定，价格比孔板略高。