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楔式流量计的选型与安装


文章日期:2018-01-23|阅读数:


  针对高粘度介质、浆料、脏污流及双向流等传统流量计难以准确测量的流体工况,提出了楔式 流量计的选型解决方案。介绍了楔式流量计的测量原理、结构特点、主要技术参数和设计选型,并说明 了仪表的安装要求。
 
  在石油、化工行业的工艺流程检测过程中,有 时会遇到原油、黑水及浆液等介质流量测量问题, 这类介质具有粘度大、易结晶及固体颗粒易磨损 等特点,导致传统的孔板流量计、靶式流量计等不 仅测量精度低、安装维护工作量大,而且很难保证 仪表的长期稳定运行。针对上述问题,一种新型 差压式流量测量仪表一楔式流量计应运而生, 并在业内得到了广泛应用。
 
  1.测量原理:
 
  楔式流量计的测量原理是基于伯努利方程 (能量守恒和连续性方程)的。通过在管段中设 置一个V形楔块节流件,当流体流经此楔块时, 流通面积减小、流速增大,在楔块前后产生一个静 压差,该压差的开方与质量流量或体积流量成正 比,从而实现流量的测量。测量管的流量系数与 楔块比(H/D)相关,即流量测量范围可通过H/D 来调整。
 
  工程设计中不同介质的常用流量计算式如下:

计算公式

计算公式

    2.流量计结构:

   楔式流量计(图1)主要由测量管和流量差压 变送器组成。

图1 现行结构示意图

  按照测量管与工艺管道的连接方式,楔式流 量计可分为对夹式、螺纹式、对焊式和法兰式连接 结构形式。对夹式和螺纹式适用于管道口径为 1/2 ~3" ( 1英寸=25. 4mm)、压力等级不大于 CL300的低压管线;对焊式适用于管道口径为1/2 ~48"、压力等级为CL900或更高的管线;法兰 式适用于管道口径为1 /2 ~ 48"、压力等级为 CL900或更高的管线。
 
  按照测量管取压方式的不同,楔式流量计又 可分为螺纹取压、法兰远传式(隔膜密封式)取压 和化学T取压。螺纹取压适用于测量气体、蒸汽 或洁净液体,通常采用1 /2"NPT (F)配合终端接头 与变送器测压管线进行连接。法兰远传式取压适 用于测量容易堵塞的浆料、脏物流和强腐蚀性介 质。此外,对于有毒有害介质的测量和介质温度 超过传统变送器可直接接触温度限定值的情况, 亦可采用法兰远传式进行取压测量。化学T取压 适用于测量容易堵塞的浆料和易结晶介质,该方 式与法兰远传式相比,具有更大的取压口,且没有 突出段取压短管,取压法兰安装后膜片基本能与 测量管内径平齐,不容易引发堵塞,但需要注意的 是,该方式只适用于压力等级为CL300以下的管 线。另外,变送器一体式和自带温度补偿的仪表, 可以减小不必要的安装误差,现场使用方便,但需 要注意安装空间。
 
  3.特点与主要技术参数:
 
  楔式流量计测量原理简单,可满足大多数流 体的测量要求,且使用范围广。除了可以应用于 —般的气体、液体和蒸汽测量外,还特别适用于高 粘度、高腐蚀性、易结晶、含悬浮颗粒的液体和含 尘量高的气体的流量测量。楔式流量计管径范围 1/2 ~48";压力等级可达CL900或更高;雷诺数*** 低可达300,***高可达106;粘度***高可达3Pa- s, 且不会影响楔式流量计的测量精度;量程比可达 10: 1 ;所测介质的较低流速可达0. 01m/s H。
 
  楔式流量计的节流元件呈倒等腰三角形,使 用时具有导流作用,使流体能够圆滑过渡。与 孔板相比,楔式流量计没有锐角要求,所以其压损 更小,更加节能。常用的节流装置的压损对比如 图2所示。楔式流量计的测量元件无可动部件和 易损部件,使用过程中几乎可以免维护。在选型 时还可要求楔块或测量管内壁整体带耐磨涂层, 如在煤浆气化工艺和渣水处理工段中,采用碳化钨喷涂进行表面硬化处理后可以更好地抵抗黑 水、灰水等含硬质颗粒流体的冲击。
 
  楔式流量计的楔块焊接于测量管顶部,倒三 角结构使得测量介质中的固体杂质在节流件处很 容易地就从节流件下部流过,而不会附着在节流件上侧,即具备了自清洁功能。

图2 常用节流装置的压损对比

几家主流楔式流量计厂家的技术资料(表1) 显示,经过现场实流标定后的仪表测量精度较高, 重复性可达±0.2%,满足工艺过程的测量与控制 要求。

楔式流量计节流元件的流量系数对管道内流 体速度分布不敏感,相比于大部分的差压式和速 度式流量仪表,楔式流量计具备更小的前后支管 段要求,***小可达前5D后2D,这使得楔式流量计 具备更强的安装适应性。

表1 仪表测量精度

  4.设计选型:
 
  楔式流量计的选型计算通常由业主或设计院 提供工艺参数,再由仪表厂家使用各自的计算软 件完成选型计算。选型计算时所需确定的主要工 艺数据有工艺介质、工艺管道材料、管道口径、流 量范围、操作压力及操作温度等。
 
  楔式流量计的口径和压力等级通常与连接处 的工艺管线一致。根据不同的工况要求,应选择 合适的过程连接与取压方式。流量计本体和楔块 的材料应根据工艺介质进行选用,不能低于管道 等级表的要求,并考虑腐蚀、磨损等特殊工况下的 选材特点。对于法兰远传式取压,还需注意介质 的温度,对于高温介质的测量,毛细管填充液应选 用可耐受高温的介质。
 
  楔块比H/D的选用需保证计算得到的差压 量程分别为6、10、16、25、40、50kPa,在满足测量 要求的前提下,对于液体介质的测量,量程应实惠 25kPa5,。计算结果应满足楔式流量计对较低 雷诺数的要求,以保证在流量范围内流量系数是 线性的、稳定的。
 
  楔式流量计的精度应满足工艺测量要求,通 常要求标定后精度为± 0. 5% FS,重复性为 ±0.2% ,在相应的雷诺数范围内量程比应达到 10:1。流量计的标定可采用特定介质由独立的 NIST认证实验室来完成,或者进行现场实流标定 以达到测量精度要求。
 
  5.仪表的安装:
 
  楔式流量计可采用水平或垂直安装的方式。 水平安装时,对于液体或蒸汽介质,V形节流件宜 安装在与管道水平中心线垂直方向,即取压口与 管道水平中心线平行,以免测量介质内的气泡进 入取压口影响测量精度,或者采取必要的排气措施;对于气体介质,可将取压口朝上安装。垂直安 装时,由于存在轻微静压差,因此使用之前应注意 变送器的调零。
 
  为了保证测量的准确性,流体在经过节流件 之前需处于稳定的层流状态,因此需要保证V形 节流件前后具备一定的直管段,***小直管段要求 可以参照各仪表厂家的样本执行。
 
  对于粘稠或易结晶介质的测量,如果选用法 兰远传式取压,为了便于仪表的现场维护,宜在法 兰连接处增加冲洗管线以便及时对测量管路进行清洗,或者采用插入式法兰进行取压以避免取压 口堵塞导致无法准确测量。
 
  过程流量检测特点
 
  在线流生产中为保证生产的物料平衡,需要对管线内流体的流量进行检测及控制。这种过程流量检测具有一些鲜明的特点,因为生产是连续进行的,受生产的波动所需物料处于一个动态的平衡过程,具体到一个时间段稳定在一个流量范围,而具体到一个时间点每一刻,都无法确保一致。宏观生产的物料控制不是追求一点的恒定,而是要求一个范围的相对稳定,因此对于这种流量检测具体到一个时刻的误差可以放宽,但物料的变化趋势要表征正确。由此这类过程检测流量仪表的精度可以适当降低,可选用二级甚至三级流量监测仪表。
 
  标准节流孔板使用中的制约
 
  过程流量检测仪表在经典设计选型中普遍选用标准节流元件(孔板***多)+差压变送器的组合方式来实现。选用标准节流元件的原因是标准节流件经过几十年的研究、制造、使用形成了一套标准的规范,在工业设计选型中拥有众多的成功案例和使用经验。
 
  在线流生产是一个复杂的流体加工工艺,其所面对的生产物料多种多样,给过程流量检测仪表的选用带来一些困难。标准节流孔板是应用***多的节流元件,在长期的使用中发现其具有以下无法消除的弱点:
 
  1、只能用于气体和粘性小的轻质液体的流量测量,具体到石油炼制行业仅适用于柴油及以下的轻质油品和气体的测量,不能用于原油、蜡油、燃料油、沥青等粘性高的液体测量。
 
  2、孔板的结构是一个中间开孔的金属薄板,使用中若流体含有杂质或颗粒,会因孔板周边金属的阻挡而堆积在孔板前方下沿侧。长期的集聚易堵塞孔板前方取压孔、取压阀门及引压管,造成孔板+差压变送器测量失灵,由于引压孔、取压阀门内径细小,很难通过疏通维修的方法进行排除。新建装置由于管线焊接过程的焊渣很难在管线吹扫中彻底的清除,运行中常常出现脱落的焊渣随着流体流动在孔板前方堆积堵塞引压管的情况,致使仪表失灵而无法修复,给生产带来很大被动。
 
  3、孔板的结构决定了流体流经孔板时流体的静压明显减小,流速显著加大,造成流体冲刷孔板严重,侵蚀孔板中心的锐口金属边缘,致使孔板精度不断下降。液化气、丙烯等易气化的液体流量测量中,流体物理形态的改变造成孔板侵蚀更加严重。
 
  4、孔板的结构形式造成了流体流过孔板后有较大的静压损失,从整体上看孔板流量计是一个耗能较大的仪表,使机泵机械功率的损失加大,不利于装置的能效提高,对于越来越严格的节能要求是一个不利因素。
 
  除以上4点无法可否的弊端外,孔板流量计在使用中还会出现危及安全的隐患——孔板组件易发生泄露。孔板流量检测普遍采用法兰取压的方式,其由节流孔板前后的管线连接法兰、取压法兰和标准孔板组成,各部件之间通过垫片进行密封和缓冲结构复杂。若施工中工艺管线、连接螺栓与孔板各组间的金属材质不同,若被测流体出现较大幅度的温度波动,因不同材质的金属膨胀率不同,极易造成孔板组合体出现密封松动,引发介质泄露。这种现象在装置开停车过程中常常出现,如孔板流量计用于蒸汽测量中,蒸汽在退出和进入管线时常因膨胀率不同造成孔板组合体渗漏蒸汽。
 
  楔式流量计
 
  孔板流量计在使用中出现的以上缺陷迫使工程设计人员和使用人员寻找其它结构的仪表。长期的使用积累和仪表研发人员的努力下,大量的非标节流元件研发出来。这些非标节流元件虽然无法与标准孔板那样具有完善的实验数据支持,无法实现标准化生产,但经过长期的使用和生产厂家不断的改进完善,其已可以满足过程流量检测的要求。在众多的非标节流元件中楔式流量计近年来得到大量的应用。
 
  楔式流量计的结构特点
 
  从外表看楔式流量计是一个两端焊接有连接法兰的金属直管体,在金属管的中间留有两个开孔接口,接口有管口和法兰两种方式,现工业中主要使用法兰接口形式。
 
  从两端连接法兰看进去,可以看到其内部有一个固定与表体内腔的V形凸出部件,这就是楔式流量计的节流元件楔块,在楔块前后上方分别开有取压接口。
 
  由楔式流量计的外表可以看到楔式流量计的构造大大简化,与孔板相比连接件密封件减少,安装使用比孔板流量计更简单方便。
 
  楔式流量计的测量原理
 
  楔式流量计是一个节流元件,节流元件的结构形式都是根据伯努利原理——流体流通面积的突然减小而引起的静压动压能的相互转换制造而成的,因此节流元件的一个共性都是流体的流通面积突然大幅度改变。
 
  楔式流量计的节流元件是一个焊接到表体内腔的一个V形楔块,通过这个凸出的楔块与表体内腔形成的空间体实现流体流通面积的突然改变,使流体的静压动压能够相互转换。通过差压变送器测量V形楔块前后的压差测知流体的瞬时流速,换算出流体流过楔式流量计的体积流量。
 
  楔式流量计的优点
 
  一、消除杂质堵塞
 
  由楔式流量计的结构可以看到,楔块安装在表体的一侧,过流面积是在楔块与表体内腔之间,这种结构对于介质中的杂质、颗粒乃至较大的焊渣都可随着流体流过楔式流量计,而不会在表体内积聚,所以其可以用于孔板流量计无法使用的含颗粒杂质的流体测量中。
 
  二、适用于更多状况
 
  节流楔块焊接到仪表内腔的一侧,对于通过表体的流体产生的水头(压力)损失要比中间开口的节流孔板小的多,因此对于流体静压动压转化过程中的附加水头损失要比孔板流量计小得多。楔式流量计适用的流体粘度范围变宽,可用于粘度较大的原油、污油、蜡油、燃料油甚至沥青的测量中,在石油炼制过程中得到大量使用。
 
  三、取压方式转变
 
  楔式流量计的法兰取压方式简化了节流元件+差压变送器测量流体流量的构造,通过使用双法兰变送器的模式不但可以节省引压管、伴热线的铺设,而且由于双法兰变送器毛细管内填充硅油的稳定性,明显的提高了节流元件测量过程的准确性。从根本上克服了节流元件引压管内静止介质的质变引入的附加误差,减少了流量仪表的故障率和维护频率,整体提高了楔式流量计的测量精度。
 
  法兰取压方式的楔式流量计如下图所示:
 
  四、节能减排
 
  楔块对于过流流体的水头损失小于孔板流量计,楔式流量计与孔板流量计对于同一种介质的静压损失要减小较多。楔式流量计+双法兰变送器的检测方式,省掉了引压管的铺设,从而节省了伴热源的铺设和伴热蒸汽的消耗,楔式流量计的取压接口可与表体和工艺管线进行整体保温,通过流体本身的热源保证楔式流量计冬季的防冻措施,节省了装置的蒸汽能源消耗和冷凝水排放,对于装置整体能耗的降低有一定的提高。
 
  楔式流量计使用中的注意事项
 
  楔式流量计上述的优点,近年来石油炼制行业得到广泛的使用,但每一种仪表都有自身的使用要求,只有按照规范使用才能发挥仪表的***大作用。
 
  1、要按照楔式流量计标注的方向进行安装
 
  虽然有的文章及资料上说,楔式流量计安装没有方向要求,可用于反向流的测量,从楔式流量计的测量原理看如果是标准的V形楔块,其对于流体的节流正反都一样。但在楔式流量计的表体上,生产厂家都标注了楔式流量计流体的流向箭头,从楔式流量计的两端法兰看进去,其楔块的安装位置也不在楔式流量计的正中,因此我们要按照楔式流量计的标注方向进行安装,防止安装方向不对加大测量误差。
 
  楔式流量计表体上标注了流体的流动方向
 
  2、关于取压接口的方向问题
 
  按照测量仪表取压引压规范,测量气体流量时,取压口在节流元件的中上部,测量液体流量时取压口在节流元件的中下侧,测量脏污介质时取压口在节流元件的中部位置。但楔式流量计与孔板流量计的不同之处在于节流楔块在表体内腔不是均匀分布的,取压口的位置生产厂家已给固定预制好,其在楔块焊接处的前后上方。若严格按照取压规范,当测量液体时,如果取压口安装在管线的中下部,那么其楔式流量计内部的楔块也在管线的中下部,而造成流体要从楔式流量计的上方流过,这种方式会造成流体内介质杂质颗粒的沉淀在楔式流量计的下部表体内腔,有堵塞楔块前方取压口的隐患,易造成流量计失灵,因此在现场安装过程中要根据实际情况区别对待。
 
  3、垂直管道安装
 
  楔式流量计建议水平安装,尽可能的减少垂直安装方式,是因为在垂直安装过程中,楔式流量计零点的校准无法进行。
 
  楔式流量计零点校准的要求时,工况介质充满楔式流量计,后关闭管线前后阀门,在确保楔式流量计内部流体静止状态下,进行流量计的校准。由于节流元件的流量表普遍不设计副线切除设施,因此节流元件前后普遍无工艺切断阀门,这种状况下校准楔式流量计就比较困难。如果楔式流量计水平安装,我们可以认为静止的流体对于楔式流量计检测的差压没有附加影响,因此我们只需把楔式流量计的前后取压阀门关闭同时泄压通大气即可实现流量计的零点校准。
 
  若楔式流量计垂直安装,此时静止的介质在楔式流量计内腔会产生一个静止的静压力,这个静压作用于变送器的正压室会增大差压变送器的压差值,使楔式流量计的零点差压值不在是零,且负压测引压管内也会产生静压附件误差。所以此时对于零点的校准变得困难。即使使用双法兰变送器,负压测的静压附加我们可以算出,但被测介质的密度我们只能通过设计时的理想值进行计算,而粗略的算出楔式流量计测量管内的静压,在进行校准修订,这种方法其零点的可信度就会降低。
 
  下图垂直安装的楔式流量计给流量计零点校准带来困难
 
  因此实际安装中***好不要垂直安装楔式流量计,若工艺无法满足水平安装,垂直安装过程中除保证楔式流量计满管的情况下,我们还要对楔式流量计零点的修正压差进行准确的换算,而不能只单单的关闭正负取压阀门后就进行零点校准。
 
  4、安装排污减压阀
 
  楔式流量计+双法兰变送器的流量检测模式,在取压阀门与双法兰连接部件之间要设置排污泄压阀门。这个阀门非常重要,在流量计校准过程中既可以保证正负双法兰之间的受压一致都为大气压确保校准可靠,更能保证维修人员的安全。若双法兰变送器损坏需要更换,通过排污泄压阀门能够判断取压一次阀门是否渗漏,只有在确保安全的情况下,才能拆卸双法兰变送器。很多工程安装过程中,省略了排污泄压阀门的安装,这是不正确的,一定要进行整改。
 
  安装排污阀的楔式流量计维护维修工作更加方便
 
  5、楔式流量计在大修中要进行测厚检测。
 
  从楔式流量计内部的结构我们可以看到,楔式流量计节流元件的过流面是楔块与表体内腔,这种节流形式对于楔式流量计的表体内腔产生较大的冲刷侵蚀。特别是流体的流速较快时,楔块之前的流体在流经楔块的空隙时会大大的冲刷表体内腔,长时间的侵蚀会造成表体内腔变薄,甚至穿孔渗漏,所以在装置大修时要对使用中的楔式流量计的表体进行厚度测试,如果表体内腔磨损严重要进行更换,而不能带病使用。
 
  装置大修时,要拆卸楔式流量计进行厚度测试
 
  六,楔形流量计选型型谱:

型 谱 规 格     长征仪表(金湖)有限公司

说 明

 

CLGXZ-

 

楔形流量计

介    质

 

Y

 

液体

 

Q

 

气体

 

Z

 

蒸汽

连接方式

 

1

 

法兰连接

 

2

 

对焊连接

法兰材质

 

C

 

碳钢

 

S

 

不锈钢

 

O

 

其它

公称压力

 

025

 

0.25MPa

 

06

 

0.6MPa

 

10

 

1MPa

 

100

 

10MPa

公称直径

 

-25

DN25

 

-32

DN32

 

-40

DN40

 

……

 

-300

DN300

 

  订货须知事项:
 
  用户订货时请提供以下条件以便帮助正确选择流量计的规格和系数。
 
  1、 管道尺寸:外径×壁厚(mm);
 
  2、测量介质名称:介质密度〔kg/m3〕;
 
  3、设定的***大流量:即流量计的量程上限值〔kg/h或m3/h〕;
 
  4、工艺的***小流量:〔kg/h或m3/h〕;
 
  5、工作压力:(Mpa);
 
  6、工作温度:(°C);
 
  7、如配我公司智能流量积算仪请一齐提供:压力变化范围,或压力变送器型号、量程;温度变化范围,或温度变送器型号、量程。
 
  6.结束语
 
  随着化工行业的蓬勃发展,楔式流量计作为 —种非标节流装置,已经越来越多地被应用在燃 料油、污水及重油等高粘度、高固体含量、腐蚀性 介质的流量测量中,并得到了较好的用户反馈。 笔者对该流量计的技术特点进行了总结,梳理了 设计选型的注意事项,并对仪表的安装使用提出 了建议,以供同行参考。


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