楔形流量计

� � 收稿日期: 2008� 09� 16(修改稿)。 作者简介: 王发明( 1973 � ) ,男, 山东东营人, 1995 年毕业于 西北工业大学自控专业,现任师、监理师、投资咨询师,一直致 力于电仪自控、工艺实验研究及项目前期开发等工作。 楔形流量计在石化 行业的节能应用 王发明 (山东垦利石化有限责任公司,山东 东营 � 257500) � � 摘要: 在石化行业中,一般认为工艺节能、设备节能首当其冲,但仪表节能同样不可忽视, 应重视节能仪表的应用。主要 介绍垦利石化有限责任公司正在使用的楔形流量计,该仪表在测量脏污、高黏流体方面具有较多优点,通过理论计算直接节能 实例,说明其具有较好的节能效果,应当重视楔形流量计在石化行业的发展及应用。 关键词: 楔形流量计;特点;节能;应用 中图分类号: T H814 � � � � 文献标志码: B � � � � 文章编号: 1007�7324( 2009) 01� 0064� 04 1 � 引 � 言 在流量仪表中, 孔板和喷嘴为主的节流式差压 流量计压力损失大, 是一个重要的缺点, 开发低压 损节流件越来越受到人们的重视, 因而楔式流量计 的发展及应用便引起了人们的浓厚兴趣。自 19世 纪 80年代中国引进美国泰勒公司[ 1] 生产的楔形流 量计,在化工企业的高黏度及脏污流体测量中使用 效果令人满意。截至目前,国内已有许多厂专门从 事楔式流量计的、制造、安装等工作,从而也加 速了楔式流量计的推广及应用范围,但由于楔形孔 板至今仍未标准化, 这也成为其发展速度及应用范 围的障碍。随着国内节能工作的发展, 各行各业节 能意识不断增强,节能的楔形流量计在石化行业的 应用推广应该引起重视。 2 � 测量原理 楔形流量计是根据伯努利公式,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) ,流体通过起节流作用的楔块时流通面积减 少, 流速增大,静压减小,从而在楔形块两侧产生静 压力差。此压差与流体流量成平方关系 ( qV = K p 2 - p 1) 的原理而进行流量测量的,因此测得 压差即可测得管道中的流量 [ 2]。 楔形流量计的楔形块由两块平板(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,如图 1所示, 其中 h应根据流量及 流出系数来确定。 楔形流量计的流量公式: qV = C� 1 - m2 m �D2 4 2�p� 了超声波流量计, 通过一年多的实际使用, 现场反 应情况良好, 故障率低, 具有较高的稳定性。由此 可见,从超声波流量计自身在大口径管道工程中的 优势和现场的良好表现来讲, 它将在未来的管道工 程中会有更为广泛的应用前景,只需要根据用途和 场合,就可以选择合适的超声波流量计。 参考文献: 1 � 陆得民,张振基, 黄步余. 石油化工自动控制设计手册[ M ] . 3 版.北京: 化学工业出版社, 2001, 100�104 2 � 谢孝宏, 王永强,刘润华.超声波流量计在输油管道泄漏检测与 定位系统中的应用[ J ] .石油化工自动化, 2007, ( 2) : 78�82 3 � 蔡武昌.电磁流量计和超声波流量计在线验证 [ J ] . 自动化仪 表, 2007, ( 1) : 1�4 4 � 高海燕.用超声波流量计实现厂干线用水量的平衡[ J] . 自动化 仪表, 2007, ( 1) : 16�18 5 � 宋飞,石红瑞,窦连旺.超声波传感器在料位测量中的应用[ J] . 石油化工自动化, 2007, ( 3) : 67�70 6 � 强发红,毛协柱.时差法超声波流量计的应用技术[ J] .石油化 工自动化, 2001, ( 1) : 60�62 7 � 王凯,俞承玮,卞爱民.流量计算机及其在西气东输工程中的应 用[ J] .自动化仪表, 2006, ( 1) : 49�51 仪器仪表与应用 � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 石 � 油 � 化 � 工 � 自 � 动 � 化, 2009, 1� 64AU TOMAT ION IN PET RO�CHEMICAL INDUST RY 图 1 � 楔形流量计测量原理 式中: qV � � � 体积流量, m3 / s; C � � � 流出系数; �� � � 可膨胀系数; m � � � 流通面积与管道截面之 比; D � � � 管道内径, m; �p � � � 楔形件前后产生 的差压, Pa; �� � � 被测流体密度, kg/ m3。 3 � 结构和基本特点 3. 1 � 楔形流量计基本结构 由楔式节流装置及差压变送器构成, 如图 2所 示。当被测介质通过节流装置时, 由于其体积流量 变化而在节流件的前后产生压差, 差压变送器将差 压信号转换成电信号,同时,将被测介质的压力、温 度电信号一起送入计算机进行运算,自动补偿修正, 给出瞬时流量或累计流量显示或记录 [3] 。 图 2 � 楔形流量计基本结构 楔形流量计分为一体型及分离型, 一体型是将 节流楔形块及差压变送器做成整体,而分离型则是 节流件与差压变送器分开设置。由于楔形流量计 的结构形式独特,兼顾了其他几种节流式流量计的 特点,具有较好的适应性。 3. 2 � 基本特点 a) 易于通过较脏污的流体,污物不易沉积、附 着,提高了测量的准确性和使用维护周期, 适合于 冶金、石化、环保等行业多种介质的测量。 b) 改善了对孔板入口尖锐度的要求,使磨损 减小,这样极大地减少了维护工作量并延长了仪表 检定周期,提高了测量准确性。 c) 由于楔形块本身具有� 导流�作用, 流通能 力要比孔板大,一般来说, 楔形流量计流出系数典 型值为 0. 8,孔板为 0. 6, 在相同的流量下, 楔形流 量计的差压比孔板小,具有较小的�节流�作用, 适 合于高黏度介质的测量,用途广泛。 d) 量程比宽, 通常可以达到 10 � 1(或 15 � 1) , 测量精度较高, 正负( 0. 5%~ 1%) FS。 e) 压损比孔板小, 楔形孔板其夹角一般为 60�~ 90�,如果其夹角为 0 �,即成为园缺孔板。夹 角越小,产生的静压越大,但压损也相应增大。楔 形孔板的结构在园缺孔板、喷嘴之间,由于楔形孔 板呈倒三角形,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 3为楔形孔板与锐孔板产生的压 力损失比较[ 4]。 图 3 � 楔形孔板与锐孔板的压损比较 f) 自清洗特点。楔形孔板具有园缺孔板的优 点, 当流体中含有杂质或固体物质时,流动线路无 死角,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[ 5]。 g) 适用于低雷诺数流量测量。标准孔板、文 丘里管等不宜在低雷诺数下进行测量,标准孔板的 流量系数通常在雷诺数 4 000以上时趋于稳定, 在 低雷诺数时, 其流量系数会随雷诺数的变化而变 化; 当雷诺数小于 1 800时, 流量与差压之间会偏 离基本的平方根关系,显然会对测量的准确度造成 较大影响。而楔形孔板是 V 形节流元件, 其流量 系数线性好, 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量系数的变化不大,雷诺 数在 400~ 10 000 之间进行流量测量, 其误差小 于 3%。 h) 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, 使用寿命 65第 1期 � � � � � � � � � � � � � � � � � 王发明.楔形流量计在石化行业的节能应用 较长。 i) 尚未标准化。楔形流量计属非标准节流装 置, 由于缺少相应的数据, 至今尚未标准化, 其设 计、制造、计算等工作全部由各生产厂家自定,这也 决定了其流出系数必须由实流标准确定。其实标 准与非标仪表只是相对而言, 今天的非标准可能明 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准了, 而且有些误差还难以 确定,这种情况在工厂的计量中屡见不鲜。 4 � 楔形流量计适用范围 由于楔形孔板结构独特, 可用于黏滞性液体的 流量测量,黏度可高达 500 mPa � s, 如燃油、渣油、 重油等。其楔形块的�导流�及流动线路无�死区� 的特点,传感器不沉积、不堵塞,使其适用于含悬浮 颗粒的液固混合物, 如浆状流体、工业污水等的流 量测量。楔形流量计雷诺数使用范围广,适用于极 低的雷诺数( R eD = 300) , 雷诺数上限可达 106以 上,可适用于气体、蒸汽等流量测量。由此可见,楔 式流量计除应用于一般气体、液体、蒸汽外,在高黏 度、结晶混合液、脏污的液体及高含尘气体的流量 测量中具有孔板无法达到的优越性能。 目前, 楔形流量计在该公司主要应用情况 如下。 a) 循环水系统受当地水质较差的影响,应定 期加灭藻剂和阻垢剂等药品, 但仍避免不了换热器 芯子半年多就需一次清理, 结垢相当严重, 而且时 常有杂物等钩挂在流量计上。公司于 2005年一方 面加强了循环水管理,另一方面将靶式流量计更换 为双法兰式楔形流量计, 使用至今,测量数据稳定, 维护工作量大为减少,故障率极低,效果显著。 b) 在 2007年压缩空气计量系统中采用楔形 流量计,克服了以前用孔板时因各个生产装置用量 变化,引起总管压缩空气流量变化范围大的难, 基本满足了工艺生产的需要。 c) 目前在工业水流量的测量中已使用了 10 多台楔形流量计, 由于工业水含有一定泥沙和杂 质,以往使用孔板容易使杂质在孔板前堆积, 堆积 的杂质也易造成取压管发生堵塞, 仪表维护工作量 大,改用楔形流量计后,以前存在的问题大大减少, 效果十分明显。 d) 2004年 10月垦利石化建成 800 kt/ a延迟焦 化装置,在渣油、油浆及其混合物的测量全部采用楔 形流量计,它将楔形块产生的差压传至双法兰差压 变送器,再由变送器送出与差压成正比关系的标准 信号,经 DCS 开方,得到流量测量值。经过 4年的 运行,整体运行稳定, 没有出现因沉积、堵塞等问题 引起的非正常停工检修,节能的间接效益十分明显, 值得在石化重油的流量测量中推广使用,这一点也 在文献[ 4]中得到了验证。 5 � 楔式流量计节能举例 楔式流量计的节能可分为直接节能及间接节 能。直接节能的效果可通过理论计算得到动力节 约费用, 较易估算出节能效果, 但是间接节能包括 极低的维修维护费用、确保装置长周期安全运行带 来的潜在效益等, 包括的因素较多,很难给出定量 数据。总的来看, 从某种意义上可说, 楔式流量计 间接节能的效益远大于直接节能。 5. 1 � 直接节能 节能装置的压力损失会引起额外的损耗,各类 节流装置压力损失的大小决定了仪表耗能的多少, 对于大口径的测量,其耗能费用是笔大数目 [ 6]。现 将垦利石化公司污水总量采用楔形和孔板的情况 对比如下: 工艺参数: 管道 D322 min � 10 mm,最大体积 流量 qVmax = 650m 3 / h, 正常流量 qVnor = 525m3 / h, 最小流量 qVmin = 320 m3 / h, 标准工况压力 p = 0. 6 MPa, 温度 t = 30 � 。 采用楔形孔板,经重庆艾维有限公司楔式流量计 设计软件计算: 楔形比 D/ h = 0. 5, 楔子高度 h = 156. 02mm, 节流面积比 m = 0. 5, 最大差压 �p max = 12. 5 kPa; 采用孔板流量计: 经丹东通博流量 测量孔板节流装置设计软件进行计算: �= 0. 707, 最 大差压 �pmax = 16.80 kPa; (楔形比 D/ h = 0.5与孔 板 �= 0. 707其节流面积比是一样的)。 永久压力损失参照标准孔板的压损公式[ 6�7] : ��= ( 1- �1.9 )�p 式中 � ��� � � 压力损失; �� � � 直径比; �P � � � 差压。 楔形孔板: �p = ( 1- 0. 7071. 9 ) � 12 500 = 6 031. 15(Pa) 标准孔板: �p = ( 1- 0. 7071. 9 ) � 25 450 = 8 106. 27( Pa) 永久压损的差值: �p 1 = 8 106. 27- 6 031. 15 = 2 075. 12(Pa) 用标准孔板多消耗的功率 (能耗计算式) : W = ��q V� = 2 075. 12 � 0. 60. 8 = 1 556. 34(W ) 66 石油化工自动化 � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 2009年 式中 W � � � 能耗值, W; qV � � � 工况体积流量,本 例为2 172 m3 / h、0. 6 m 3 / s ; �一般取 0. 8。 每年多耗能费用: 年多耗能费用= W 1 000 运行时数 年 元 千瓦小时 [6�7] = 1 556. 34 1 000 ( 24 � 365) � 0. 6 = 8 180. 12(元 / 年) 采用楔形孔板比标准孔板有较明显的节能 效果。 5. 2 � 间接节能 从该公司近几年应用楔形流量计的情况来看, 仪表故障率极低, 测量数据稳定, 未发生因测量失 灵而造成操作失误或停工的现象, 仪表维修维护工 作量大大减少, 基本可实现�零维修�, 确保了装置 的平稳运行,给企业带来可观的经济效益。 6 � 结束语 楔形流量计在垦利石化公司应用中的实践表 明,其工作稳定, 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,在公司的使用量逐 年递增。楔形流量计在使用过程存在很多优点,但 相对于孔板流量计来说, 楔形流量计还具有价格 高、必须每台标定等不足, 无论是在设计、制造、计 算,还是安装使用等方面, 楔形流量计尚缺乏相应 的数据和。就目前而言,楔形流量计与孔板流 量计共存,发挥各自的优势[ 8] , 但从长远来看,楔形 流量计是新一代差压式流量计的发展趋势。 节能是一项长期国策,节能需要每个石化企业 从每一个细节抓起,节能不仅是工艺、设备节能, 仪 表节能(直接或间接)也应该引起重视。可以看出, 楔形流量计应用在某些对计量结算要求不十分严 格的场所会带来极大的直接节能效益和巨大的间 接经济效益, 在石化行业有着广阔的推广应用 前景。 参考文献: 1 � 石莲娣,张宝鑫.园缺形楔形流量计 [ J ] .化工自动化及仪表, 1981, ( 9) : 26�29 2 � 孙明权,穆立新.楔式流量计及其应用[ J ] .自动化仪表, 2000, ( 10) : 19�20 3 � 廖少英,徐雁行,顾仁年.带处理机的楔形流量计[ J] .自动化仪 表, 2001, 22( 4) : 14�17 4 � 葛军德,翟胜良.楔式流量计在延迟焦化装置中的应用 [ J ] .石 油化工自动化, 2007, ( 1) : 67�68 5 � 孙延祚.从节能降耗要求看推广应用 VNZ 流量计的必要性 [ J] .石油化工自动化, 2005, (5) : 95�98 6 � 陆德民,张振基, 黄步余. 石油化工自动控制设计手册[ M ] .北 京: 化学工业出版社, 2000 7 � 孙淮清,王建中.流量测量节流装置设计手册[ M ] .北京: 化学 工业出版社, 2005 8 � 芦满涛.几种流量仪表的选用 [ J ] . 冶金自动化, 2007, ( 4 ) : 47�49 (上接第 51页) 件中有各自不同的驱动程序[ 7]。对于智能模块则 要设置好其模块地址、AD输入量程。 智能模块从传感器上采集的数值由 A/ D转换 器转换成数字量传输到有组态软件的上位机,组态 软件将二进制的数字量转换成十进制数值显示在 显示器上。所以采集上来的数据反映的是电压值, 组态时需要换算成实际工程单位值,其转换公式: 实际值= 传感器量程最大值- 传感器量程最小值 � 传感器实测值 电压值量程最大值- 电压量程最小值 + 传感器量程最小值 5 � 结束语 该设计对某工厂公用工程站 3 台冷冻机 C7� 633P控制系统,实现中央监控功能。监控系统 中采用了 MPI网络与智能模块混合使用的网络,解 决了 PLC地址冲突问题。通过一年多的稳定运行, 网络的通信速率能够达到实时监控的要求。 参考文献: 1 � SIMENS AG. Sim at ic C7 � 633/ C7 � 634 Con t rol Systems Manual [ M ] . 1998 2 � 廖常初. S7� 300/ 400 PLC应用技术[ M ] .北京: 机械工业出版 社, 2005 3 � 崔坚,李佳.西门子工业网络通信指南[ M ] .北京: 机械工 业出版社, 2004 4 � 崔坚.西门子 S7可编程序控制器 STEP7编成指南[ M ] . 北京: 机械工业出版社, 2007 5 � 张同庄. 西门子 S7� 300/ 400PLC编程器语言表和结构化控制 器语言描述[ M ] .北京: 人民邮电出版社, 2008 6 � 张运刚,宋小春, 郭武强. 从入门到精通 � 西门子 S7� 300/ 400PLC技术与应用[ M ] .北京: 人民邮电出版社, 2007 7 � 北京昆仑通态自动化软件科技有限公司. MCGS 参考手册 [ M ] .北京昆仑通态自动化软件科技有限公司, 1999 67第 1期 � � � � � � � � � � � � � � � � � 王发明.楔形流量计在石化行业的节能应用