[导读] 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。
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设计、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：
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；ε———可膨胀系数；m———流通面积与管道截面之比；D———管道内径，m；Δp———楔形件前后产生的差压，Pa；ρ———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4000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1800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400～10000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500mPa•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（RcD=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题，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800kt/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D322min×10mm，最大体积流量qVmax=650m3/h，正常流量qVnor=525m3/h，最小流量qVmin=320m3/h，标准工况压力p=0.6MPa，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Δpmax=12.5kPa；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：β=0.707，最大差压Δpmax=16.80kPa；（楔形比D/h=0.5与孔板β=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]：
式中 Δω———压力损失；β———直径比；ΔP———差压。
楔形孔板：
标准孔板：
永久压损的差值：
用标准孔板多消耗的功率（能耗计算式）：
式中W———能耗值，W；qV———工况体积流量，本例为2172m3/h、0.6m3/s；η一般取0.8。
每年多耗能费用：
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规范。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。