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經驗文獻 / _儀表知識

楔式流量計

發布時間:2019-04-12  發布作者:

 差壓流量計.jpg

 

楔式流量計使用伯努利方程來測量管道中的流體流量。楔式流量計在管道中引入收縮,從而在流量計上產生壓降。當流量增加時,產生更多的壓降。脈沖管道將流量計的上游和下游壓力傳送到變送器,該變送器測量壓差以確定流體流量。該技術占全球流量計市場的21%左右。
伯努利方程表明,收縮處的壓降與流速的平方成正比。使用這種關系,10%的滿量程流量僅產生滿量程壓差的1%。在滿量程流量的10%時,楔式流量計的精度取決于變送器在100:1的壓差范圍內的精確度。差壓變送器精度通常在其范圍內的低壓差下降低,因此流量計精度可能同樣降低。因此,這種非線性關系會對楔式流量計的精度和調低產生不利影響。請記住,感興趣的是流量測量系統的準確性 - 而不是差壓變送器的精度。

楔式流量計概述

楔式流量計是目前比較廣泛的楔式流量計種類之一,它具有結構簡單,應用范圍廣,便于維修,且標準件便于生產等特點,因而廣泛的應用于石油石化行業。文章主要淺析了楔式流量計的工作原理和選型,為今后楔式流量計的選型和優化提供一定的理論依據。
         楔式流量計是一種根據安裝于管道中的流量檢測元件產生的差壓,以及流體的類型和管道的綜合尺寸因素等來計量流量的流量計。它通常由一次裝置(也就是流量檢測件)和二次裝置(差壓轉換器和流量轉換器)組成。通常用的一次裝置有孔扳流量計、文丘管流量計及均速管流量計等,二次裝置為各種機械、電子、機電一體式差壓計,差壓變送器和流量顯示及計算儀表等裝置[1]。它已發展為三化(系列化、通用化及標準化)程度很高的種類規格龐大的一大類儀表。楔式流量計既可以用于流量參數的測量也可以用于其它參數如密度,壓力等物理參數的測量。
         通常我們把安裝于管道中流量檢測件稱為一次裝置,特一般有節流件,取壓裝置和前后直管段組成,二次裝置也成為顯示儀表, 它通常由差壓信號管路和測量中所需要的儀器儀表組成。
          楔式流量計應用歷史比較廣泛,實踐經驗也比較成熟,且國家制定的規程和和標準也比較規范,品種比較齊全的流量計,二十世紀 50 年代它是較好的可以測量天然氣的流量計[2]。經過許多年的發展它的技術更加成熟,一次裝置和二次裝置也更加的先進,估計今后此類流量計仍將占據重要的地位。

          楔式流量計的應用比較廣泛,在封閉的管道中測量流量對流體介質的要求不高且能適應比較惡劣的現場測量環境,測量精度也比較高,因此在各行各業應用都比較的廣。如流體方面:單相、混相、潔凈、臟污、粘性流等;工作狀態方面:常壓、高壓、真空、常溫、高溫、低溫等;管徑方面:從幾毫米到幾米;流動條件方面:亞音速、音速、脈動流等。它在各工業部門的用量約占流量計全部用量的 50 %~60 %[3]。

楔式流量計的測量原理分析:
  流體在流經節流件時由于流體被壓縮流體將被加速,由于流體的速度增加導致流體的動能也會相應的增加,按照能量守恒的定律我們知道被加速處流體的靜壓力會減低相應的數值[4]。
流量原理.jpg

楔式流量計工作原理圖
    如圖所示:管道在橫截面 1 處的橫截面積是 A1,流體在流經橫截面 A1 時的平均流速是 V1,其密度是 ρ1,;當流體流過橫截面 2 時,流體的平均流速變為是 V2,密度是 ρ2,橫截面積是 A2,根據流體流動連續性原理有如下關系式:V1A1ρ1= V2A2ρ2,如果流體是液體,在壓縮前后流體的密度一般認為是恒定的,即 ρ1=ρ2=ρ
因此液體的體積流量:  
qv= V1A1= V2A2           (1)
根據別努利方程(即能量守恒定律),在水平管道上 Z1=Z2,
則有如下關系式:            
  ρ1V12     ρ1V2 2   (2)
p1 + 2   = p2 +   2      
                 
應用別努利方程和流動連續性原理,在兩個橫截面上則有如
下關系式:                  
P = P - P = ρ1 [V 2 - V 2 ] (3)
  1 2 2   2 1  
由(1)式,得            
             
V 1 =   A2 V              
  A              
    2              
  1                  
將(1)式和(2)式帶入(3)式可得:  
P = ρ1 [1- ( A2 )2 ]V 2   (4)
   
  2     A1     2    
                 
在上式中:
 
A1 = p 4D2 ; A2 = p4d2
 
根據直徑比 β 的定義:
b = Dd 
由(1)式可得:
V = qv                          
                                   
2                                  
      A2                          
                                 
所以:                          
      r1 é                 q2v    
DP =       b 4 ù      
    ë1 -     û        
  a         A22      
由此可以得出理論的流量公式:    
      1     π           2  P (5)  
qv =           d 2          
      1- β4     4           ρ1    
又由流出系數 C 的定義是:C=實際流量/理論流量,較后可  
得出節流式差壓流量計普遍適用的實際流量公式:    
      ce       p         2DP (6)  
                      4      
qv =           4 d     r    
    1- b 4              
                          1    
ε 被測介質的可膨脹性系數,一般來說對于液體 ε=1;對氣體、  
   
蒸汽等可以壓縮流體 ε<1;qv 流體的體積流量,(m3/S);ρ1——工  
作狀況下,節流件(前)上游處流體的密度,(kg/m3);d 工作狀況下  
節流件的等效開孔直徑,(m);△P—差壓,△P=P1-P2,(Pa)。

楔式流量計的選型:
楔式流量計的選型應考慮以下幾個方面:
1 、精確度、重復性、線性度、流量范圍和范圍度:
    楔式流量計的標準件有嚴格的使用范圍,包括管徑直徑比,雷諾系數,管壁厚度等參數,因此在實際的選擇和應用中應該合理的選擇這一系列參數。此外楔式流量計的精度在很大程度上取決于現場的使用條件,在一般情況下取決于流體的條件。
 2、流體的特性:
  流體的特性指的是流體的密度、動力黏度、壓力、溫度、腐蝕性、磨蝕、結垢、臟污等流體的介質條件。因此在選擇是應根據現場流體介質的物理特性合理的選擇的楔式流量計,在不明白現場流體的物理特性的情況下應該主動使用儀器測量這些物理參數。
 3、經濟因素方面:
  應考率楔式流量計的采購費用,安裝費用以及安裝后,后期的維護費用,校驗費用。榮大口徑的楔式流量計后期的運行費用是一筆比較大的開銷,因此在選型時應該選擇合適的口徑的楔式流量計。
 4、壓力損失:
  壓力損失大事楔式流量計的主要缺點之一。各類節流裝置中孔板和噴嘴是壓損較大的節流件,在同樣的流量及 β 值時噴嘴的壓損只為孔板壓損的 30 %~50 %,也就是說噴嘴是較低壓損的。
  各種流量管(文丘里管、道爾管、羅洛斯管、通用文丘里管等)則是低壓損的節流裝置,它們壓損僅為孔板的 20 %,甚至低達 5%~10 %。這些節流裝置的開發應用是今后一個努力方向。

楔式流量計細節特點: 
細節特點.jpg

楔式流量計安裝方式
安裝示意圖.jpg

楔式流量計總結:
       楔式流量計是使用數量比較多的流量計種類之一,本文淺析了楔式流量計的工作原理和選型,為今后楔式流量計的選擇和使用提供了一定的理論借鑒基礎。

由于流量和壓差之間的非線性關系,流量范圍下部的流量測量精度會降低。脈沖管道的堵塞可能是許多服務的關注點。對于漿料服務,應使用吹掃來防止沖擊管道堵塞。
液體服務,脈沖管道應定向和傾斜,以使其保持充滿液體并且不會收集氣體。對于燃氣服務,脈沖管道應定向和傾斜,以使其保持充滿氣體并且不會收集液體。在蒸汽服務中,可允許蒸汽在一些脈沖管道中冷凝,以在熱蒸汽和變送器之間形成液體密封,以保護變送器免受熱量的影響。
小心,因為差壓變送器的校準會受到脈沖管中液體或氣體積聚的影響。此外,當在操作期間可能積聚變化量的液體時,流量測量系統的精度會降低。

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