[導讀] 在石化行業中，一般認為工藝節能、設備節能首當其沖，但儀表節能同樣不可忽視，應重視節能儀表的應用。主要介紹墾利石化有限責任公司正在使用的楔形流量計，該儀表在測量臟污、高黏流體方面具有較多優點，通過理論計算直接節能實例，說明其具有較好的節能效果，應當重視楔形流量計在石化行業的發展及應用。
1 引言
在流量儀表中，孔板和噴嘴為主的節流式差壓流量計壓力損失大，是一個重要的缺點，開發低壓損節流件越來越受到人們的重視，因而楔式流量計的發展及應用便引起了人們的濃厚興趣。自19世紀80年代中國引進美國泰勒公司[1]生產的楔形流量計，在化工企業的高黏度及臟污流體測量中使用效果令人滿意。截至目前，國內已有許多廠專門從事楔式流量計的設計、制造、安裝等工作，從而也加速了楔式流量計的推廣及應用范圍，但由于楔形孔板至今仍未標準化，這也成為其發展速度及應用范圍的障礙。隨著國內節能工作的發展，各行各業節能意識不斷增強，節能的楔形流量計在石化行業的應用推廣應該引起重視。
2 測量原理
楔形流量計是根據伯努利公式，利用流體在流動過程中遵守能量守恒定律（即動能和靜壓能之和不變），流體通過起節流作用的楔塊時流通面積減少，流速增大，靜壓減小，從而在楔形塊兩側產生靜壓力差。此壓差與流體流量成平方關系的原理而進行流量測量的，因此測得壓差即可測得管道中的流量[2]。
楔形流量計的楔形塊由兩塊平板（一般為不銹鋼）制作而成，這兩塊平板在臨界角上焊接在一起，然后插入槽內，差壓引出管在位于楔形片中心兩邊等距離的地方，如圖1所示，其中h應根據流量及流出系數來確定。
楔形流量計的流量公式：
圖1 楔形流量計測量原理
式中：qv———體積流量，m3/s；C———流出系數；ε———可膨脹系數；m———流通面積與管道截面之比；D———管道內徑，m；Δp———楔形件前后產生的差壓，Pa；ρ———被測流體密度，kg/m3。
3 結構和基本特點
3.1 楔形流量計基本結構
由楔式節流裝置及差壓變送器構成，如圖2所示。當被測介質通過節流裝置時，由于其體積流量變化而在節流件的前后產生壓差，差壓變送器將差壓信號轉換成電信號，同時，將被測介質的壓力、溫度電信號一起送入計算機進行運算，自動補償修正，給出瞬時流量或累計流量顯示或記錄[3]。
圖2 楔形流量計基本結構
楔形流量計分為一體型及分離型，一體型是將節流楔形塊及差壓變送器做成整體，而分離型則是節流件與差壓變送器分開設置。由于楔形流量計的結構形式獨特，兼顧了其他幾種節流式流量計的特點，具有較好的適應性。
3.2 基本特點
a）易于通過較臟污的流體，污物不易沉積、附著，提高了測量的準確性和使用維護周期，適合于冶金、石化、環保等行業多種介質的測量。
b）改善了對孔板入口尖銳度的要求，使磨損減小，這樣極大地減少了維護工作量并延長了儀表檢定周期，提高了測量準確性。
c）由于楔形塊本身具有“導流”作用，流通能力要比孔板大，一般來說，楔形流量計流出系數典型值為0.8，孔板為0.6，在相同的流量下，楔形流量計的差壓比孔板小，具有較小的“節流”作用，適合于高黏度介質的測量，用途廣泛。
d）量程比寬，通常可以達到10∶1（或15∶1），測量精度較高，正負（0.5%～1%）FS。
e）壓損比孔板小，楔形孔板其夾角一般為60°～90°，如果其夾角為0°，即成為園缺孔板。夾角越小，產生的靜壓越大，但壓損也相應增大。楔形孔板的結構在園缺孔板、噴嘴之間，由于楔形孔板呈倒三角形，而三角形具有導流作用，流體流動時能使流線圓滑過渡，與孔板相比，楔形孔板產生的壓損較小。圖3為楔形孔板與銳孔板產生的壓力損失比較[4]。
圖3 楔形孔板與銳孔板的壓損比較
f）自清洗特點。楔形孔板具有園缺孔板的優點，當流體中含有雜質或固體物質時，流動線路無死角，容易從楔形孔板下部流過，不會沉積在楔形孔板周圍，也就是說楔形孔板具有自清洗作用[5]。
g）適用于低雷諾數流量測量。標準孔板、文丘里管等不宜在低雷諾數下進行測量，標準孔板的流量系數通常在雷諾數4000以上時趨于穩定，在低雷諾數時，其流量系數會隨雷諾數的變化而變化；當雷諾數小于1800時，流量與差壓之間會偏離基本的平方根關系，顯然會對測量的準確度造成較大影響。而楔形孔板是V形節流元件，其流量系數線性好，具有噴嘴入口曲線流暢、無滯流區的特點，雷諾數對它影響小。當雷諾數小至500時，楔形流量計的準確度和流量系數的變化不大，雷諾數在400～10000之間進行流量測量，其誤差小
于3%。
h）安裝使用方便，與孔板相比，楔形流量計兩端用法蘭與工藝管道連接即可，安裝較方便，同時其日常維護量較小，運行成本相對較低，使用壽命較長。
i）尚未標準化。楔形流量計屬非標準節流裝置，由于缺少相應的數據，至今尚未標準化，其設計、制造、計算等工作全部由各生產廠家自定，這也決定了其流出系數必須由實流標準確定。其實標準與非標儀表只是相對而言，今天的非標準可能明天就成為標準，況且很多設計好的標準節流裝置因現場條件所限就成非標準了，而且有些誤差還難以確定，這種情況在工廠的計量中屢見不鮮。
4 楔形流量計適用范圍
由于楔形孔板結構獨特，可用于黏滯性液體的流量測量，黏度可高達500mPa•s，如燃油、渣油、重油等。其楔形塊的“導流”及流動線路無“死區”的特點，傳感器不沉積、不堵塞，使其適用于含懸浮顆粒的液固混合物，如漿狀流體、工業污水等的流量測量。楔形流量計雷諾數使用范圍廣，適用于極低的雷諾數（RcD=300），雷諾數上限可達106以上，可適用于氣體、蒸汽等流量測量。由此可見，楔式流量計除應用于一般氣體、液體、蒸汽外，在高黏度、結晶混合液、臟污的液體及高含塵氣體的流量測量中具有孔板無法達到的優越性能。
目前，楔形流量計在該公司主要應用情況如下。
a）循環水系統受當地水質較差的影響，應定期加滅藻劑和阻垢劑等藥品，但仍避免不了換熱器芯子半年多就需一次清理，結垢相當嚴重，而且時常有雜物等鉤掛在流量計上。公司于2005年一方面加強了循環水管理，另一方面將靶式流量計更換為雙法蘭式楔形流量計，使用至今，測量數據穩定，維護工作量大為減少，故障率極低，效果顯著。
b）在2007年壓縮空氣計量系統中采用楔形流量計，克服了以前用孔板時因各個生產裝置用量變化，引起總管壓縮空氣流量變化范圍大的難題，基本滿足了工藝生產的需要。
c）目前在工業水流量的測量中已使用了10多臺楔形流量計，由于工業水含有一定泥沙和雜質，以往使用孔板容易使雜質在孔板前堆積，堆積的雜質也易造成取壓管發生堵塞，儀表維護工作量大，改用楔形流量計后，以前存在的問題大大減少，效果十分明顯。
d）2004年10月墾利石化建成800kt/a延遲焦化裝置，在渣油、油漿及其混合物的測量全部采用楔形流量計，它將楔形塊產生的差壓傳至雙法蘭差壓變送器，再由變送器送出與差壓成正比關系的標準信號，經DCS開方，得到流量測量值。經過4年的運行，整體運行穩定，沒有出現因沉積、堵塞等問題引起的非正常停工檢修，節能的間接效益十分明顯，值得在石化重油的流量測量中推廣使用，這一點也在文獻[4]中得到了驗證。
5 楔式流量計節能舉例
楔式流量計的節能可分為直接節能及間接節能。直接節能的效果可通過理論計算得到動力節約費用，較易估算出節能效果，但是間接節能包括極低的維修維護費用、確保裝置長周期安全運行帶來的潛在效益等，包括的因素較多，很難給出定量數據。總的來看，從某種意義上可說，楔式流量計間接節能的效益遠大于直接節能。
5.1 直接節能
節能裝置的壓力損失會引起額外的損耗，各類節流裝置壓力損失的大小決定了儀表耗能的多少，對于大口徑的測量，其耗能費用是筆大數目[6]。現將墾利石化公司污水總量采用楔形和孔板的情況對比如下：
工藝參數：管道D322min×10mm，最大體積流量qVmax=650m3/h，正常流量qVnor=525m3/h，最小流量qVmin=320m3/h，標準工況壓力p=0.6MPa，溫度t=30℃。
采用楔形孔板，經重慶艾維有限公司楔式流量計設計軟件計算：楔形比D/h=0.5，楔子高度h=156.02mm，節流面積比m=0.5，最大差壓Δpmax=12.5kPa；采用孔板流量計：經丹東通博流量測量孔板節流裝置設計軟件進行計算：β=0.707，最大差壓Δpmax=16.80kPa；（楔形比D/h=0.5與孔板β=0.707其節流面積比是一樣的）。
永久壓力損失參照標準孔板的壓損公式[6-7]：
式中 Δω———壓力損失；β———直徑比；ΔP———差壓。
楔形孔板：
標準孔板：
永久壓損的差值：
用標準孔板多消耗的功率（能耗計算式）：
式中W———能耗值，W；qV———工況體積流量，本例為2172m3/h、0.6m3/s；η一般取0.8。
每年多耗能費用：
采用楔形孔板比標準孔板有較明顯的節能效果。
5.2 間接節能
從該公司近幾年應用楔形流量計的情況來看，儀表故障率極低，測量數據穩定，未發生因測量失靈而造成操作失誤或停工的現象，儀表維修維護工作量大大減少，基本可實現“零維修”，確保了裝置的平穩運行，給企業帶來可觀的經濟效益。
6 結束語
楔形流量計在墾利石化公司應用中的實踐表明，其工作穩定，準確度適中，儀表結構簡單、能適應多種介質的測量，維護量小，在公司的使用量逐年遞增。楔形流量計在使用過程存在很多優點，但相對于孔板流量計來說，楔形流量計還具有價格高、必須每臺標定等不足，無論是在設計、制造、計算，還是安裝使用等方面，楔形流量計尚缺乏相應的數據和規范。就目前而言，楔形流量計與孔板流量計共存，發揮各自的優勢[8]，但從長遠來看，楔形流量計是新一代差壓式流量計的發展趨勢。
節能是一項長期國策，節能需要每個石化企業從每一個細節抓起，節能不僅是工藝、設備節能，儀表節能（直接或間接）也應該引起重視。可以看出，楔形流量計應用在某些對計量結算要求不十分嚴格的場所會帶來極大的直接節能效益和巨大的間接經濟效益，在石化行業有著廣闊的推廣應用前景。