海洋平臺(tái)常用流量計(jì)的選型分析

王 東

(北京高泰深海技術(shù)有限公司 天津分公司,天津 300451)

流量計(jì)量是海洋平臺(tái)計(jì)量的重要組成部分之一，海洋平臺(tái)空間緊張，油氣生產(chǎn)設(shè)施布置緊湊，距離陸地較遠(yuǎn)，一旦發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，輕則影響生產(chǎn)，重則導(dǎo)致平臺(tái)火災(zāi)和原油泄漏，造成重大經(jīng)濟(jì)損失和惡劣的社會(huì)影響。因此做好工作流量計(jì)的選型，對保證生產(chǎn)質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率等具有重要的作用。

流量計(jì)量是一項(xiàng)極其復(fù)雜的工作[1]，需要考慮各種環(huán)境因素、被測介質(zhì)的理化特性、被測介質(zhì)當(dāng)前的工藝參數(shù)等。流量測量方法很多，流量儀表的種類更是繁多，可供工業(yè)用的流量計(jì)量儀表就有60多種[1]。每種產(chǎn)品適用性和局限性都不一樣。目前，海洋平臺(tái)可選的流量計(jì)類型主要有科氏質(zhì)量流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、容積式流量計(jì)、孔板流量計(jì)、電磁流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、渦街流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、V錐型流量計(jì)、靶式流量計(jì)等[2]。

1 海洋平臺(tái)常用流量計(jì)的原理及特點(diǎn)

1.1 科氏質(zhì)量流量計(jì)

科氏質(zhì)量流量計(jì)的傳感器內(nèi)有2個(gè)平行流管，中間設(shè)有驅(qū)動(dòng)線圈，兩端設(shè)有檢測線圈。當(dāng)發(fā)射機(jī)提供的激勵(lì)電壓加到驅(qū)動(dòng)線圈上，振動(dòng)管在往復(fù)周期中振動(dòng)，流體流過傳感器的振動(dòng)管時(shí)，振動(dòng)管就會(huì)產(chǎn)生科氏力效應(yīng)，使振動(dòng)管產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。安裝在振動(dòng)管兩端的檢測線圈將產(chǎn)生2組不同相位的信號(hào)，2個(gè)信號(hào)的相位差與流體通過傳感器的質(zhì)量流量成正比。

優(yōu)點(diǎn)：直接測量流體的質(zhì)量流量，測量精確度高；測量范圍廣泛；測量管的振動(dòng)幅小，可視作非活動(dòng)件，無擾流件和活動(dòng)件；測量值對迎流流速分布不敏感、對流體黏度不敏感；流體密度對測量值影響微小。缺點(diǎn)：零點(diǎn)不穩(wěn)定；不能用于測量低密度介質(zhì)和低壓氣體；容易受到振動(dòng)干擾；無法測量大管徑；測量管內(nèi)壁沉積結(jié)垢或磨損腐蝕會(huì)嚴(yán)重影響測量精度[2]；壓損大；重量較大，體積較大；價(jià)格昂貴。

1.2 超聲波流量計(jì)

超聲波流量計(jì)是指基于超聲波在流動(dòng)介質(zhì)中傳播速度等于被測介質(zhì)的平均流速與聲波在靜止介質(zhì)中速度的矢量和的原理開發(fā)的流量計(jì)，主要有多普勒式、時(shí)差式、波束偏移式、噪聲式及相關(guān)式等類型[3]。海洋平臺(tái)通常采用多聲道、時(shí)差式。時(shí)差式基本原理：超聲波沿流體正向傳播和其沿流體逆向傳播的速度不同會(huì)引起時(shí)差。采用2(多)個(gè)超聲波發(fā)送器(UA和UB)和2(多)個(gè)超聲波接收器(RA和RB)，2組取自同一聲源的聲波在UA與RA之間和UB與RB之間分別傳送，這2組聲波與管道均成α角(α=45°)，超聲波流量計(jì)原理示意圖見圖1。向下游發(fā)射的超聲波會(huì)被流體加速，而向上游發(fā)射的超聲波會(huì)被延遲，其時(shí)間差與流體流速成正比[4]。也可以發(fā)送正弦波信號(hào)測量2(多)組聲波之間的相移來計(jì)算出流體的流速。

圖1 超聲波流量計(jì)原理示意圖

優(yōu)點(diǎn)：可作非接觸測量，無擾流，無壓損；可測量大尺寸管道，在無法實(shí)現(xiàn)實(shí)流校驗(yàn)時(shí)可選擇超聲波流量計(jì)；可測量非導(dǎo)電性流體。缺點(diǎn)：耐溫性能不高；抗干擾能力差；直管段要求嚴(yán)格；結(jié)垢會(huì)嚴(yán)重影響測量準(zhǔn)確度及測量精度；可靠性、精度等級不高；重復(fù)性差、使用壽命短、價(jià)格較高，超聲流量計(jì)(時(shí)差式)只能用于潔凈流體。

1.3 容積式流量計(jì)

容積式流量測量是采用固定的小容積來反復(fù)計(jì)量通過流量計(jì)的流體體積[5]。在容積式流量計(jì)內(nèi)部必須具有一個(gè)或多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)容積的空間，通常稱為“計(jì)量空間”，該空間由儀表殼體內(nèi)壁和流量計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)部件組成。流體通過會(huì)帶動(dòng)流量計(jì)的轉(zhuǎn)動(dòng)部件旋轉(zhuǎn)，在這個(gè)過程中，流體一次又一次地充滿計(jì)量空間，然后在一次又一次地排出。在一定條件下，該計(jì)量空間的容積是固定的，測得流量計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的旋轉(zhuǎn)次數(shù)[5]，即可以計(jì)算得到通過流量計(jì)的流體流量的累積值。

優(yōu)點(diǎn)：計(jì)量精度高；無直管段要求；能用于高黏度、低雷諾數(shù)流體的測量；可選直讀式儀表，無需外部能源(也可采用鋰電池供電)，可直接測量累積流量。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大；對被測介質(zhì)種類、潔凈度和相態(tài)要求較高；不能用于高溫和低溫工況；產(chǎn)生較大噪聲和振動(dòng)。

1.4 孔板流量計(jì)

孔板流量計(jì)是由標(biāo)準(zhǔn)孔板和差壓變送器配套組成的流量計(jì)量儀表，屬于差壓式流量計(jì)的一種。它是以流動(dòng)連續(xù)性方程和伯努利方程式為基礎(chǔ)，當(dāng)充滿管道的流體流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)孔板時(shí)，在孔板的節(jié)流孔處流體流速加快，在孔板前后產(chǎn)生了壓差，流體的流量越大，在孔板前后產(chǎn)生的壓差越大，便可通過測量壓差來計(jì)算出流體流量。

優(yōu)點(diǎn)：標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流孔板得到了國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的認(rèn)證，各國通用，無需實(shí)流校準(zhǔn)；結(jié)構(gòu)簡單、易于復(fù)制；性能穩(wěn)定可靠；應(yīng)用廣泛，價(jià)格低廉。缺點(diǎn)：長期使用精度下降，需要適時(shí)保養(yǎng)；重復(fù)性、精確度不高；測量范圍窄，受流體雷諾數(shù)影響較大；安裝要求較高；壓損大，長期運(yùn)行和后期保養(yǎng)費(fèi)用高。

1.5 電磁流量計(jì)

電磁流量計(jì)是依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律研發(fā)的適用于多數(shù)可導(dǎo)電介質(zhì)的流量計(jì)。根據(jù)該原理，在導(dǎo)管垂直方向施加一個(gè)交變的磁場，并在流量計(jì)絕緣襯里的內(nèi)壁兩側(cè)設(shè)置2臺(tái)配套電極，兩電極的連線既與導(dǎo)管軸線垂直，又與磁場方向垂直，當(dāng)流體流經(jīng)導(dǎo)管時(shí)，因切割磁感線，2個(gè)電極上就產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，該感應(yīng)電動(dòng)勢與流量成正比，通過測量該電動(dòng)勢的大小可計(jì)算出管內(nèi)流動(dòng)的流體的流量[6]。

優(yōu)點(diǎn)：不受流體密度、黏度、溫度、壓力等物理性質(zhì)變化的影響；無擾流，無壓損，特別適合漿液測量；耐腐蝕、耐磨損；功耗低、零點(diǎn)穩(wěn)定、精確度高；可雙向測量；傳感器使用壽命極長；所需的直管段較短。缺點(diǎn)：無法測量含有大量氣體的液體；被測液體的電導(dǎo)率須高于10-5S/cm；不能用于高溫和高壓流體的測量；易受外界環(huán)境電磁場的干擾。

1.6 渦輪流量計(jì)

渦輪流量計(jì)是應(yīng)用力學(xué)原理進(jìn)行流量測量的典型流量計(jì)。流體通過管道時(shí)帶動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，在一定條件下，測得轉(zhuǎn)動(dòng)部件的旋轉(zhuǎn)速度，渦輪的轉(zhuǎn)速與流量成正比[7]，通過測量渦輪的轉(zhuǎn)速可計(jì)算出管內(nèi)流動(dòng)流體的流量。

優(yōu)點(diǎn)：精度高，能耗少，重復(fù)性好，無零點(diǎn)漂移，結(jié)構(gòu)緊湊。缺點(diǎn)：校準(zhǔn)時(shí)效不長，需要定期校準(zhǔn)；流體物性對流量特性影響大；有傳動(dòng)部件，抗震動(dòng)能力差；必須水平安裝。

1.7 渦街流量計(jì)

渦街流量計(jì)也稱之為旋渦流量計(jì)或卡門渦街流量計(jì)，測量基本原理是流體在流經(jīng)旋渦發(fā)生體時(shí)會(huì)產(chǎn)生振蕩。當(dāng)流體在管道中經(jīng)過旋渦發(fā)生體時(shí)，在旋渦發(fā)生體后上下交替產(chǎn)生2列規(guī)則的旋渦，旋渦的釋放頻率與流體平均速度及旋渦發(fā)生體特征寬度有關(guān)，可用f=Stv/d表示。f為旋渦的釋放頻率,Hz；v為流體平均速度,m/s；d為旋渦發(fā)生體特征寬度，m；St為斯特勞哈爾數(shù)(Strouhal number)，無量綱，它的數(shù)值范圍為0.14～0.27。St與流體的雷諾數(shù)有關(guān)，流體的雷諾數(shù)Re在2×104～7×106之間時(shí)，St為常數(shù)，這也是渦街流量計(jì)的精度保證范圍。

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，無可動(dòng)部件，可靠性高；安裝簡單，維護(hù)方便；性能穩(wěn)定，壽命長；無零點(diǎn)漂移，精度較高；壓損較小，運(yùn)行費(fèi)用低。缺點(diǎn)：誤差大；抗振性能差；測量臟污介質(zhì)適應(yīng)性差；管段要求高；耐溫性能差。

1.8 轉(zhuǎn)子流量計(jì)

轉(zhuǎn)子流量計(jì)也稱為浮子流量計(jì)，是根據(jù)節(jié)流原理測量流體流量的。在流速和浮力的共同作用下，浮子可以沿著自下向上擴(kuò)大的豎直錐形管內(nèi)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)浮子重力與浮力及流體流動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力平衡后，浮子保持相對位置上的靜止，在一定條件下，浮子的位置與流體的流速成正比關(guān)系，通過浮子的位置可計(jì)算出通過該處流體的流量。

優(yōu)點(diǎn)：適用于小管徑和低流速；可用于較低雷諾數(shù)流態(tài)；工作可靠、維護(hù)量小、壽命長；就地型指針指示接近于線性；結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉。缺點(diǎn)：應(yīng)用局限于中小管徑；玻璃管轉(zhuǎn)子流量計(jì)的玻璃管易碎，不適用于大部分工業(yè)場地；轉(zhuǎn)子流量計(jì)只能用于自下向上垂直流的管道安裝；使用流體和出廠標(biāo)定流體不同時(shí)，要作流量示值修正。

1.9 V錐型流量計(jì)

V錐型流量計(jì)是一種差壓流量計(jì)，其工作原理示意圖如圖2所示，它以流動(dòng)連續(xù)性方程和伯努利方程式為基礎(chǔ)，利用V錐體在流場中產(chǎn)生的節(jié)流效應(yīng)，通過檢測V錐體前后的壓差來實(shí)現(xiàn)流量的測量。與其他節(jié)流元件相比，它改變了節(jié)流布局，從中心孔節(jié)流改為環(huán)狀節(jié)流。當(dāng)充滿管道的流體，流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流元件時(shí)，流體將在節(jié)流元件處形成局部收縮，從而使流速加快，靜壓力降低，在節(jié)流元件前后便產(chǎn)生了壓差，介質(zhì)流速越大，在節(jié)流元件前后產(chǎn)生的壓差就越大，流體流量的大小可通過測量壓差來進(jìn)行測量，由于其特殊的結(jié)構(gòu)，與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置相比，雷諾數(shù)下限值有了很大程度的改善，但當(dāng)雷諾數(shù)很小時(shí)，V錐型流量計(jì)的不確定度將增大，精度將難以保證。

圖2 V錐型流量計(jì)工作原理示意圖

優(yōu)點(diǎn)：流量大、長期測量精度高、重復(fù)性和穩(wěn)定性好，安裝限制少、耐磨損、耐贓耐污。缺點(diǎn)：易堵塞、壓損大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、拆裝困難、量程比小、小流量測量精度低。

1.10 靶式流量計(jì)

靶式流量計(jì)主要用于解決高黏度、低雷諾數(shù)流體的流量測量，工作原理是當(dāng)介質(zhì)在測量管中流動(dòng)時(shí)，因其自身的動(dòng)能會(huì)對阻流件施加一作用力，其作用力大小與介質(zhì)流速的平方成正比，阻流件接受的作用力，經(jīng)剛性連接的傳遞件傳至傳感器，傳感器產(chǎn)生電信號(hào)輸出此電壓信號(hào)經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后，即可得到相應(yīng)的瞬時(shí)流量和累積總量。

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、無可動(dòng)部件、安全可靠；適合大管徑、高低壓介質(zhì)的測量，拆卸方便；無任何泄漏點(diǎn)、耐高壓；重復(fù)性好、測量速度快；壓損?。豢垢蓴_；基本不受流體內(nèi)雜質(zhì)影響；能通過更換阻流件(靶片)的方法而變量程；安裝簡單方便，易維護(hù)。缺點(diǎn)：每次安裝都需要設(shè)置零點(diǎn)；精度較低，不推薦用于貿(mào)易結(jié)算；不能用于頻繁斷流的工況。

2 雷諾數(shù)的計(jì)算

雷諾數(shù)是流體力學(xué)中表征黏性影響的相似準(zhǔn)則數(shù)，記作Re。它又稱雷諾準(zhǔn)數(shù)，是用以判別黏性流體流動(dòng)狀態(tài)的一個(gè)無因次數(shù)群。流體在圓管內(nèi)的流動(dòng)形態(tài)除了與流速有關(guān)外，還與管徑、流體的動(dòng)力黏度、流體的密度這3個(gè)因素有關(guān)，其數(shù)學(xué)公式表達(dá)為：

Re=ρv′L/μ，

(1)

式中，ρ為流體密度；v′為流場的特征速度；L為流場的特征長度[8]；μ為動(dòng)力黏性系數(shù)。

3 常用流量計(jì)的選型

常用流量計(jì)各有特點(diǎn)，在選用流量計(jì)時(shí)應(yīng)揚(yáng)長避短，根據(jù)以下原則選擇適合本項(xiàng)目的流量計(jì)。

1)安全生產(chǎn)原則。第一是測量方式的可靠性，即取樣或節(jié)流裝置在生產(chǎn)中不會(huì)發(fā)生機(jī)械強(qiáng)度或電氣回路故障而引起事故；二是測量儀表無論在正常工作還是在故障情況下都不能對生產(chǎn)系統(tǒng)的安全性產(chǎn)生影響。高溫高壓下、沖蝕較嚴(yán)重的場合，不能使用結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低的靶式、渦輪流量計(jì)，也不能使用需要插入安裝的流量計(jì)。

2)滿足工藝需求要求原則。根據(jù)相關(guān)工藝參數(shù)(流量、密度、黏度、管道的直徑)計(jì)算出雷諾數(shù)，當(dāng)雷諾數(shù)小于2 300時(shí)，流體處于層流流態(tài)；當(dāng)雷諾數(shù)大于2 300且小于4 000時(shí)，流體處于過渡流流態(tài)；當(dāng)雷諾數(shù)大于4 000時(shí)，流體處于紊流流態(tài)。工程上的流體大部分處于紊流流態(tài)，絕大部分的流量計(jì)量儀表也是針對紊流流態(tài)的流體進(jìn)行設(shè)計(jì)的，所以對于處于層流流態(tài)和過渡流流態(tài)流體的流量計(jì)量需要選用特殊的流量計(jì)。

流量計(jì)在其量程比范圍內(nèi)才能保證精度，選型時(shí)應(yīng)注意流量范圍，選擇合適量程比的流量計(jì)。常用流量計(jì)量程比：科氏質(zhì)量流量計(jì)，100∶1；轉(zhuǎn)子流量計(jì)，10∶1；超聲波流量計(jì)，100∶1；渦街流量計(jì)，10∶1；渦輪流量計(jì)，10∶1；靶式流量計(jì)，15∶1；孔板流量計(jì)，3∶1；電磁流量計(jì)，100∶1，V錐型流量計(jì)，10∶1，容積式流量計(jì)，10∶1。

3)安裝要求原則。流量計(jì)精度，受其前后直管段長度影響，選型時(shí)應(yīng)結(jié)合管道專業(yè)的三維模型，按照前后直管段長度相關(guān)要求進(jìn)行流量計(jì)的選擇，常用流量計(jì)對上游、下游直管段的要求如表1所示，其中D為流量計(jì)直徑。

4)價(jià)格原則?？剖腺|(zhì)量流量計(jì)、容積式流量計(jì)和超聲波(管段式)流量計(jì)是比較昂貴的流量計(jì)，轉(zhuǎn)子和孔板流量計(jì)價(jià)格較低，而渦輪、渦街、靶式、超聲波(外夾式)、V錐型等流量計(jì)的價(jià)格在250 mm(10寸)以內(nèi)都相差不遠(yuǎn)，250 mm(10寸)以上的流量計(jì)應(yīng)盡量選用價(jià)格便宜的孔板流量計(jì)。

表1 常用流量計(jì)對上游、下游直管段的要求 mm