流體黏度對(duì)容積式流量計(jì)的性能影響

吳丹（大慶油田設(shè)計(jì)院有限公司）

不同產(chǎn)地的原油，物理性質(zhì)差異很大，且原油計(jì)量工況較為復(fù)雜，再加上人為操作、管理漏失的存在，導(dǎo)致原油動(dòng)態(tài)計(jì)量誤差較大。計(jì)量準(zhǔn)確性關(guān)系到原油交接雙方的利益，明確原油計(jì)量中存在的問(wèn)題和因素，形成優(yōu)化措施，在保障貿(mào)易交接雙方合法利益和維護(hù)國(guó)家能源安全方面具有重要意義。

目前應(yīng)用于原油計(jì)量的流量計(jì)多采用容積式流量計(jì)，雖然其具有功能穩(wěn)定、準(zhǔn)確度高、測(cè)量范圍大等優(yōu)點(diǎn)。但在輸送溫度、壓力和油品黏度變化較大時(shí)，會(huì)對(duì)其計(jì)量準(zhǔn)確度造成影響[1]。結(jié)合實(shí)際情況，從流體黏度影響因素方面出發(fā)，對(duì)原油貿(mào)易交接中容積式流量計(jì)的計(jì)量誤差進(jìn)行分析。

1 原理

容積式流量計(jì)由測(cè)量室、運(yùn)動(dòng)部件、傳動(dòng)和顯示部件組成。測(cè)量室也叫“計(jì)量室”，它由儀表殼的內(nèi)壁和運(yùn)動(dòng)部件一起構(gòu)成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體積空間。當(dāng)介質(zhì)通過(guò)流量計(jì)，在其進(jìn)出口產(chǎn)生的壓力差會(huì)推動(dòng)流量計(jì)的運(yùn)動(dòng)部件旋轉(zhuǎn)。在測(cè)量介質(zhì)流動(dòng)的過(guò)程中，會(huì)一次次地充滿“計(jì)量室”，計(jì)算累加充滿計(jì)量室的次數(shù)，將其與標(biāo)準(zhǔn)體積相乘，最終得到所測(cè)介質(zhì)通過(guò)流量計(jì)的流量[2]。通過(guò)安裝在殼體上的電磁信號(hào)傳感器檢測(cè)后，產(chǎn)生電信號(hào)并經(jīng)二次儀表將其轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的流量值，顯示在儀表盤(pán)上[3]。

設(shè)容積式流量計(jì)的測(cè)量誤差值為E，測(cè)量誤差公式見(jiàn)式（1）：

式中：V為流量計(jì)的計(jì)量室標(biāo)準(zhǔn)體積值，m3；N為一定時(shí)間內(nèi)累加充滿計(jì)量室的次數(shù)；a為儀表的齒輪比（由齒輪組的齒輪比和儀表指針轉(zhuǎn)動(dòng)一周的刻度值確定）。

測(cè)量誤差由儀表指示值與累計(jì)流量之差與指示值相比得出，從公式（1）可見(jiàn)，容積式流量計(jì)的誤差特性僅與計(jì)量室標(biāo)準(zhǔn)體積值V、儀表的齒輪比a有關(guān)。也就是說(shuō)，從測(cè)量原理的角度來(lái)說(shuō)，容積式流量計(jì)的測(cè)量誤差只與流量計(jì)自身的結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與流體性質(zhì)和流量值無(wú)關(guān)，這個(gè)誤差特性稱為容積式流量計(jì)的理想誤差特性[4-5]，容積式流量計(jì)誤差特性曲線見(jiàn)圖1，曲線是一條平行于橫軸的直線。曲線2 是實(shí)際檢定得出的誤差曲線。

這是因?yàn)槿莘e式流量計(jì)存在不可避免的漏失量現(xiàn)象，即流過(guò)殼的內(nèi)壁與運(yùn)動(dòng)部件之間間隙的流體流量沒(méi)有被計(jì)量。此時(shí)計(jì)算測(cè)量的誤差見(jiàn)式（2）：

式中：Δg為漏失量，m3/h；q為流量，m3/h。

分析公式（2）可知，測(cè)量誤差與流量之間的關(guān)系受單位時(shí)間內(nèi)的漏失量影響，假定Δg是一個(gè)定值：當(dāng)q很小時(shí)，E趨于負(fù)無(wú)窮大；當(dāng)q逐漸增大時(shí)，E趨于理想誤差，但是誤差不可能完全消除。

2 黏度因素對(duì)計(jì)量誤差的影響

黏度是阻止流體流動(dòng)的一種物理化學(xué)性質(zhì)，由于這一性質(zhì)的作用，使流體在運(yùn)動(dòng)中受到阻力。在容積式流量計(jì)計(jì)量原理中，受機(jī)械加工水平限制，其運(yùn)動(dòng)部件與殼體內(nèi)壁間縫隙會(huì)隨著黏度引起的表面張力作用而改變，引起不同程度的介質(zhì)漏失，產(chǎn)生計(jì)量誤差。因此，黏度對(duì)容積式流量計(jì)計(jì)量性能具有重要作用。

2.1 黏度與漏失量的關(guān)系

影響容積式流量計(jì)漏失量Δg的最主要因素是流體的黏度，隨著流體黏度的變化，漏失量也會(huì)隨著改變。計(jì)算漏失量見(jiàn)式（3）：

式中：W為運(yùn)動(dòng)部件與殼體內(nèi)壁之間的間隙寬度，mm；L為運(yùn)動(dòng)部件與殼體內(nèi)壁之間的間隙長(zhǎng)度，mm；η為液體的動(dòng)力黏度，Pa·s；Δp為流量計(jì)前后壓力差，kPa。

從公式（3）可見(jiàn)，漏失量與黏度成反比關(guān)系，在高黏度液體流動(dòng)時(shí)，漏失量??；在低黏度液體流動(dòng)時(shí)，漏失量大[6]。

液體黏度增大可以使漏失量減小，但是會(huì)造成流量計(jì)的通過(guò)量降低。為提高流量計(jì)的通過(guò)量，一般采取的方法就是增加液體溫度，而溫度升高，會(huì)導(dǎo)致流量計(jì)計(jì)量室內(nèi)體積增大，W增加，漏失量明顯增大[7]。每一種油品存在自身最佳計(jì)量溫度范圍，即也對(duì)應(yīng)著最佳黏度范圍。在這個(gè)范圍內(nèi)，流量計(jì)計(jì)量油品，計(jì)量性能穩(wěn)定，計(jì)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠[8]。所以，在日常輸油與檢定時(shí)，都要保持適宜的溫度，既能保證流量計(jì)通過(guò)量又不會(huì)增加漏失量。

2.2 影響?zhàn)ざ鹊囊蛩?/h3>

2.2.1 壓力差

液體流過(guò)流量計(jì)所引起的不可恢復(fù)壓力差為壓力損失。容積式流量計(jì)的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)部件是通過(guò)流體的壓力進(jìn)行作用的，為了維持穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)，則存在相應(yīng)的壓力差。流量計(jì)前后的壓力差受到黏度因素的影響，當(dāng)黏度增大時(shí)，壓力差也隨之增大，由公式（3）得出漏失量與流量計(jì)前后壓力差成正比關(guān)系，因此，漏失量也會(huì)增大。尤其是越高黏度的流體越需要更大的能量推動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件，產(chǎn)生的壓力差就會(huì)越大。

壓力差還與液體流量以及流量計(jì)本身結(jié)構(gòu)都有關(guān)系。流量越大，壓力差越大；流量計(jì)運(yùn)動(dòng)部件與殼壁之間的間隙越大、運(yùn)動(dòng)部件機(jī)械摩擦阻力越大，壓力差越大。漏失量隨壓力差變化而變化，漏失量的大小直接影響到流量計(jì)計(jì)量誤差的大小，也就說(shuō)明壓力差大小影響到流量計(jì)的計(jì)量誤差。

2.2.2 溫度因素

流量計(jì)計(jì)量過(guò)程中，溫度需保持在一定范圍內(nèi)，如果溫度發(fā)生變化，被計(jì)量液體的黏度、體積、密度以及運(yùn)動(dòng)部件的間隙都會(huì)隨之變化[9]。一般情況下，溫度升高后液體黏度下降，溫度降低后液體黏度上升，兩者成反比關(guān)系。

通常狀態(tài)下，運(yùn)動(dòng)部件完全浸泡在液體中，其溫度與液體溫度一致。當(dāng)液體溫度升高，運(yùn)動(dòng)部件會(huì)受周?chē)后w溫度的影響而逐漸膨脹，而殼體的溫度除了受液體溫度影響外，同時(shí)還受外界環(huán)境溫度影響，因此殼體的膨脹速度小于運(yùn)動(dòng)部件的膨脹速度，在一定程度上縮小了它們之間的間隙，減少了漏失量。但是，溫度升高會(huì)使液體黏度降低，漏失量也會(huì)增大。溫度對(duì)于容積式流量計(jì)漏失量的影響是雙方面的，需要根據(jù)具體液體的物理化學(xué)性質(zhì)以及周?chē)h(huán)境，設(shè)置最適合的溫度，減少溫度對(duì)流量計(jì)計(jì)量性能的影響。

通過(guò)對(duì)同一臺(tái)容積式流量計(jì)在相同介質(zhì)下進(jìn)行3 次試驗(yàn)測(cè)試，設(shè)置測(cè)試流量點(diǎn)分別為50 m3/h、100 m3/h、180 m3/h，在每個(gè)流量點(diǎn)設(shè)置相同壓力，溫度依次減少5 ℃，流量計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)分別見(jiàn)表1、表2、表3，流量計(jì)系數(shù)曲線見(jiàn)圖2。

表1 流量計(jì)測(cè)試1 數(shù)據(jù)Tab.1 Test 1 data of flowmeter

表2 流量計(jì)測(cè)試2 數(shù)據(jù)Tab.2 Test 2 data of flowmeter

表3 流量計(jì)測(cè)試3 數(shù)據(jù)Tab.3 Test 3 data of flowmeter

圖2 流量計(jì)系數(shù)曲線Fig.2 Curve of flowmeter coefficient

由圖2 可以看出：在其他測(cè)試條件一致的情況下，不同溫度設(shè)置下流量計(jì)系數(shù)相差較大；第1 組測(cè)試數(shù)據(jù)顯示流量計(jì)系數(shù)最大，這是因?yàn)闇囟壬撸ざ冉档?，漏失量增大，流量?jì)系數(shù)隨之變大；第3 組測(cè)試溫度最低，但流量計(jì)系數(shù)卻大于第2 組測(cè)試數(shù)據(jù)，說(shuō)明溫度設(shè)置要符合介質(zhì)物理特性，而不是只要降低溫度就會(huì)減少漏失量，減小計(jì)量誤差。

溫度變化影響?zhàn)ざ茸兓?，進(jìn)而影響漏失量變化。在容積式流量計(jì)計(jì)量和檢定過(guò)程中，要從計(jì)量介質(zhì)的液體溫度、檢定溫度以及環(huán)境溫度等多方面考慮，維持相對(duì)穩(wěn)定的工況環(huán)境，可以有效減少容積式流量計(jì)的計(jì)量誤差。尤其是計(jì)量的原油物性較差時(shí)，很小的油品溫度差變化也會(huì)產(chǎn)生很大的計(jì)量誤差，因此，在原油計(jì)量中要重點(diǎn)控制油品的溫度[10]。

3 結(jié)語(yǔ)

導(dǎo)致容積式流量計(jì)計(jì)量誤差的因素有很多，著重研究了黏度對(duì)其計(jì)量性能的影響。壓力損失、溫度變化都會(huì)引起液體黏度的變化，同時(shí)還會(huì)對(duì)流量計(jì)結(jié)構(gòu)本身產(chǎn)生影響。由于液體黏度因素影響容積式流量計(jì)的計(jì)量誤差是不能消除的，為此，我們需要對(duì)原油計(jì)量有明確的認(rèn)識(shí)，掌握容積式流量計(jì)的工作原理，從實(shí)際計(jì)量和檢定工作中發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題，并采取有效措施，降低交接雙方的經(jīng)濟(jì)損失。原油的黏度受溫度影響較大，漏失量隨黏度變化而變化，這樣直接影響了流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確度。為了提高流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確度。建議：在檢定流量計(jì)時(shí)注意，檢定溫度和輸油溫度盡量保持一致；檢定流量計(jì)時(shí)，要根據(jù)實(shí)際的介質(zhì)物理化學(xué)性質(zhì)以及周?chē)h(huán)境，設(shè)置最適合的溫度，降低溫度因素對(duì)流量計(jì)計(jì)量性能的影響。