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浅谈石油流量的测量

日期:2020-08-01 09:27
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摘要:

浅谈石油流量的测量

石油流量的测量

1 石油流量测量的特点 石油是国民经济的血液,一年数亿吨的石油在采集、输送、储存、加工及分配等各个环节,需要用大量的流量测量仪表,由于石油在各个不同环节所表现出来的特性差别很大,计量数据用途也有不同,所以仪表选型、使用等也有很大差异。

与其他液体计量相比,石油流量测量有下列主要特点。

①石油品种较多,不同品种之间差异较大。

a.中低黏度石油产品如煤油、柴油、黏度不高,温度不高,流体洁净,对测量无苛刻的要求。

b.高黏度油品如原油、重油、渣油等,黏度较高,为了便于输送,往往被加热到较高温度。流体中含有固态杂质,流量测量前须严格过滤。

c.低黏度油品如汽油、液化石油气,黏度很低。

②计量**度要求高。用于贸易结算的油品计量,必须达到规定的**度,以保证供需双方的利益。GB/T17167规定,分厂(车间)和重点用能设备能耗考核用汽油、柴油、原油计量应达到0.5%R**度;进出企业结算用汽油、柴油、原油计量应达到0.35%R**度,而在大宗油品计量中,计量**度的要求更高,意义更大。例如经原油交接计量站计量的原油,一个站每年约为数百万吨,千分之一的误差就将引起每年100万元的结算差额。

③应考虑在线实流校准。用于石油计量的流量计,一般口径较大,拆下送检极不方便,一般应有实流校准设施或留有连接标准表的接口,以便进行在线实流校准。

④质量流量测量。大多数情况下以质量流量结算。

⑤流体易燃易爆。

(2)仪表的选型和使用

①容积式仪表的使用。容积式流量计在石油产品的计量方面有悠久史的使用历史,石油行业积累了丰富的经验,其中ISO2714:1980《液态烴——用除计量泵以外的定排量(容积式)仪表系统的体积测量》就包含了很多实践经验[17]。容积式流量计在石油计量中具有独特的优势,关键原因是流体本身的润滑作用,使这种仪表能长期、稳定运行。而且**度高,范围度较大(一般可达10∶1)。

石油计量用的容积式流量计常用的有椭圆齿轮式、腰轮式、螺杆式、旋转活塞式、刮板式等多种,不同的种类其口径、范围和适用的流体黏度也不同。

容积式流量计选型和使用中应注意如下几点。

a.**度与流量范围度有关。同一台仪表如果额定**度等级较高,只能在较低的范围度内得到,如果想得到较大的范围度则必须要降低**度等级。例如,各类转子式液体仪表范围度为5∶1时,基本误差为±0.2%R;范围度为10∶1时,则降为±0.5%R。表3.6是不同口径0.2级腰轮流量计在不同油品条件下应用能获得的流量范围。

    表3.6 腰轮流量计测量范围(**度:±0.2%,流量单位:m3/h)

 

            ot;">通用流体

      ot;">使用   黏度/

容量形式  ot;">条件      mPa·s

石油类

汽油

煤油

轻油

A重油

B重油

C重油

0.5~

2~

5~

10~

50~

150~

35

25

间断

1.5~3.4

1~3.4

0.5~4

0.5~4

0.15~4

0.08~4

*高

4

4

4.5

4.5

4.5

4.5

38

25

40

间断

2~6

1.5~6

0.7~6.5

0.4~6.5

0.2~6.5

0.1~6.5

*高

7

7

8

8

8

8

41

40

50

间断

3~12.5

2.6~12.5

1.5~14

0.6~14

0.4~14

0.2~14

*高

15

15

17

17

17

17

45

50

间断

8~34

5~34

3~38

2~38

1~38

0.5~40

*高

40

40

45

45

45

45

47

80

间断

12~46

8~46

6~50

4~50

2~50

1~50

*高

55

55

60

60

60

60

51

80

100

间断

25~110

20~110

15~115

10~115

5~115

3~115

*高

130

130

140

140

140

140

52

100

150

间断

40~135

30~135

18~145

13~145

7~145

4~145

*高

160

160

175

175

175

175

54

100

150

间断

45~165

40~165

20~180

15~180

8~180

5~180

*高

200

200

220

220

220

220

57

200

间断

50~280

40~280

30~310

20~310

12~310

10~310

*高

310

310

350

350

350

350

59

250

间断

90~400

50~400

40~450

30~450

20~450

12~450

*高

450

450

500

500

500

500

保证**度的范围度

1:2.5

13.6

15

 

注:1.连续——可连续工作8h以上的流量范围。

    2.间断——仅能工作8h以内的流量范围。

    3.*高——只能瞬时工作(不保证**度)的*大流量。

b.流体黏度对测量误差有一定影响。与涡轮流量计等其他流量计相比,黏度影响较小,此外,还与许多其他流量计随黏度增大而误差增大不同,黏度增大因间隙间泄露减小而性能改善。图3.27所示是液体黏度对一台腰轮流量计基本误差的影响。

图3.27腰轮流量计不同黏度误差特性例

 从图中可看出,在0.8~11mPa·s黏度范围内,黏度影响较大,黏度从5.65mPa·s下降到0.8mPa·s,误差负向增大约0.5%;在11~51mPa·s时,黏度对仪表误差仍有明显影响;黏度大于51mPa·s时,黏度对误差影响已不明显[6]。上述只是实验一例,间隙不同,黏度影响程度也不同。由此可见,**度要求越高的测量,越要注意黏度带来的误差影响。

对于0.2级**度容积式流量计,测量过程中黏度不能有很大变化,才能保证**度。

图3.27所示的是流体黏度在一个范围较广的范围内变化时被试仪表所表现出来的误差,而在实际应用中,一个具体的测量对象其流体黏度变化范围是比较窄的,用户在订货的时候要向制造厂提供具体黏度数据,制造厂对产品校准时,设法将常用黏度条件下的误差校正到*小。

容积式流量计校准时的液体黏度与实际使用的液体黏度应尽量接近,但往往做不到这一点,因为一套标准装置要为各方面的用户服务,要用来校准多种类型的流量计。此时可用两种黏度上下相邻的液体校准,再按下式用线性内插方法求得误差。

     E=E2+E1-E2                        3.69

式中 E——实测液体黏度的误差,%;

     E2——分别为用比实测液体黏度大、小的液体校准的误差,%;

    * ——实测液体的黏度,mPa·s。

            * 1、 * 2——分别为比实测液体黏度大、小的液体黏度,mPa·s。

c.不同型式的仪表适用黏度范围有较大差异。用于油品测量的容积流量计常用的有椭圆齿轮式、腰轮式、螺杆式、刮板式、旋转活塞式等。其中螺杆式对高黏度流体的适应性*佳。

d.流体温度对测量误差的影响。容积式流量计的测量误差同仪表计量室容积和间隙大小密切相关。流体温度升高时,计量室容积增大转动部件每转一周,通过仪表的液体量相应增大。例如椭圆齿轮流量计计量室和齿轮均为铸钢时,测量值变化+0.36%/10℃[18];均为铸铁时,

测量值变化+0.33%/10℃;计量室为铸铁,齿轮为铸铝时,则为+0.14%/10℃ [6]

  e.压力损失及黏度对压力损失的影响。容积式流量计是由流体能量来推动测量元件,因此带来相当高的压力损失。此压力损失要比同样口径和流量的涡轮式或其他有阻碍流量计大。液体用仪表在*大流量时黏度为1~5mPa·s,液体的压力损失在20~100kPa之间。若黏度增加,压力损失随着增加。图3.28所示为椭圆齿轮流量计在不同黏度液体下流量-压力损失曲线[6],从中可以看到在相同流量下,黏度增加造成压损增加的程度。

图3.28椭圆齿轮流量计压力损失与黏度关系例

压力损失 p与流量q之间的关系可用 表示(其中k为系数,n为指数)。黏度在5mPa·s以下时n=2,在500mPa·s以上时n=1;在两者之间时,n=1.9~1.1。

f.间隙对压力损失的影响。在转子式容积流量计中,转子同壳体之间的间隙直接影响。在转式容积流量计中,转子同壳体之间的间隙直接影响压力损失。在测量高黏度介质时,有时采用加大转子与壳体之间间隙的方法,以减小由黏性而引起的剪切力,降低压力损失。图3.29所示为同一种黏度、同一口径、不同间隙的腰轮流量计的 曲线[19]

g.用于测量液化石油气时需特殊处理。液化石油气(LPG)槽车发送,加油站加液常用容积式流量计(如螺杆式)计量。石油气的组成以丁烷为主,常处于气液平衡状态,环境温度变化引起LPG温度相应变化,从而使得其压力相应变化,夏季压力常高于2MPa,此压力还受其组成影响。LPG的密度较小,介于0.51~0.58/cm3之间,是其组成、温度和压力的函数。

图3.29间隙同压力损失关系(重油 =18.4 10-6m2/s)

 LPG的黏度很低,低于汽油的黏度0.7mPa·s很多,仅为0.10~0.17mPa·s[6]。用水(黏度约1mPa·s)校准的容积式流量计用于测量LPG,仅黏度影响就可能带来-0.5%左右示值偏差和*小流量值升高;此外,还有润滑性差带来的影响。为了改善这种影响,仪表必须有外加润滑剂的润滑系统。

由于LPG处于气液平衡状态,故压缩系数较大,压力升高体积压缩达(0.44~0.73)%/MPa,常用适当的方法予以补偿。

LPG系统在任何时候即使停止运行,仪表、泵等也须充满液体,尽量避免空管或半空。因为未充满时液体蒸发,在仪表等器件表面析出沉积物,沉积垢屑磨损仪表,缩短使用寿命。

h.预防转子卡死。转子式容积流量计,转子一旦卡死,液体就无法通过,因此在设计、操作和维护时都应注意,预防转子卡死。

在设计阶段应考虑在仪表前加装过滤器,如果液体中固体较多,可分多级过滤,前级滤网目数少,后级滤网目数逐级增多。在维护时应注意过滤器的定期排放清理。如果没有停车排放的机会,可并联设置过滤器,用阀门切换轮换清理。

仪表投运时应谨慎操作,切换速度不能太快,防止热冲击队机械部件的损伤。还应防止因操作不慎引起流量计两端过大的压差,导致仪表损伤。正常的操作顺序应是先打开旁通阀(如图3.30所示),冲走管道内可能存在的焊渣、铁锈等,然后缓慢开启上游切断阀,让仪表温度缓慢升高(如果流体是经预热的),待温度平衡后,缓慢开大下游切断阀,*后徐徐关闭旁通阀,并主义观察流量示值,不让流量超过上限值太多。

对于锅炉等设备燃油计量用的容积式流量计,为了防止断油带来严重后果,往往采用两路供油,并分别测其流量,也可采用两台流量计并联使用。

用蒸汽冲洗管道时,禁止蒸汽通过流量计。

图3.30管道连接图

  i.容积式流量计的缺点。容积式流量计的缺点除了上面所述转子易卡而影响通液之外,主要还有下面几点。

?·结构复杂,体积大,笨重,尤其是口径较大时,体积庞大,故一般只适用于中小口径。

·由于高温条件下零件热膨胀、变形,低温条件下材料变脆等问题,容积式流量计不适用于高低温场合,流体温度范围只能达到-30~160,压力*高10MPa。

·队流体洁净程度要求高,当含有颗粒等各种固形物时,流量计上游须装数目足够多的过滤器,并要经常清理,维护工作量大。

·转动部分长期运转,引起机械磨损,一般都导致计量误差增大。

·部分型式容积流量计(如椭圆齿轮式、腰轮式、旋转活塞式)在测量过程中会引起流动脉动,较大口径仪表噪声较大,甚至使管道产生振动。

①     不同类型容积式仪表的特点

a.椭圆齿轮流量计。安装在计量腔内的一对相互啮合的椭圆齿轮,在流体的作用下交替相互驱动,各自绕轴旋转。齿轮与壳体之间有一新月形计量室,齿轮每转一周就排出4份固定的容积,因此由齿轮的转动次数就可计出流体流过的总量。其原理如图3.31所示。

图3.31椭圆齿轮流量计工作原理

椭圆齿轮流量计对流体的清洁度要求较高,如果被测介质过滤不清,齿轮很容易被固体异物卡死而停止测量。其另一不足之处是齿轮既作计量之用又作驱动之用,使用日久齿轮磨损后,齿轮与壳体之间所构成的新月形计量室容积相应增大;齿轮与壳体之间的间隙也相应增大(导致泄露增大)。这两个因素都使得仪表示值偏低。在仪表超负荷运行时,磨损加速,上述情况变得更加严重。

 对于高黏度液体,仪表的活动测量元件符合增加。椭圆齿轮流量计为了减少液体在齿隙间挤压负荷,有时在齿轮上开若干沟槽御荷(≥150mPa·s时),大于500mP·s时,则采用缺齿的椭圆齿轮。

b.腰轮流量计。在腰轮流量计中,由腰轮同壳体所组成的计量室和腰轮转数实现计量,其原理如图3.32所示。

 由于同计量**度密切相关的是腰轮,而驱动由专门的驱动齿轮担任,因此,驱动齿轮的磨损不影响计量**度。另外,根据力学关系分析,主动轮对从动轮的驱动,驱动力由驱动轮传递,两个腰轮之间无明显摩擦,所以腰轮磨损极微小,这一特点使得腰轮流量计能长期保持较高的测量**度。

图3.32腰轮流量计工作原理

c.旋转活塞式流量计。旋转活塞式流量计工作原理如图3.33所示。其显著的特点是其*大、*小流量比相同口径的其他容积式流量计都小,如表3.7所示。主要用于各种工业炉窑燃油计量。由于结构关系,该原理仪表必须水平安装。投入使用前必须利用所设的排气螺塞进行排气,才能保证计量**度。

图3.33旋转活塞流量计工作原理

              表3.7  几种容积式流量计的允许流量值

 

通径/mm

流量/(L/h)

旋转活塞流量计

腰轮流量计

椭圆齿轮流量计

DN15

*大流量

250

2500

1800

*小流量

25

250

180

DN25

*大流量

1600

6000

6000

*小流量

160

600

600

 

d.弹性刮板式流量计。前面所述的几种容积式虽然具有较高的计量**度,但有一个共同的弱点,即要求流经流量计的介质相当清洁,介质中固体颗粒不得大于转子与壳体之间所存在的*小间隙,否则会造成流量计卡死或因磨损而误差显著增大。故要求在流量计上游安装过滤器,过滤网的目数必须根据所采用的流量计合理选择。但在杂质量较多的场合,过滤器极易堵塞,需进行频繁的清洗,使管线无法正常输液,例如未经处理的井口原油。

 弹性刮板流量计是一种结构独特的容积式流量计,其结构如图3.34所示。作为计量部件的转子和刮板与计量腔为弹性接触,刮板具有很大的回弹余地。所以,即使介质中含有较多杂质、固体粒度较大,也可正常工作,不会发生卡死和严重的磨损现象。与腰轮流量计相比,具有运行无脉动和噪声小的优点,但计量**度不如腰轮高,一   

 般做到±1%R;使用氟橡胶做弹性材料时,使用温度可达130℃。

图3.34弹性括板流量计工作原理1-壳体;2-嵌条;3-挡块;4-转子

    e.螺杆式流量计。螺杆式流量计也有称双螺旋流量计和双转子流量计,其典型结构如图3.35所示。它是由两个以径向螺旋线间隔套装的螺旋状转子组成,当液体从正方向流经转子时带动转子转动,转子与测量室壳体将流入的液体分割成已知体积的“液

块"并排出,液体流量与转子的转数成正比。

螺杆式流量计的另一种结构如图3.36所示,其核心是一对螺旋回转子。

  螺杆式流量计具有椭圆齿轮、腰轮流量计等的高**度的优点,但消除了椭圆齿轮、腰轮流量计等所固有的流量脉动和噪声大的缺点。

图3.35螺杆式流量计工作原理

图3.36双螺旋回转子螺杆流量计工作原理

  由于特殊设计的螺旋转子,使得转子转矩一定,等速回转,等流量,无脉动,无噪声。

 由于一对转子排量大,所以,相同流量上限的仪表,螺杆式流量计∶1。但当液体黏度很高(>100mPa·s)时,因流量上限受仪表两端压差制约,范围度有一定程度下降。

 表3.8所示为典型的螺杆式流量计测量范围[11]

表3.8  双螺旋流量计的量程范围(液体黏度≤100mPa·s)

 

型号

口径/mm

*小流量/(m3/h)

*大流量/(m3/h)

型号

口径/mm

*小流量/(m3/h)

*大流量/m3/h

PHD-15

PHD-25

PHD-40

38.1

63.5

101.6

0.0249

0.1134

0.3408

11.4

34.8

102.18

PHD-60

PHD-100

PHD-120

152.4

254.0

304.8

0.906

2.952

4.542

306.6

908.4

1249.08

 

③涡轮流量计的使用。涡轮流量计在石油成品流量测量中应用得很广,这主要是因为石油本身是良好的润滑剂,在流量测量过程中能对轴和轴承进行良好的润滑,有利于仪表的长期可靠运转。轴和轴承经特殊设计的涡轮流量计甚至在难度较高的液化石油气流量测量中,也能获得成功应用。

a.优点

·**度高,对于液体,国内产品能做到±(0.2~0.5)%R,国外产品有的可达到±0.15%R。

·重复性好,短期重复性可达0.05%,如经常校准,可得到非常高的准确度,在定量发料、定量装桶操作中都能获得理想效果。

·输出脉冲频率信号,在与批量控制仪、流量显示表连接进行信号处理中,可基本做到不增加误差。

·范围度较宽,*大和*小流量比可达6∶1~10∶1,中大口径甚至可达40∶1。

·惯性小、响应快,时间常数为1~50ms,变化速率较低的脉动流量,引入的误差可忽略[21]

·结构简单、紧凑、轻巧、安装维护方便,流通能力大。如果发生故障,不影响管道内液体的输送。

·耐高压,可用于高压流体的测量。

·耐腐蚀,传感器采用耐腐蚀材料制造,能耐一般腐蚀性介质腐蚀。

b.缺点

·涡轮轴承与轴之间的摩擦导致磨损,使仪表准确度发生变化,所以用于贸易结算的表计须定期校准。现在有的产品采用宝石轴承和镍基碳化钨轴,使耐磨性得到根本改进,准确度可保持3~4年不变。

·一般涡轮流量计不适用于高黏度流体,随着黏度的增大,流量计测量下限值提高,范围度缩小,线性度变差。

·对流体的洁净程度要求较高,流量计前加装过滤器,滤网目数与仪表口径有关,小口径目数多些,大口径目数少些。

c.仪表**度与其范围度有关。这一点同容积式流量计相似。仪表的误差随相对流量变化的典型曲线如图3.37所示,即在20%~30%FS处,仪表出现误差的“高峰",其原因人们尚在讨论之中[19],在实际应用中,要避开误差大的区间才能获得高的**度,因而引起范围度的缩小。在批量发料和定量装桶操作中,仪表运行在非常狭小的流量范围内,这时能得到极高的准确度。

d.仪表**度与黏度的关系。对于同一台涡轮流量计,当所测流体的黏度变化时,其测量精

图3.37涡轮流量计特性

确度和范围度都会有明显的变化。黏度升高,范围度缩小,误差向负方向移动,如图3.38所示。因此,黏度和温度都较高的场合,不宜使用涡轮流量计。

图3.38流体黏度的影响

1-水(1 -6m2/s);2-煤油(2 10-6m2/s);2-重油(25 10-6m2/s)

  e.材料的热膨胀引入误差的修正。当实际使用流体温度同校准时有很大差别时,就需

    按下式对仪表常数进行修正。

   Kt=K0 (3.70)  

  式中 K0——校准时的仪表常数,P/L;

Kt——使用时的仪表常数,P/L;

t0——校准时的流体温度,℃;

t——使用时的流体温度,℃;

      R——叶轮材料的温度膨胀系数,℃-1

     H——壳体材料的温度膨胀系数,℃-1

f.防止产生气穴。流体流过涡轮流量计总是有一定的压力损失,如果被测流体为易汽化的液体或干脆就处于气液平衡状态,则在流量计叶轮处很容易出现液体的部分汽化,并在叶轮的出口侧产生气穴。由于液体汽化时体积膨胀,导致仪表示值显著偏高。遇到这种情况,应设法使流量传感器出口端压力高于式(3.71)计算的*低压力。

                Pmin=2                        3.71

式中 pmin——*低压力,Pa;

     * p——传感器*大流量时压力损失,Pa;

p0——被测液体*高使用温度时饱和蒸汽压,Pa;

g.能测量双向流的涡轮流量计。这种流量计至少有两个信号检测器,流量显示仪表同这两个检测器配合能鉴别信号的相应,从而对流向作出判断。仪表分别累积“正"向流量总量、“逆"向流量总量,并计算“正"“逆"向总量之差,*后予以显示。瞬时流量显示不仅有数值,而且有代表流动方向的符号。

④差压式流量计。前文所述的容积式流量计、涡轮流量计主要是因**度高,在油品计量中获得广泛应用,但寿命和可靠性不尽人意,尤其是转子式容积流量计安全性不高,因此在过程控制油品流量测量中,因**度要求不高,首先满足可靠性,常优先选择差压流量计。例如石油炼制过程中的额油品流量测量,各种工业炉窑、锅炉等燃油流量测量。

差压式流量计在油品流量测量中的应用同在水流量测量中的差异主要是黏度和冷却后易堵两个问题,有些牌号的油品黏度较高,为了不使流量测量下限被抬高,常常选用喷嘴节流装置。原油、重油、渣油等被加热后才能在管道中正常输送的流体,为了防止因冷却而堵塞引压管线,常采用冲洗油隔离和干脆取消引压管线而采用带隔离膜片的法兰式差压变送器直接装在取压口上。有些测量对象,流体中杂质含量较高,标准节流装置易因固形物沉积和对锐缘的磨损而失准,常采用楔形节流[22],如图3.39所示。图中的冲洗油经恒节流孔对取压口连同短管进行连续冲洗,高低压管冲洗流量近似相等,对仪表零点的影响可用忽略。这一措施一方面可防止粘稠物堵塞取压管,另一方面在流体温度很高时,可用降低与差压变送器测量头接触的流体温度。

图3.39 带冲洗楔形流量计示意

  ⑤ 超声流量计。近几年来,超声流量计技术已发展得相当成熟,价格也在降低,其突出的优势和应用领域主要体现在以下方面。

流量换能器可不与被测被测介质直接接触,流体的高压、含有较多杂质以及易凝固、易结晶等恶劣条件都不对流量测量构成威胁。近几年来,超声流量计应用于重油、燃油流量测量的实例逐渐多起来。

  夹装式超声流量计虽然**度不高,但安装方便,常用于流量监视和过程控制,尤其适合无停车机会的场合。还常用来作其他流量计的对手段,即在怀疑已经装设的液体流量计失准时,将其夹装在相应的管段,同被校表进行比对。这一用途在本书第6章中作了先容。

  近几年有的企业推出的多声道超声流量计**度达到±0.5%R。有的适用于气体,有的适用于清洁的液体,可用于贸易交接。

图3.40多普勒法超声流量计原理

  在超声流量计应用中,以下几方面需正确处理。

a.正确选型。超声流量计按工作原理分有传播时间法和多普勒(效应)法。前一方法已在第3.2.3节作了扼要先容,而多普勒(效应)法是利用声学多普勒原理确定流体流量的。多普勒效应是当声源和目标之间有相对运动时,会引起声波在频率上的变化,这种频率变化正比于运动的目标和静止的换能器之间的相对速度。图3.40所示是多普勒流量计示意,超声换能器安装在管外,超声换能器A向流体发出频率为fA的连续超声波,经照射域内液体中散射体悬浮颗粒或气泡散射,散射的超声波产生多普勒频移fd接收换能器B收到频率为fB的超声波,其值为

fB=fA                 3.72

式中 v——散射体运动速度,m/s;

c——超声波在静止流体中的传播速度,m/s;

* ——声道角。

多普勒频移fD正比于散射体流动速度,即

                                      (3.73)

移项整理得

                                                 (3.74)

 在液体流量测量中,传播时间法超声流量计适用于洁净流体的流量测量,而多普勒超声流量计适用于固相含量较多或含有气泡的液体。

超声流量计的**度差异很大。在传播时间法超声流量计中,大管径的带测量管的多声道流量计,**度较高,基本误差一般可达到±(0.5~1)%R,也有高达±0.15%R,夹装式可达到±(1~3)%R。而多普勒超声流量计,一般可达到±(3~10)%FS,但当固体粒子含量基本不变时,可达±(0.5~3)%FS。

b.黏度对仪表示值的影响。式(3.74)所示的流体流速其实只是换能器声道上的流体平均流速,而人们要测量的是整个流通截面上的平均流速,由于整个截面上流速分布的不均匀,由式(3.74)测得的流速v计算平均流速时还得进行流速分布系数修正,此系数是流体雷诺数的函数。图3.41示出此修正系数同雷诺数的关系。从图中可用看出,流体在从层流向紊流过渡的区间修正系数K存在明显的突变[23],这对仪表示值影响较大,而且带有一定的随机性,因为当被测流体为黏度较高的油品时,黏度随温度有大幅度的变化,很难准确计算流体的雷诺数以进行恰到好处的修正。所以在流速较低、ReD<5000时,流量测量**度难以提高,具体应用时应尽量避开这一段。

图3.41流速分布修正系数与ReD的关系

  对于黏度较低的液体,这个问题却不用担心,例如常温条件下的水在DN150管道中流动,ReD=5000所对应的流速低于0.05m/s,在流速如此的条件下,超声流量计**度指标原本就定得很低,所以用户不会计较。

 c.注意换能器得耐温等级。换能器得耐温等级一般有低、中、高温三种,其中高温换能器适用的流体温度可达210℃,当被测流体为重油、渣油时,由于流体温度较高,换能器连同耦合剂都应选高温型。

⑥ 科氏力质量流量计

 a.工作原理。科里奥利质量流量计(Coriolis massflowmeter)简称科氏力质量流量计,它是基于下述原理工作的。

  当一个位于一旋转体内的质点作向心或背离旋转中心的运动时,将产生一惯性力,如图3.42所示。当质量为 m的质点以匀速v在一个围绕固定点P并以角速度 旋转的管道T内移动时,这个质量将获得两个加速度分量:其一是轴向加速度ar(向心加速度),其量值等于 2,方向朝向P;其二是横向加速度at(科里奥利加速度),其量值等于2 ,方向如图3.42所示,与ar垂直。

为了使质点具有科里奥利加速秐"">的方向施加一个大小等于2 的力,这个力来自管道,反向作用于管道上的反作用就是科里奥利力Fc=2

从图3.42可看出,当密度为 的流体以恒定流速v沿图中所示的旋转管道流动时,任何一段长度为 x的管道都将受到一个大小为 Fc的横向科里奥利力:

                         

图3.42科里奥利力

Fc=2                (3.75)

式中  A--管道的内截面积。

由于质量流量 qm可表示为

                                      (3.76)

因此                                            (3.77)

   由此可以看出,通过(直接或间接)测量在旋转管道中流动的流体施加的科氏力就能测得质量流量。

b.优点。科氏力质量流量计投入工业应用之后,尽管售价高,但仍以其不可替代的许多优点取代部分容积式流量计、速度式流量计、差压式流量计等,稳定地占领市场。其优点主要如下。

·直接测量质量流量,有很高的测量**度。

·可测量流体范围广泛,包括高黏度流体、液固两相流体、含有微量气体的液气两相流体以及密度足够高的中高压气体。

·上、下游管路引起的旋涡流和非均匀流速分布对仪表性能无影响,通常不要求配置专门长度的直管段。

·流体黏度变化对测量值影响不显著,流体密度变化对测量值影响也极微小。

·有多路输出,可同时分别输出瞬时质量流量或体积流量、流体密度、流体温度等信号。还带有若干开关量输入输出口,某些型号仪表能实现批量操作。

·有双向流量测量功能。

c.缺点

·零点稳定性差,影响其**度的进一步提高。

·不能用于测量密度较低的介质,如低压气体。

·液体中含气量稍高一些就会使测量误差显著增大。

·对外界振动干扰较为敏感。

·不能用于较大管径,目前只能做到DN150~DN300。

·测量管内壁磨损、腐蚀、沉积结垢会影响测量**度。

·压力损失大,尤其是测量饱和蒸气压较高的液体时,压损很易导致液体汽化,出现气穴,导致误差增大甚至无法测量。

d.测量管结构特点。各个制造商所设计的科氏力质量流量计的测量管形状各不相同,可分成两类,即弯曲形和直形,设计成弯曲形是为了降低刚度,因而可比直形管管壁取得厚一些,仪表性能受磨蚀、腐蚀影响减小,但易积存气体和残渣,引起附加误差。此外,弯形管组成的传感器总量和体积都比直形管大。

直形管不易积存气体,也便于清洗。垂直安装时,流体中的固体颗粒不易沉积在管壁上。传感器尺寸小,总量轻,但刚度大,管壁相对较薄,测量值受磨蚀。腐蚀影响大。

测量管段数又有单管和双管之分。其中单管型易受外界振动干扰影响;双管型可降低外界振动干扰影响,容易实现相应的测量。

e.传感器的安装。传感器应确保安装在管道中充满被测流体的位置上,并应尽量消除或减少流体中的固体颗粒在测量管内壁沉积,否则仪表的测量性能将下降。为了做到这两点,对于使用*多的直形管和U形管,应满足表3.9所列的要求。

表3.9 测量管为直管及U形管的传感器安装方式指南

被测介质水平安装垂直安装(旗式)洁净的液体 带有少量气体的液体气体 浆液(含有固体颗粒)可用采用。U形管的传感器箱体在下可用采用。U形管的传感器箱体在下 可用采用。U形管的传感器箱体在上 可用采用。U形管的传感器箱体在上可用采用。流向为自下而上通过传感器可用采用。流向为自下而上通过传感器 可用采用。流向为自上而下通过传感器可用采用。流向为自上而下通过传感器科氏力质量流量计的原理和结构都决定了外界振动对它会造成影响,因此流量传感器的安装场所应尽量远离大功率泵、电机等振动干扰源。

 在传感器与管道的连接中,做到“无应力“是至关重要的,这对减小整机零点漂移起决定性作用。所谓“无应力"是指要力求避免或减少因安装因素造成的应力,为此,传感器的安装应采用坚固的支架,支架支撑的部位如图3.43和图3.44所示。在相连接的管道振动无法避免时,传感器与管道之间应采用挠性连接或通过膨胀节减小振动。

图3.43流量传感器在水平管道上的安装

1-传感器;2、3、4-阀门;5、6-支架

图3.44流量计“旗式"安装                       图3.45静压被抵消的配管

1、2、3、4-阀门;5-传感器;6、7-支架

传感器如需串联(或并联)使用,不但传感器之间要保持适当的距离。而且串联(或并联)传感器之间的工艺管道上应安装牢固的支架,因为传感器之间的工艺管道能将每一个传感器测量管的振动在传感器之间作不同程度的传送,从而产生一定的相互干扰,这些干扰振动会造成流量计零点不稳定,并对流量计的调整造成困难。在这种场合,也可要求制造厂错开两传感器的振动频率。

图3.45所示的配管方法,虽然流量计出口管也有2m的高度但因此管道升高后又降低,静压被抵消,所以背压仍无保证。。 

图3.46所示的配管方法也是容易犯的错误。由于出口端无液 封,空气易从出口窜入管道,并逐渐上升,不仅流量计背压保证不了,而且管道内不能保证充满液体。所以仪表往往无法正常工作。

图3.46流量计和节流孔安装位置示意

1-储液槽;2-传感器;3-节流孔;4-截止阀;5-计量槽

流量计的使用必须满足背压要求。在测量液化的气体或热溶剂,以及有析出气体趋向的介质时,为防止气蚀的产生,必须保证安装在管道中的传感器有足够的背压。背压是指传感器下游端口处流体的压力,一般常在距传感器下游端口3L(L为传感器长度)之内的管道处测量。*小背压指标为p≥A ,式中, p为流量计压损;p0为*高工作温度下介质的饱和蒸气压;A、 B为系数,视流量传感器的结构及介质的性质而定,一般由实验得出。目标是避免管路系统中任何一处的压力不低于管内液体的饱和蒸气压,以防液体汽化。

   直管型流量计,其测量管刚度大,谐振频率高,由于上述的各种

原因,当背压不足时,对测量管的振动稳定性会造成一定影响。实验表明,零流量时,流量测量管内至少要保持0.02MPa表压的静压力。要做到这一点,将传感器装在上升管的较低

部位,而且传感器下游上升管道的高度应不低于2m(视介质密度而定),如图3.47所示。

图3.47确保背压的配管方法

1-传感器;2、3、4-阀门;5、6-支架

零漂的检查于调整零点不稳定性对仪表输出引入系统误差。仪表零点应在初次安装或安装有所改变后进行调整,有些仪表的零点要在工作温度、压力和密度下调整。对振动管弹性温度补偿的不当可导致零点偏移误差。在仪表运行的**个月内建议每周检查一次零点,如零点变化小,可减少检查次数。

f.仪表的开箱检查。配备流量标准装置的单位是极个别的,因此,科氏力质量流量计开箱后多采用简易的方法判别其是否正常。例如,将传感器一端用盲板封住,另一端朝上,注满水,通电后检查变送器输出,其密度示值应接近水的密度值,流量示值应接近零。打开下端盲板,让测量管中水逐渐流出,密度显示值应下降。

g.测量**度与范围度。大部分制造商以“量程误差加零点不稳定度"的方式表达基本误差,这是因为这种仪表零点稳定性较差。这种表达方式初看上去**度很高,但计入零点不稳定度后,**度并不怎么高。

沪公网安备 31011402005152号

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