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槽道流量计的理论与应用 |
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作者： 邹伟 寇建萍 吴琦 胡海燕 孙青竹 |
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摘 要： 在能源日益紧张的今天，对流量计的另一个要求是减小流量计本身产生的能量损失。在有些情况下，过高的压力损失还会使设备无法工作。电磁流量计、超声波流量计在管道中没有节流装置，理论上没有任何损失。然而，在实践中为了减小流量计上下游直管段，在管道中安置了流动调节器，目的是使管内流动尽快达到标准管流，以保证准确的测量。槽道流量计正是在这样的背景下产生的。
由于流量计跨学科的特点，在流量计的研发中，一个共同的认识是，许多流量计(包括孔板)在标准装置中标定时可以获得理想的结果，而在实际应用中，由于管线上存在拐弯、阀门、泵等装置，实际性能水平往往会受到很大影响。发生这种情况的主要原因是被测量的流动无法达到标准装置中的流动状态。要想获得标准的管流，必须在流量计的上游安排(10~20)D的直管段，同时要在下游安排一定长度的直管段。为此，新的流量计研发要解决的重要问题是如何在非标准的流动中能够准确测量流量。所谓非标准的流动是相对充分发展的管流的偏离。
在能源日益紧张的今天，对流量计的另一个要求是减小流量计本身产生的能量损失。在有些情况下，过高的压力损失还会使设备无法工作。电磁流量计、超声波流量计在管道中没有节流装置，理论上没有任何损失。然而，在实践中为了减小流量计上下游直管段，在管道中安置了流动调节器，目的是使管内流动尽快达到标准管流，以保证准确的测量。槽道流量计正是在这样的背景下产生的。
一、槽道流量计的原理和特点
在流量测量领域，随着现代电子技术的迅猛发展，二次仪表技术已经达到了很高的水平。然而，对管道流动流体力学特性的研究和应用并未引起人们的充分注意，仍然停留在比较初级的水平，越来越成为流量测量技术进步的瓶颈。对于任何流量计来说，获得准确的流量的基础是在流量计的上游获得标准的管流，而这一点在实际使用中难以做到，从而无法获得准确的计量。
南京航空航天大学明晓教授从流体力学的源头出发，以流动控制的观点来解决问题。他提出了一种有着优秀流体力学特性的节流装置。该节流装置将管流迅速调整为环形槽道流动，以获得十分稳定的差压，该节流装置的流量计被命名为槽道流量计。他们对槽道流量计进行了大量的理论分析、数值模拟和实验研究，理论上证实了该流量计是迄今为止综合性能最优的差压式流量计。目前，槽道流量计已获得国家专利。
1.工作原理
如图1所示，槽道流量计的节流件——纺锤体，沿测量管中心轴线安装。其几何形状根据流体力学原理精心设计，并采用基因算法进行优化，呈完美的流线型，理论上能完全避免流动分离和漩涡的产生，对流体的阻力达到最小。纺锤体中部适当位置有一等直径段，与测量管的内壁之间形成均匀的环形通道。槽道流量计的高压取自纺锤体头部对应的测量管壁处，低压取自环形槽道的中后部。
在纺锤体处，测量管的流通面积变小。管道中截面积大的地方流体流速低、压力高，截面积小的地方流速高、压力低。高压管所在位置的流通面积大、压力高，低压管所在位置的流通面积小、压力低。另外，流体具有黏性，与壁面摩擦造成流体总压沿流向下降。这两方面的作用使得高压孔与低压孔之间产生一个差压，而这个差压与流量存在某种确定的对应关系。因此，通过测量差压就可以计算出流量。槽道流量计的测量准确度很大程度上只受限于差压变送器和流量积算仪的准确度。
图2 槽道流量计测量原理和测量过程
图2形象地表示了槽道流量计的测量原理和测量过程。
2.槽道流量计的性能特点
(1)测量准确度高，重复性好
槽道流量计将各种实际流动迅速调整为标准的槽道流动，取压点压力非常稳定；节流装置内整个流场没有分离发生，不会产生附加的压力波动。以水为介质时，测量准确度可优于0.2%，重复性优于0.1%，各检定点的示值误差如表1所示。表1 各检定点的示值误差
 （2)无直管段要求
节流件纺锤体的强大整流作用，使得槽道流量计摆脱了前后直管段的限制，适用范围大为拓宽，安装成本大为降低。
槽道流量计测量过程中，被测流体在接近纺锤体头部的时候，其速度分布即开始受到调整；随着流体流过纺锤体头部，其速度分布受调整的力度不断加大；当流体进入环形槽道以后，其速度分布开始被“标准化”；在环形槽道的中后部，即可形成环形槽道流动，如图3所示。
图3 纺锤体的整流效果
流场的压力分布与速度分布有着必然的联系。随着速度分布的“标准化”，压力分布也被“标准化”。在环形槽道区域，压力顺轴线方向线性下降，非常稳定，几乎不存在任何脉动。
(3) 流量系数长期不变，节流装置寿命长
节流件纺锤体呈完美的流线型，不易磨损，使得槽道流量计标定出厂后，流量系数即可终身使用，无须重复标定。节流装置的结构非常牢固，抗载荷、抗冲击，寿命几乎与管道寿命相同。
(4)量程比宽
槽道流量计的压力信号非常稳定，信噪比相当高，测量液体时其单表量程比可大于10∶1，特殊要求还可以扩展。
(5)永久性压力损失小
流体顺滑地流过节流件，全流场无流动分离发生，所以节流装置对流体的阻力仅为摩擦阻力。当流体流过纺锤体后大部分压力得到恢复，如图4所示。因此在获得大的差压的同时，压力损失可比孔板流量计的小得多，如图5所示。
图4 压力与位移的关系
图5 孔板流量计与槽道流量计的比较
(6)适用于高温、高压、腐蚀性和脏污流体
槽道流量计的工作温度和压力取决于管道和法兰的材料和等级，抗腐蚀性能取决于节流装置的材料和流体接触面处理，均可根据实际要求选择相应的槽道流量计型号。
节流件纺锤体的流线型设计，使节流装置得以“自清洗”，无滞留区，有效避免脏物堆积。因此，槽道流量计适用于多种脏污流体。
二、槽道流量计用于天然气计量的现场应用
1.槽道流量计与孔板流量计的比对试验
把DN100孔板流量计与DN100槽道流量计进行串联安装，通过记录仪表每天的显示数据，比较孔板流量计与槽道流量计显示数据的差别。安装试验地点为胜利油田河口采油厂天然气外输站，计量用途为埕东油田天然气外输量，计量介质是天然气，压力：Pmax=0.2MPa，Pmin=0.1MPa，P常用=0.15MPa；温度：tmax=65℃，tmin=12℃，t常用=40℃；天然气相对密度ρ=0.7365，流量Qmax=900m3/h，Qmin=500m3/h，安装示意图如图6所示。
图6 槽道流量计与孔板流量计比对试验安装图
两者的比对数据如图7所示(更换孔板后)。
图7 槽道流量计与孔板流量计的比对曲线
从试验数据可以看出，槽道流量计与孔板流量计连续10天计量的累计天然气量的综合相对误差为-1.4%。所以，孔板流量计与槽道流量计计量结果比较接近，从计量性能看槽道流量计可等同于孔板流量计使用，前直管段长度可以降低到5D。
2.槽道流量计与涡轮流量计的比对试验
把DN50槽道流量计与DN50涡轮流量计串联安装在油田现场，记录两台流量计显示的数据，计算两台流量计之间的误差，比较它们之间的差别。安装试验地点为胜利油田河口采油厂渤一站，计量用途为卡炉天然气消耗计量，计量介质是天然气，压力：Pmax=0.2MPa，Pmin=0.05MPa，P常用=0.16MPa；温度：tmax=50℃，tmin=3℃，t常用=15℃；天然气相对密度ρ=0.7637，流量Qmax=90m3/h，Qmin=200m3/h，安装示意图如图8所示。
图8 槽道流量计与涡轮流量计比对试验安装图
两者的比对数据如图9所示(天然气密度修正后)。从试验数据可以看出，槽道流量计与涡轮流量计连续10天计量的累计天然气量的综合相对误差为-0.5%。所以，槽道流量计与涡轮流量计计量结果基本一致，特别最后4天计量结果一致，槽道流量计可等同于涡轮流量计使用，前直管段长度可以降低到5D。 
图9 槽道流量计与涡轮流量计的比对曲线
3.槽道流量计长距离串联比对试验
胜利油田桩西采油厂52配气站与增压站进行4000m长距离串联数据比对试验，试验自2006年10月12日开始，历经4个月的时间，10月12日~10月31号之间试验数据如图10所示。
图10 槽道流量计长距离比对试验曲线
从试验数据可以看出，连续20天计量的累计天然气量两台槽道流量计相对误差为0.74%。从历经4个月的试验过程，可以看出槽道流量计性能稳定，故障率低。
三、结论
试验表明，该流量计具有自整流的功能，可以大大缩短传统差压流量计所必需的上下游较长的直管段，直管段可以降低到5D，在现场应用中得到了验证。通过槽道流量计与孔板流量计串联比较，槽道流量计与涡轮流量计串联比较，计量结果比较接近，因此，槽道流量计的计量性能可以等同于孔板流量计和涡轮流量计使用。从近4个月的现场使用情况可以看出，槽道流量计具有以下特点：性能稳定、故障率低、抗干扰强、准确度高、量程范围宽等特点。
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(12/26/2012) |
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