流量計:蒸汽流量計|污水流量計|明渠式流量計|電磁流量計|靶式流量計|渦街|渦輪|流量積算儀

精信測器

 

3.3.2 石油流量的測量

(1) 石油流量測量的特點  石油是國民經濟的血液,一年數億噸的石油在采集、輸送、儲存、加工及分配等各個環節,需要用大量的流量測量儀表,由于石油在各個不同環節所表現出來的特性差別很大,計量數據用途也有不同,所以儀表選型、使用等也有很大差異。

與其他液體計量相比,石油流量測量有下列主要特點。

①石油品種較多,不同品種之間差異較大。

a.中低黏度石油產品如煤油、柴油、黏度不高,溫度不高,流體潔凈,對測量無苛刻的要求。

b.高黏度油品如原油、重油、渣油等,黏度較高,為了便于輸送,往往被加熱到較高溫度。流體中含有固態雜質,流量測量前須嚴格過濾。

c.低黏度油品如汽油、液化石油氣,黏度很低。

② 計量精確度要求高。用于貿易結算的油品計量,必須達到規定的精確度,以保證供需雙方的利益。GB/T17167規定,分廠(車間)和重點用能設備能耗考核用汽油、柴油、原油計量應達到0.5%R精確度;進出企業結算用汽油、柴油、原油計量應達到0.35%R精確度,而在大宗油品計量中,計量精確度的要求更高,意義更大。例如經原油交接計量站計量的原油,一個站每年約為數百萬噸,千分之一的誤差就將引起每年100萬元的結算差額。

③ 應考慮在線實流校準。用于石油計量的流量計,一般口徑較大,拆下送檢極不方便,一般應有實流校準設施或留有連接標準表的接口,以便進行在線實流校準。

④質量流量測量。大多數情況下以質量流量結算。

⑤流體易燃易爆。

(2)儀表的選型和使用

①容積式儀表的使用。容積式流量計在石油產品的計量方面有悠久史的使用歷史,石油行業積累了豐富的經驗,其中ISO2714:1980《液態烴——用除計量泵以外的定排量(容積式)儀表系統的體積測量》就包含了很多實踐經驗[17]。容積式流量計在石油計量中具有獨特的優勢,關鍵原因是流體本身的潤滑作用,使這種儀表能長期、穩定運行。而且精確度高,范圍度較大(一般可達10∶1)。

石油計量用的容積式流量計常用的有橢圓齒輪式、腰輪式、螺桿式、旋轉活塞式、刮板式等多種,不同的種類其口徑、范圍和適用的流體黏度也不同。

容積式流量計選型和使用中應注意如下幾點。

a.精確度與流量范圍度有關。同一臺儀表如果額定精確度等級較高,只能在較低的范圍度內得到,如果想得到較大的范圍度則必須要降低精確度等級。例如,各類轉子式液體儀表范圍度為5∶1時,基本誤差為±0.2%R;范圍度為10∶1時,則降為±0.5%R。表3.6是不同口徑0.2級腰輪流量計在不同油品條件下應用能獲得的流量范圍。

    表3.6  腰輪流量計測量范圍(精確度:±0.2%,流量單位:m3/h)

             ot;">通用流體

      ot;">使用   黏度/

容量形式  ot;">條件      mPa·s

石油類

汽油

煤油

輕油

A重油

B重油

C重油

0.5~

2~

5~

10~

50~

150~

35

25

間斷

1.5~3.4

1~3.4

0.5~4

0.5~4

0.15~4

0.08~4

最高

4

4

4.5

4.5

4.5

4.5

38

25

40

間斷

2~6

1.5~6

0.7~6.5

0.4~6.5

0.2~6.5

0.1~6.5

最高

7

7

8

8

8

8

41

40

50

間斷

3~12.5

2.6~12.5

1.5~14

0.6~14

0.4~14

0.2~14

最高

15

15

17

17

17

17

45

50

間斷

8~34

5~34

3~38

2~38

1~38

0.5~40

最高

40

40

45

45

45

45

47

80

間斷

12~46

8~46

6~50

4~50

2~50

1~50

最高

55

55

60

60

60

60

51

80

100

間斷

25~110

20~110

15~115

10~115

5~115

3~115

最高

130

130

140

140

140

140

52

100

150

間斷

40~135

30~135

18~145

13~145

7~145

4~145

最高

160

160

175

175

175

175

54

100

150

間斷

45~165

40~165

20~180

15~180

8~180

5~180

最高

200

200

220

220

220

220

57

200

間斷

50~280

40~280

30~310

20~310

12~310

10~310

最高

310

310

350

350

350

350

59

250

間斷

90~400

50~400

40~450

30~450

20~450

12~450

最高

450

450

500

500

500

500

保證精確度的范圍度

1:2.5

13.6

15

注:1.連續——可連續工作8h以上的流量范圍。

    2.間斷——僅能工作8h以內的流量范圍。

    3.最高——只能瞬時工作(不保證精確度)的最大流量。

b.流體黏度對測量誤差有一定影響。與渦輪流量計等其他流量計相比,黏度影響較小,此外,還與許多其他流量計隨黏度增大而誤差增大不同,黏度增大因間隙間泄露減小而性能改善。圖3.27所示是液體黏度對一臺腰輪流量計基本誤差的影響。

圖3.27腰輪流量計不同黏度誤差特性例

  從圖中可看出,在0.8~11mPa·s黏度范圍內,黏度影響較大,黏度從5.65mPa·s下降到0.8mPa·s,誤差負向增大約0.5%;在11~51mPa·s時,黏度對儀表誤差仍有明顯影響;黏度大于51mPa·s時,黏度對誤差影響已不明顯[6]。上述只是實驗一例,間隙不同,黏度影響程度也不同。由此可見,精確度要求越高的測量,越要注意黏度帶來的誤差影響。

對于0.2級精確度容積式流量計,測量過程中黏度不能有很大變化,才能保證精確度。

圖3.27所示的是流體黏度在一個范圍較廣的范圍內變化時被試儀表所表現出來的誤差,而在實際應用中,一個具體的測量對象其流體黏度變化范圍是比較窄的,用戶在訂貨的時候要向制造廠提供具體黏度數據,制造廠對產品校準時,設法將常用黏度條件下的誤差校正到最小。

容積式流量計校準時的液體黏度與實際使用的液體黏度應盡量接近,但往往做不到這一點,因為一套標準裝置要為各方面的用戶服務,要用來校準多種類型的流量計。此時可用兩種黏度上下相鄰的液體校準,再按下式用線性內插方法求得誤差。

      E=E2+(E1-E2)                        (3.69)

式中 E——實測液體黏度的誤差,%;

     E2——分別為用比實測液體黏度大、小的液體校準的誤差,%;

    * ——實測液體的黏度,mPa·s。

             * 1、 * 2——分別為比實測液體黏度大、小的液體黏度,mPa·s。

c.不同型式的儀表適用黏度范圍有較大差異。用于油品測量的容積流量計常用的有橢圓齒輪式、腰輪式、螺桿式、刮板式、旋轉活塞式等。其中螺桿式對高黏度流體的適應性最佳。

d.流體溫度對測量誤差的影響。容積式流量計的測量誤差同儀表計量室容積和間隙大小密切相關。流體溫度升高時,計量室容積增大轉動部件每轉一周,通過儀表的液體量相應增大。例如橢圓齒輪流量計計量室和齒輪均為鑄鋼時,測量值變化+0.36%/10℃[18];均為鑄鐵時,

測量值變化+0.33%/10℃;計量室為鑄鐵,齒輪為鑄鋁時,則為+0.14%/10℃ [6]。

  e.壓力損失及黏度對壓力損失的影響。容積式流量計是由流體能量來推動測量元件,因此帶來相當高的壓力損失。此壓力損失 要比同樣口徑和流量的渦輪式或其他有阻礙流量計大。液體用儀表在最大流量時黏度為1~5mPa·s,液體的壓力損失在20~100kPa之間。若黏度增加,壓力損失隨著增加。圖3.28所示為橢圓齒輪流量計在不同黏度液體下流量-壓力損失曲線[6],從中可以看到在相同流量下,黏度增加造成壓損增加的程度。

圖3.28橢圓齒輪流量計壓力損失與黏度關系例

壓力損失 p與流量q之間的關系可用 表示(其中k為系數,n為指數)。黏度在5mPa·s以下時n=2,在500mPa·s以上時n=1;在兩者之間時,n=1.9~1.1。

f.間隙對壓力損失的影響。在轉子式容積流量計中,轉子同殼體之間的間隙直接影響。在轉式容積流量計中,轉子同殼體之間的間隙直接影響壓力損失。在測量高黏度介質時,有時采用加大轉子與殼體之間間隙的方法,以減小由黏性而引起的剪切力,降低壓力損失。圖3.29所示為同一種黏度、同一口徑、不同間隙的腰輪流量計的 曲線[19]。

g.用于測量液化石油氣時需特殊處理。液化石油氣(LPG)槽車發送,加油站加液常用容積式流量計(如螺桿式)計量。石油氣的組成以丁烷為主,常處于氣液平衡狀態,環境溫度變化引起LPG溫度相應變化,從而使得其壓力相應變化,夏季壓力常高于2MPa,此壓力還受其組成影響。LPG的密度較小,介于0.51~0.58/cm3之間,是其組成、溫度和壓力的函數。

圖3.29間隙同壓力損失關系(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,僅為0.10~0.17mPa·s[6]。用水(黏度約1mPa·s)校準的容積式流量計用于測量LPG,僅黏度影響就可能帶來-0.5%左右示值偏差和最小流量值升高;此外,還有潤滑性差帶來的影響。為了改善這種影響,儀表必須有外加潤滑劑的潤滑系統。

由于LPG處于氣液平衡狀態,故壓縮系數較大,壓力升高體積壓縮達(0.44~0.73)%/MPa,常用適當的方法予以補償。

LPG系統在任何時候即使停止運行,儀表、泵等也須充滿液體,盡量避免空管或半空。因為未充滿時液體蒸發,在儀表等器件表面析出沉積物,沉積垢屑磨損儀表,縮短使用壽命。

h.預防轉子卡死。轉子式容積流量計,轉子一旦卡死,液體就無法通過,因此在設計、操作和維護時都應注意,預防轉子卡死。

在設計階段應考慮在儀表前加裝過濾器,如果液體中固體較多,可分多級過濾,前級濾網目數少,后級濾網目數逐級增多。在維護時應注意過濾器的定期排放清理。如果沒有停車排放的機會,可并聯設置過濾器,用閥門切換輪換清理。

儀表投運時應謹慎操作,切換速度不能太快,防止熱沖擊隊機械部件的損傷。還應防止因操作不慎引起流量計兩端過大的壓差,導致儀表損傷。正常的操作順序應是先打開旁通閥(如圖3.30所示),沖走管道內可能存在的焊渣、鐵銹等,然后緩慢開啟上游切斷閥,讓儀表溫度緩慢升高(如果流體是經預熱的),待溫度平衡后,緩慢開大下游切斷閥,最后徐徐關閉旁通閥,并主義觀察流量示值,不讓流量超過上限值太多。

對于鍋爐等設備燃油計量用的容積式流量計,為了防止斷油帶來嚴重后果,往往采用兩路供油,并分別測其流量,也可采用兩臺流量計并聯使用。

用蒸汽沖洗管道時,禁止蒸汽通過流量計。

圖3.30管道連接圖

  i.容積式流量計的缺點。容積式流量計的缺點除了上面所述轉子易卡而影響通液之外,主要還有下面幾點。

•·結構復雜,體積大,笨重,尤其是口徑較大時,體積龐大,故一般只適用于中小口徑。

·由于高溫條件下零件熱膨脹、變形,低溫條件下材料變脆等問題,容積式流量計不適用于高低溫場合,流體溫度范圍只能達到-30~160,壓力最高10MPa。

·隊流體潔凈程度要求高,當含有顆粒等各種固形物時,流量計上游須裝數目足夠多的過濾器,并要經常清理,維護工作量大。

·轉動部分長期運轉,引起機械磨損,一般都導致計量誤差增大。

·部分型式容積流量計(如橢圓齒輪式、腰輪式、旋轉活塞式)在測量過程中會引起流動脈動,較大口徑儀表噪聲較大,甚至使管道產生振動。

①     不同類型容積式儀表的特點

a.橢圓齒輪流量計。安裝在計量腔內的一對相互嚙合的橢圓齒輪,在流體的作用下交替相互驅動,各自繞軸旋轉。齒輪與殼體之間有一新月形計量室,齒輪每轉一周就排出4份固定的容積,因此由齒輪的轉動次數就可計出流體流過的總量。其原理如圖3.31所示。

圖3.31橢圓齒輪流量計工作原理

橢圓齒輪流量計對流體的清潔度要求較高,如果被測介質過濾不清,齒輪很容易被固體異物卡死而停止測量。其另一不足之處是齒輪既作計量之用又作驅動之用,使用日久齒輪磨損后,齒輪與殼體之間所構成的新月形計量室容積相應增大;齒輪與殼體之間的間隙也相應增大(導致泄露增大)。這兩個因素都使得儀表示值偏低。在儀表超負荷運行時,磨損加速,上述情況變得更加嚴重。

  對于高黏度液體,儀表的活動測量元件符合增加。橢圓齒輪流量計為了減少液體在齒隙間擠壓負荷,有時在齒輪上開若干溝槽御荷(≥150mPa·s時),大于500mP·s時,則采用缺齒的橢圓齒輪。

b.腰輪流量計。在腰輪流量計中,由腰輪同殼體所組成的計量室和腰輪轉數實現計量,其原理如圖3.32所示。

  由于同計量精確度密切相關的是腰輪,而驅動由專門的驅動齒輪擔任,因此,驅動齒輪的磨損不影響計量精確度。另外,根據力學關系分析,主動輪對從動輪的驅動,驅動力由驅動輪傳遞,兩個腰輪之間無明顯摩擦,所以腰輪磨損極微小,這一特點使得腰輪流量計能長期保持較高的測量精確度。

圖3.32腰輪流量計工作原理

c.旋轉活塞式流量計。旋轉活塞式流量計工作原理如圖3.33所示。其顯著的特點是其最大、最小流量比相同口徑的其他容積式流量計都小,如表3.7所示。主要用于各種工業爐窯燃油計量。由于結構關系,該原理儀表必須水平安裝。投入使用前必須利用所設的排氣螺塞進行排氣,才能保證計量精確度。

圖3.33旋轉活塞流量計工作原理

               表3.7  幾種容積式流量計的允許流量值

通徑/mm

流量/(L/h)

旋轉活塞流量計

腰輪流量計

橢圓齒輪流量計

DN15

最大流量

250

2500

1800

最小流量

25

250

180

DN25

最大流量

1600

6000

6000

最小流量

160

600

600

d.彈性刮板式流量計。前面所述的幾種容積式雖然具有較高的計量精確度,但有一個共同的弱點,即要求流經流量計的介質相當清潔,介質中固體顆粒不得大于轉子與殼體之間所存在的最小間隙,否則會造成流量計卡死或因磨損而誤差顯著增大。故要求在流量計上游安裝過濾器,過濾網的目數必須根據所采用的流量計合理選擇。但在雜質量較多的場合,過濾器極易堵塞,需進行頻繁的清洗,使管線無法正常輸液,例如未經處理的井口原油。

  彈性刮板流量計是一種結構獨特的容積式流量計,其結構如圖3.34所示。作為計量部件的轉子和刮板與計量腔為彈性接觸,刮板具有很大的回彈余地。所以,即使介質中含有較多雜質、固體粒度較大,也可正常工作,不會發生卡死和嚴重的磨損現象。與腰輪流量計 相比,具有運行無脈動和噪聲小的優點,但計量精確度不如腰輪高,一   

 般做到±1%R;使用氟橡膠做彈性材料時,使用溫度可達130℃。

圖3.34彈性括板流量計工作原理1-殼體;2-嵌條;3-擋塊;4-轉子

     e.螺桿式流量計。螺桿式流量計也有稱雙螺旋流量計和雙轉子流量計,其典型結構如圖3.35所示。它是由兩個以徑向螺旋線間隔套裝的螺旋狀轉子組成,當液體從正方向流經轉子時帶動轉子轉動,轉子與測量室殼體將流入的液體分割成已知體積的“液

塊”并排出,液體流量與轉子的轉數成正比。

螺桿式流量計的另一種結構如圖3.36所示,其核心是一對螺旋回轉子。

   螺桿式流量計具有橢圓齒輪、腰輪流量計等的高精確度的優點,但消除了橢圓齒輪、腰輪流量計等所固有的流量脈動和噪聲大的缺點。

圖3.35螺桿式流量計工作原理

圖3.36雙螺旋回轉子螺桿流量計工作原理

  由于特殊設計的螺旋轉子,使得轉子轉矩一定,等速回轉,等流量,無脈動,無噪聲。

  由于一對轉子排量大,所以,相同流量上限的儀表,螺桿式流量計∶1。但當液體黏度很高(>100mPa·s)時,因流量上限受儀表兩端壓差制約,范圍度有一定程度下降。

 表3.8所示為典型的螺桿式流量計測量范圍[11]。

表3.8  雙螺旋流量計的量程范圍(液體黏度≤100mPa·s)

型號

口徑/mm

最小流量/(m3/h)

最大流量/(m3/h)

型號

口徑/mm

最小流量/(m3/h)

最大流量/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 渦輪流量計的使用。渦輪流量計在石油成品流量測量中應用得很廣,這主要是因為石油本身是良好的潤滑劑,在流量測量過程中能對軸和軸承進行良好的潤滑,有利于儀表的長期可靠運轉。軸和軸承經特殊設計的渦輪流量計甚至在難度較高的液化石油氣流量測量中,也能獲得成功應用。

a.優點

·精確度高,對于液體,國內產品能做到±(0.2~0.5)%R,國外產品有的可達到±0.15%R。

·重復性好,短期重復性可達0.05%,如經常校準,可得到非常高的準確度,在定量發料、定量裝桶操作中都能獲得理想效果。

·輸出脈沖頻率信號,在與批量控制儀、流量顯示表連接進行信號處理中,可基本做到不增加誤差。

·范圍度較寬,最大和最小流量比可達6∶1~10∶1,中大口徑甚至可達40∶1。

·慣性小、響應快,時間常數為1~50ms,變化速率較低的脈動流量,引入的誤差可忽略[21]。

·結構簡單、緊湊、輕巧、安裝維護方便,流通能力大。如果發生故障,不影響管道內液體的輸送。

·耐高壓,可用于高壓流體的測量。

·耐腐蝕,傳感器采用耐腐蝕材料制造,能耐一般腐蝕性介質腐蝕。

b.缺點

·渦輪軸承與軸之間的摩擦導致磨損,使儀表準確度發生變化,所以用于貿易結算的表計須定期校準,F在有的產品采用寶石軸承和鎳基碳化鎢軸,使耐磨性得到根本改進,準確度可保持3~4年不變。

·一般渦輪流量計不適用于高黏度流體,隨著黏度的增大,流量計測量下限值提高,范圍度縮小,線性度變差。

·對流體的潔凈程度要求較高,流量計前加裝過濾器,濾網目數與儀表口徑有關,小口徑目數多些,大口徑目數少些。

c.儀表精確度與其范圍度有關。這一點同容積式流量計相似。儀表的誤差隨相對流量變化的典型曲線如圖3.37所示,即在20%~30%FS處,儀表出現誤差的“高峰”,其原因人們尚在討論之中[19],在實際應用中,要避開誤差大的區間才能獲得高的精確度,因而引起范圍度的縮小。在批量發料和定量裝桶操作中,儀表運行在非常狹小的流量范圍內,這時能得到極高的準確度。

d.儀表精確度與黏度的關系。對于同一臺渦輪流量計,當所測流體的黏度變化時,其測量精

圖3.37渦輪流量計特性

確度和范圍度都會有明顯的變化。黏度升高,范圍度縮小,誤差向負方向移動,如圖3.38所示。因此,黏度和溫度都較高的場合,不宜使用渦輪流量計。

圖3.38流體黏度的影響

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

  e.材料的熱膨脹引入誤差的修正。當實際使用流體溫度同校準時有很大差別時,就需

    按下式對儀表常數進行修正。

   Kt=K0 (3.70)  

  式中 K0——校準時的儀表常數,P/L;

Kt——使用時的儀表常數,P/L;

t0——校準時的流體溫度,℃;

t——使用時的流體溫度,℃;

      R——葉輪材料的溫度膨脹系數,℃-1。

     H——殼體材料的溫度膨脹系數,℃-1。

f. 防止產生氣穴。流體流過渦輪流量計總是有一定的壓力損失,如果被測流體為易汽化的液體或干脆就處于氣液平衡狀態,則在流量計葉輪處很容易出現液體的部分汽化,并在葉輪的出口側產生氣穴。由于液體汽化時體積膨脹,導致儀表示值顯著偏高。遇到這種情況,應設法使流量傳感器出口端壓力高于式(3.71)計算的最低壓力。

                 Pmin=2                        (3.71)

式中 pmin——最低壓力,Pa;

     * p——傳感器最大流量時壓力損失,Pa;

p0——被測液體最高使用溫度時飽和蒸汽壓,Pa;

g.能測量雙向流的渦輪流量計。這種流量計至少有兩個信號檢測器,流量顯示儀表同這兩個檢測器配合能鑒別信號的相應,從而對流向作出判斷。儀表分別累積“正”向流量總量、“逆”向流量總量,并計算“正”“逆”向總量之差,最后予以顯示。瞬時流量顯示不僅有數值,而且有代表流動方向的符號。

④ 差壓式流量計。前文所述的容積式流量計、渦輪流量計主要是因精確度高,在油品計量中獲得廣泛應用,但壽命和可靠性不盡人意,尤其是轉子式容積流量計安全性不高,因此在過程控制油品流量測量中,因精確度要求不高,首先滿足可靠性,常優先選擇差壓流量計。例如石油煉制過程中的額油品流量測量,各種工業爐窯、鍋爐等燃油流量測量。

差壓式流量計在油品流量測量中的應用同在水流量測量中的差異主要是黏度和冷卻后易堵兩個問題,有些牌號的油品黏度較高,為了不使流量測量下限被抬高,常常選用噴嘴節流裝置。原油、重油、渣油等被加熱后才能在管道中正常輸送的流體,為了防止因冷卻而堵塞引壓管線,常采用沖洗油隔離和干脆取消引壓管線而采用帶隔離膜片的法蘭式差壓變送器直接裝在取壓口上。有些測量對象,流體中雜質含量較高,標準節流裝置易因固形物沉積和對銳緣的磨損而失準,常采用楔形節流[22],如圖3.39所示。圖中的沖洗油經恒節流孔對取壓口連同短管進行連續沖洗,高低壓管沖洗流量近似相等,對儀表零點的影響可用忽略。這一措施一方面可防止粘稠物堵塞取壓管,另一方面在流體溫度很高時,可用降低與差壓變送器測量頭接觸的流體溫度。

圖3.39 帶沖洗楔形流量計示意

  ⑤ 超聲流量計。近幾年來,超聲流量計技術已發展得相當成熟,價格也在降低,其突出的優勢和應用領域主要體現在以下方面。

流量換能器可不與被測被測介質直接接觸,流體的高壓、含有較多雜質以及易凝固、易結晶等惡劣條件都不對流量測量構成威脅。近幾年來,超聲流量計應用于重油、燃油流量測量的實例逐漸多起來。

   夾裝式超聲流量計雖然精確度不高,但安裝方便,常用于流量監視和過程控制,尤其適合無停車機會的場合。還常用來作其他流量計的對手段,即在懷疑已經裝設的液體流量計失準時,將其夾裝在相應的管段,同被校表進行比對。這一用途在本書第6章中作了介紹。

  近幾年有的公司推出的多聲道超聲流量計精確度達到±0.5%R。有的適用于氣體,有的適用于清潔的液體,可用于貿易交接。

圖3.40多普勒法超聲流量計原理

  在超聲流量計應用中,以下幾方面需正確處理。

a.正確選型。超聲流量計按工作原理分有傳播時間法和多普勒(效應)法。前一方法已在第3.2.3節作了扼要介紹,而多普勒(效應)法是利用聲學多普勒原理確定流體流量的。多普勒效應是當聲源和目標之間有相對運動時,會引起聲波在頻率上的變化,這種頻率變化正比于運動的目標和靜止的換能器之間的相對速度。圖3.40所示是多普勒流量計示意,超聲換能器安裝在管外,超聲換能器A向流體發出頻率為fA的連續超聲波,經照射域內液體中散射體懸浮顆;驓馀萆⑸,散射的超聲波產生多普勒頻移fd接收換能器B收到頻率為fB的超聲波,其值為

fB=fA                 (3.72)

式中 v——散射體運動速度,m/s;

c——超聲波在靜止流體中的傳播速度,m/s;

* ——聲道角。

多普勒頻移fD正比于散射體流動速度,即

                                      (3.73)

移項整理得

                                                 (3.74)

 在液體流量測量中,傳播時間法超聲流量計適用于潔凈流體的流量測量,而多普勒超聲流量計適用于固相含量較多或含有氣泡的液體。

超聲流量計的精確度差異很大。在傳播時間法超聲流量計中,大管徑的帶測量管的多聲道流量計,精確度較高,基本誤差一般可達到±(0.5~1)%R,也有高達±0.15%R,夾裝式可達到±(1~3)%R。而多普勒超聲流量計,一般可達到±(3~10)%FS,但當固體粒子含量基本不變時,可達±(0.5~3)%FS。

b.黏度對儀表示值的影響。式(3.74)所示的流體流速其實只是換能器聲道上的流體平均流速,而人們要測量的是整個流通截面上的平均流速,由于整個截面上流速分布的不均勻,由式(3.74)測得的流速v計算平均流速時還得進行流速分布系數修正,此系數是流體雷諾數的函數。圖3.41示出此修正系數同雷諾數的關系。從圖中可用看出,流體在從層流向紊流過渡的區間修正系數K存在明顯的突變[23],這對儀表示值影響較大,而且帶有一定的隨機性,因為當被測流體為黏度較高的油品時,黏度隨溫度有大幅度的變化,很難準確計算流體的雷諾數以進行恰到好處的修正。所以在流速較低、ReD<5000時,流量測量精確度難以提高,具體應用時應盡量避開這一段。

圖3.41流速分布修正系數與ReD的關系

   對于黏度較低的液體,這個問題卻不用擔心,例如常溫條件下的水在DN150管道中流動,ReD=5000所對應的流速低于0.05m/s,在流速如此的條件下,超聲流量計精確度指標原本就定得很低,所以用戶不會計較。

  c.注意換能器得耐溫等級。換能器得耐溫等級一般有低、中、高溫三種,其中高溫換能器適用的流體溫度可達210℃,當被測流體為重油、渣油時,由于流體溫度較高,換能器連同耦合劑都應選高溫型。

⑥ 科氏力質量流量計

 a.工作原理?评飱W利質量流量計(Coriolis mass flowmeter)簡稱科氏力質量流量計,它是基于下述原理工作的。

  當一個位于一旋轉體內的質點作向心或背離旋轉中心的運動時,將產生一慣性力,如圖3.42所示。當質量為 m的質點以勻速v在一個圍繞固定點P并以角速度 旋轉的管道T內移動時,這個質量將獲得兩個加速度分量:其一是軸向加速度ar(向心加速度),其量值等于 2,方向朝向P;其二是橫向加速度at(科里奧利加速度),其量值等于2 ,方向如圖3.42所示,與ar垂直。

為了使質點具有科里奧利加速秐"">的方向施加一個大小等于2 的力,這個力來自管道,反向作用于管道上的反作用就是科里奧利力Fc=2 。

從圖3.42可看出,當密度為 的流體以恒定流速v沿圖中所示的旋轉管道流動時,任何一段長度為 x的管道都將受到一個大小為 Fc的橫向科里奧利力:

                         

圖3.42科里奧利力

Fc=2                (3.75)

式中  A--管道的內截面積。

由于質量流量 qm可表示為

                                      (3.76)

因此                                            (3.77)

   由此可以看出,通過(直接或間接)測量在旋轉管道中流動的流體施加的科氏力就能測得質量流量。

b.優點?剖狭|量流量計投入工業應用之后,盡管售價高,但仍以其不可替代的許多優點取代部分容積式流量計、速度式流量計、差壓式流量計等,穩定地占領市場。其優點主要如下。

·直接測量質量流量,有很高的測量精確度。

·可測量流體范圍廣泛,包括高黏度流體、液固兩相流體、含有微量氣體的液氣兩相流體以及密度足夠高的中高壓氣體。

·上、下游管路引起的旋渦流和非均勻流速分布對儀表性能無影響,通常不要求配置專門長度的直管段。

·流體黏度變化對測量值影響不顯著,流體密度變化對測量值影響也極微小。

·有多路輸出,可同時分別輸出瞬時質量流量或體積流量、流體密度、流體溫度等信號。還帶有若干開關量輸入輸出口,某些型號儀表能實現批量操作。

·有雙向流量測量功能。

c.缺點

·零點穩定性差,影響其精確度的進一步提高。

·不能用于測量密度較低的介質,如低壓氣體。

·液體中含氣量稍高一些就會使測量誤差顯著增大。

·對外界振動干擾較為敏感。

·不能用于較大管徑,目前只能做到DN150~DN300。

·測量管內壁磨損、腐蝕、沉積結垢會影響測量精確度。

·壓力損失大,尤其是測量飽和蒸氣壓較高的液體時,壓損很易導致液體汽化,出現氣穴,導致誤差增大甚至無法測量。

d.測量管結構特點。各個制造商所設計的科氏力質量流量計的測量管形狀各不相同,可分成兩類,即彎曲形和直形,設計成彎曲形是為了降低剛度,因而可比直形管管壁取得厚一些,儀表性能受磨蝕、腐蝕影響減小,但易積存氣體和殘渣,引起附加誤差。此外,彎形管組成的傳感器總量和體積都比直形管大。

直形管不易積存氣體,也便于清洗。垂直安裝時,流體中的固體顆粒不易沉積在管壁上。傳感器尺寸小,總量輕,但剛度大,管壁相對較薄,測量值受磨蝕。腐蝕影響大。

測量管段數又有單管和雙管之分。其中單管型易受外界振動干擾影響;雙管型可降低外界振動干擾影響,容易實現相應的測量。

e.傳感器的安裝。傳感器應確保安裝在管道中充滿被測流體的位置上,并應盡量消除或減少流體中的固體顆粒在測量管內壁沉積,否則儀表的測量性能將下降。為了做到這兩點,對于使用最多的直形管和U形管,應滿足表3.9所列的要求。

表3.9 測量管為直管及U形管的傳感器安裝方式指南

被測介質水平安裝垂直安裝(旗式)潔凈的液體 帶有少量氣體的液體氣體 漿液(含有固體顆粒)可用采用。U形管的傳感器箱體在下 可用采用。U形管的傳感器箱體在下 可用采用。U形管的傳感器箱體在上 可用采用。U形管的傳感器箱體在上可用采用。流向為自下而上通過傳感器 可用采用。流向為自下而上通過傳感器 可用采用。流向為自上而下通過傳感器 可用采用。流向為自上而下通過傳感器科氏力質量流量計的原理和結構都決定了外界振動對它會造成影響,因此流量傳感器的安裝場所應盡量遠離大功率泵、電機等振動干擾源。

  在傳感器與管道的連接中,做到“無應力“是至關重要的,這對減小整機零點漂移起決定性作用。所謂“無應力”是指要力求避免或減少因安裝因素造成的應力,為此,傳感器的安裝應采用堅固的支架,支架支撐的部位如圖3.43和圖3.44所示。在相連接的管道振動無法避免時,傳感器與管道之間應采用撓性連接或通過膨脹節減小振動。

圖3.43流量傳感器在水平管道上的安裝

1-傳感器;2、3、4-閥門;5、6-支架

圖3.44流量計“旗式”安裝                        圖3.45靜壓被抵消的配管

1、2、3、4-閥門;5-傳感器;6、7-支架

傳感器如需串聯(或并聯)使用,不但傳感器之間要保持適當的距離。而且串聯(或并聯)傳感器之間的工藝管道上應安裝牢固的支架,因為傳感器之間的工藝管道能將每一個傳感器測量管的振動在傳感器之間作不同程度的傳送,從而產生一定的相互干擾,這些干擾振動會造成流量計零點不穩定,并對流量計的調整造成困難。在這種場合,也可要求制造廠錯開兩傳感器的振動頻率。

圖3.45所示的配管方法,雖然流量計出口管也有2m的高度但因此管道升高后又降低,靜壓被抵消,所以背壓仍無保證。。 

圖3.46所示的配管方法也是容易犯的錯誤。由于出口端無液  封,空氣易從出口竄入管道,并逐漸上升,不僅流量計背壓保證不了,而且管道內不能保證充滿液體。所以儀表往往無法正常工作。

圖3.46流量計和節流孔安裝位置示意

1-儲液槽;2-傳感器;3-節流孔;4-截止閥;5-計量槽

流量計的使用必須滿足背壓要求。在測量液化的氣體或熱溶劑,以及有析出氣體趨向的介質時,為防止氣蝕的產生,必須保證安裝在管道中的傳感器有足夠的背壓。背壓是指傳感器下游端口處流體的壓力,一般常在距傳感器下游端口3L(L為傳感器長度)之內的管道處測量。最小背壓指標為p≥A ,式中, p為流量計壓損;p0為最高工作溫度下介質的飽和蒸氣壓;A、 B為系數,視流量傳感器的結構及介質的性質而定,一般由實驗得出。目標是避免管路系統中任何一處的壓力不低于管內液體的飽和蒸氣壓,以防液體汽化。

   直管型流量計,其測量管剛度大,諧振頻率高,由于上述的各種

原因,當背壓不足時,對測量管的振動穩定性會造成一定影響。實驗表明,零流量時,流量測量管內至少要保持0.02MPa(表壓)的靜壓力。要做到這一點,將傳感器裝在上升管的較低

部位,而且傳感器下游上升管道的高度應不低于2m(視介質密度而定),如圖3.47所示。

圖3.47確保背壓的配管方法

1-傳感器;2、3、4-閥門;5、6-支架

零漂的檢查于調整零點不穩定性對儀表輸出引入系統誤差。儀表零點應在初次安裝或安裝有所改變后進行調整,有些儀表的零點要在工作溫度、壓力和密度下調整。對振動管彈性溫度補償的不當可導致零點偏移誤差。在儀表運行的第一個月內建議每周檢查一次零點,如零點變化小,可減少檢查次數。

f.儀表的開箱檢查。配備流量標準裝置的單位是極個別的,因此,科氏力質量流量計開箱后多采用簡易的方法判別其是否正常。例如,將傳感器一端用盲板封住,另一端朝上,注滿水,通電后檢查變送器輸出,其密度示值應接近水的密度值,流量示值應接近零。打開下端盲板,讓測量管中水逐漸流出,密度顯示值應下降。

g.測量精確度與范圍度。大部分制造商以“量程誤差加零點不穩定度”的方式表達基本誤差,這是因為這種儀表零點穩定性較差。這種表達方式初看上去精確度很高,但計入零點不穩定度后,精確度并不怎么高。

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