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            管道內流動液體的流量測試方法及其發展趨勢
            發布時間:2021-10-13 08:30:28

            摘要:利用高強度鋼管進行一定壓力和速度的流體輸送廣泛應用于石油化I、機械裝備、航空航天、汽車、兵器裝備、發電與核電裝備船舶、冶金等多個領域,這些領域均需要對管道內-定壓力和速度的液體進行流量高性能、高精度測試。為此,本文分析了目前管道內流動液體的流量測試的不同方法的基本原理、技術優缺點、應用范圍,進-步探討了管道內流動液體的流量測試發展趨勢。
              管道運輸已經成為五大運輸體系之一,管道內不止可以運輸水、氣、油等液體物質,也可以運輸固體物質。中國的油氣長輸管道里程數僅次于美國及俄羅斯,但是占比僅為美國的五分之一,為解決我國油氣管網基建規模落后、管道間互聯互通程度較低的問題,我國將成立國家油氣管網公司對國內油氣管網進行統籌規劃。.
              在油氣生產過程中,流量計作為原油輸送計量系統的核心裝置,其測量的精度將直接影響我國成品油的經濟效益。本文在分析各種流量計基礎原理的基礎上,對不同流量計的優缺點進行了對比分析,并展望了原油流量計未來的發展趨勢。
            1.原油流量計的工作原理及特點
              在原油集輸系統中,采油井場、分井計量站與轉接站主要起到完成對油田生產的原油、天然氣等混合物進行收集、計量、以及輸往集中處理站進行處理的作用,所以原油流量計的選擇是否合理將嚴重影響原油生產的經濟效益。
            1.1孔板流量計
             
              如圖1所示為孔板流量計原理圖,該流量計屬于差壓式流量計,工作時,充滿管道的原油流經管道內的節流件后會在節流件附近造成局部收縮,流速增加,從而在其上、下游兩側產生靜壓力差四。節流件兩側產生的靜壓力差即就是孔板前后流體的壓力變化可通過U型管壓差計內指示液的高度變化R來反應,再根據高度差R即可推算出流量,如式(1)所示。此外,也可通過安裝差壓變送器測量得到節流件兩側的壓差,進而推算出流量。
             
            式中:qv一待測流體流量,m³/s;co一孔流系數,一般選用0.6~0.7;Ao一孔口截面積,m²;ρi一U型管內指示液的密度,kg/m³;ρ一待測流體的密度,kg/m³;R一U型管高度差讀數,m。
              孔板流量計的優點是:結構簡單、安裝方便、價格低廉、應用范圍廣泛,在我國早期的成品油長輸管道中應用較多。但該流量計存在以下缺點:①測量精度普遍偏低;②因需經過節流裝置導致流體能量損失較大,故不適宜在流量變化較大的成品油長輸管道中使用;③自動化程度低,對安裝現場施工條件要求較高,且易受人為主觀因素的影響,所以該流量計無法滿足當前原油計量高精度、高效率的要求圖。
            1.2浮子流量計.
              如圖2所示為浮子流量計,主要包括錐形管、浮子以及刻度(顯示等零部件回。工作時,當流體自下.而.上經錐形管時,在轉子上下之間產生壓差,轉子在此差壓作用下,上升。當此上升的力、浮子所受的浮力及粘性升力與浮子的重力相等時,浮子處于平衡位置。因此,流經浮子流量計的流體流量與浮子上升高度,即與浮子流量計的流通面積之間存在著一定的比例關系,浮子的位置高度可作為流量量度。
             
              浮子流量計主要被用來測量單相非脈動液體或氣體的流量,也可用于腐蝕性流體的測量,具有壓力損失小、性能可靠、價格便宜、結構簡單,且便于安裝等優勢。但是存在測量精度普遍偏低的缺點,此外,測量結果容易受到被測介質密度、粘度、溫度和壓力等因素的影響。
            1.3渦輪流量計
              如圖3所示為渦輪流量計結構示意圖,該流量計屬于速度式流量計,主要包括感應線圈、渦輪葉片、倒流架導流葉片、管道殼體等部件。
             
              工作時,當原油流經渦輪流量計管道殼體內部時,油液會沖擊渦輪葉片,從而促使渦輪進行旋轉,且在一.定的條件下,渦輪葉片轉速與原油流速成正比"。此外,渦輪葉片具有導磁性,處于信號檢測器磁場中時,旋轉的葉片切割磁力線,促使線圈兩端感應出電脈沖信號,對電脈沖信號進行處理即可獲得流經渦輪計量器的原油的瞬時流量或總量。在一定的流量范圍內,脈沖頻率
            f與流經渦輪計量器的原油的瞬時流量Q成正比,其流量方程如下:
             
              式中:f-脈沖頻率,Hz;K一渦輪計量計的儀表系數,由產品性能決定;Q一原油的瞬時流量,m/h。
              渦輪流量計的優點:①測量精度高;②無零點漂移,抗干擾能力強;③適用于潔凈氣體與粘度較低的潔凈流體。但是該流量計必須遠離外界電場、磁場,必要時還需要采取有效的屏蔽措施,以避免外界干擾。當然,也存在以下缺點:①測量準確性不能長期保持,需要定期校準;②對于流體物性具有依賴性。
            1.4容積式流量計
             
              容積式流量計屬排量式流量計,其主要采用機械檢測元件將原油連續不斷分割成單個已知體積部分,再根據計量室逐次、重復充滿和排放該體積部分流體的次數來測量流體體積總量F。作為典型的容積式流量計,橢圓齒輪式流量計(如圖4所示)的測量部分主要由兩個相互嚙合的橢圓形齒輪、軸以及殼體等組成。其測量原理為:當被測原油經管道進入流量計時,由于進口處產生的壓力差推動橢圓齒輪連續旋轉,橢圓齒輪每旋轉一-周,就有一定數量的原油流過該流量計,所以只需獲得橢圓齒輪的轉數,就能推算出被測原油流量的總量,其流量計算公式如下:
            V=NU(3)
              式中:V一原油體積,m³;N一確定時間內橢圓齒輪轉數,r;U一橢圓齒輪旋轉--周排出原油體積,m³/r。
              容積式流量計具有以下優點:①測量精度高;②對安裝管道條件要求低;③測量范圍寬、且可用于高粘度原油。但存在以下缺點:①轉子存在被原油中雜質卡住的風險,所以需要加裝過濾器;②結構復雜、體積龐大;③不適用于高、低溫場合;④易產生噪聲及振動等。所以,如果在油、水混輸,且含有泥沙雜質的原油長輸管道上采用容積式流量計,將會給現場帶來較大的工作量,且會提高運維成本。
            1.5超聲波流量計
             
              超聲波流量計是通過檢測流體流動對超聲脈沖的作用來測量流量的一種非接觸式流量計。圖5所示為采用時差法測量原理的超聲波流量計,當超聲波在成品油長輸管道中傳輸時,探頭A與探頭B分別檢測接收對方發射的超聲波脈沖,由于順流方向聲波傳播速度大于逆流方向聲波傳播速度,則相同傳播距離下就會得到不同的傳播時間,利用傳播時間之差即可計算原油的流速與流量,計算公式如下:
             
              式中:Q一原油的流量,m³/s;ts一超聲波順流傳播時間,s;tn一超聲波逆流傳播時間,s;L一超聲波在傳感器之間的聲道長度,m;D-管道內徑,m;θ一管軸線與傳感器聲道之前的夾角,°;K一速度分布剖面的修正系數。
              超聲波流量計的優點嗎:①可以實現非接觸式測量,對原有管道不需要進行任何加工就可以進行測量;②應用范圍廣,可以測量水、氣或油等多種液體的流量;③測量精度不會受到被測原油流體粘度及電導率的影響;④高性價比,尤其是對大管徑流量的測量成本較低;⑤其機械結構相對簡單,可維護性好。⑥流量監測過程中不存在壓損和能量損失,在節能方面優勢明顯。但是常規超聲波計量計用于測量粘稠介質時存在信號衰減、漂移以及精確度下降的問題,且測量精確度會受到被檢測原油清潔度的影響。
            2原油集輸用流量計發展趨勢分析
              孔板流量計與浮子流量計具有結構簡單、價格低廉、便于安裝等優勢,所以在我國早期的成品油長輸管道中被廣泛應用,但是這兩種流量傳感器存在測量精度普遍偏低的缺點,已經逐漸被淘汰。
              渦輪流量計與容積式流量計都具有測量精度高的優勢,但前者存在測量準確性不能長期保持、需要定期校準的缺點。盡管后者對安裝管道條件要求低、且可用于高粘度原油計量,但其轉子存在被原油中雜質卡住的風險,不適用于油、水混輸,且含有泥沙雜質的原油長輸管道工況。目前這兩種流量傳感器在原油集輸管道領域的應用己處于普及階段,但其價格競爭日益激烈、導致利潤空間日益減小,所以這兩種傳感器都面臨著嚴峻的挑戰。
              超聲波流量計最大的優勢是可實現非接觸式測量,機械結構簡單,可維護性好,此外,由于該流量計是利用電氣原理工作,所以避免了孔板流量計、浮子流量計、渦輪流量計以及容積式流量計等傳統機械流量計工作中需要更換運動部件的問題。盡管常規超聲波流量計也存在其不足之處,例如,其測量精確度會受到被檢測原油清潔度的影響。但是,超聲波流量計的“非接觸式測量”、“體積小”及“成本低”等顯著優勢使其具有廣泛的應用前景。
              今后原油集輸用流量計將朝著以下幾個方面快.速發展:①全面傳感檢測智能化。一方面,可以在流量計系統中安裝微處理芯片實現通訊功能,從而能夠更好地與油田生產基地的控制中心實現實時通信。另一方面,通過添加相關的傳感器以實現對原油流體密度、組分及熱能等的測量,最終實現流量計的傻瓜化和智能化。②決策優化傳遞快速化?梢詫⒆栽\斷、自修正等相關智能控制算法引入流量計系統,使得流量計不再僅是傳統的計量工具,還能夠實現系統維護的目的,具有更準確的計量精度,對于不同粘度原油介質的適應性和成品油輸送復雜環境的適應性得到改善和提高。③安裝執行可靠簡單化。隨著科技發展,流量計的機械結構越來越簡單,逐漸減少或取消運動部件,并采用高精度、高性能的傳感器和電子元器件,使得流量計的執行可靠性越來越好,且自動化程度越來越高。
            3結論
            (1)孔板流量計與浮子流量計雖然結構簡單、價格低廉,但是存在測量精度普遍偏低的缺點,已經逐漸被淘汰:渦輪流量計與容積式流量計都具有測量精度高的優勢,在原油集輸管道領域的應用已處于普及階段,但其價格競爭日益激烈、導致利潤空間日.益減小,所以面臨嚴峻的挑戰。
            (2)超聲波流量計的“非接觸式測量”、“體積小”及“成本低”等顯著優勢使其具有廣泛的應用前景。此外,未來原油集輸用流量計將朝著全面傳感檢測智能化、決策優化傳遞快速化以及安裝執行可靠簡單化三個方面快速發展。

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