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管道内流动液体的流量测试方法及其发展趋势
发布时间:2021-10-13 08:30:28

摘要:利用高强度钢管进行一定压力和速度的流体输送广泛应用于石油化I、机械装备、航空航天、汽车、兵器装备、发电与核电装备船舶、冶金等多个领域,这些领域均需要对管道内-定压力和速度的液体进行流量高性能、高精度测试。为此,本文分析了目前管道内流动液体的流量测试的不同方法的基本原理、技术优缺点、应用范围,进-步探讨了管道内流动液体的流量测试发展趋势。
  管道运输已经成为五大运输体系之一,管道内不止可以运输水、气、油等液体物质,也可以运输固体物质。中国的油气长输管道里程数仅次于美国及俄罗斯,但是占比仅为美国的五分之一,为解决澳门威尼斯所有网站国油气管网基建规模落后、管道间互联互通程度较低的问题,澳门威尼斯所有网站国将成立国家油气管网公司对国内油气管网进行统筹规划。.
  在油气生产过程中,流量计作为原油输送计量系统的核心装置,其测量的精度将直接影响澳门威尼斯所有网站国成品油的经济效益。本文在分析各种流量计基础原理的基础上,对不同流量计的优缺点进行了对比分析,并展望了原油流量计未来的发展趋势。
1.原油流量计的工作原理及特点
  在原油集输系统中,采油井场、分井计量站与转接站主要起到完成对油田生产的原油、天然气等混合物进行收集、计量、以及输往集中处理站进行处理的作用,所以原油流量计的选择是否合理将严重影响原油生产的经济效益。
1.1孔板流量计
 
  如图1所示为孔板流量计原理图,该流量计属于差压式流量计,工作时,充满管道的原油流经管道内的节流件后会在节流件附近造成局部收缩,流速增加,从而在其上、下游两侧产生静压力差四。节流件两侧产生的静压力差即就是孔板前后流体的压力变化可通过U型管压差计内指示液的高度变化R来反应,再根据高度差R即可推算出流量,如式(1)所示。此外,也可通过安装差压变送器测量得到节流件两侧的压差,进而推算出流量。
 
式中:qv一待测流体流量,m³/s;co一孔流系数,一般选用0.6~0.7;Ao一孔口截面积,m²;ρi一U型管内指示液的密度,kg/m³;ρ一待测流体的密度,kg/m³;R一U型管高度差读数,m。
  孔板流量计的优点是:结构简单、安装方便、价格低廉、应用范围广泛,在澳门威尼斯所有网站国早期的成品油长输管道中应用较多。但该流量计存在以下缺点:①测量精度普遍偏低;②因需经过节流装置导致流体能量损失较大,故不适宜在流量变化较大的成品油长输管道中使用;③自动化程度低,对安装现场施工条件要求较高,且易受人为主观因素的影响,所以该流量计无法满足当前原油计量高精度、高效率的要求图。
1.2浮子流量计.
  如图2所示为浮子流量计,主要包括锥形管、浮子以及刻度(显示等零部件回。工作时,当流体自下.而.上经锥形管时,在转子上下之间产生压差,转子在此差压作用下,上升。当此上升的力、浮子所受的浮力及粘性升力与浮子的重力相等时,浮子处于平衡位置。因此,流经浮子流量计的流体流量与浮子上升高度,即与浮子流量计的流通面积之间存在着一定的比例关系,浮子的位置高度可作为流量量度。
 
  浮子流量计主要被用来测量单相非脉动液体或气体的流量,也可用于腐蚀性流体的测量,具有压力损失小、性能可靠、价格便宜、结构简单,且便于安装等优势。但是存在测量精度普遍偏低的缺点,此外,测量结果容易受到被测介质密度、粘度、温度和压力等因素的影响。
1.3涡轮流量计
  如图3所示为涡轮流量计结构示意图,该流量计属于速度式流量计,主要包括感应线圈、涡轮叶片、倒流架导流叶片、管道壳体等部件。
 
  工作时,当原油流经涡轮流量计管道壳体内部时,油液会冲击涡轮叶片,从而促使涡轮进行旋转,且在一.定的条件下,涡轮叶片转速与原油流速成正比"。此外,涡轮叶片具有导磁性,处于信号检测器磁场中时,旋转的叶片切割磁力线,促使线圈两端感应出电脉冲信号,对电脉冲信号进行处理即可获得流经涡轮计量器的原油的瞬时流量或总量。在一定的流量范围内,脉冲频率
f与流经涡轮计量器的原油的瞬时流量Q成正比,其流量方程如下:
 
  式中:f-脉冲频率,Hz;K一涡轮计量计的仪表系数,由产品性能决定;Q一原油的瞬时流量,m/h。
  涡轮流量计的优点:①测量精度高;②无零点漂移,抗干扰能力强;③适用于洁净气体与粘度较低的洁净流体。但是该流量计必须远离外界电场、磁场,必要时还需要采取有效的屏蔽措施,以避免外界干扰。当然,也存在以下缺点:①测量准确性不能长期保持,需要定期校准;②对于流体物性具有依赖性。
1.4容积式流量计
 
  容积式流量计属排量式流量计,其主要采用机械检测元件将原油连续不断分割成单个已知体积部分,再根据计量室逐次、重复充满和排放该体积部分流体的次数来测量流体体积总量F。作为典型的容积式流量计,椭圆齿轮式流量计(如图4所示)的测量部分主要由两个相互啮合的椭圆形齿轮、轴以及壳体等组成。其测量原理为:当被测原油经管道进入流量计时,由于进口处产生的压力差推动椭圆齿轮连续旋转,椭圆齿轮每旋转一-周,就有一定数量的原油流过该流量计,所以只需获得椭圆齿轮的转数,就能推算出被测原油流量的总量,其流量计算公式如下:
V=NU(3)
  式中:V一原油体积,m³;N一确定时间内椭圆齿轮转数,r;U一椭圆齿轮旋转--周排出原油体积,m³/r。
  容积式流量计具有以下优点:①测量精度高;②对安装管道条件要求低;③测量范围宽、且可用于高粘度原油。但存在以下缺点:①转子存在被原油中杂质卡住的风险,所以需要加装过滤器;②结构复杂、体积庞大;③不适用于高、低温场合;④易产生噪声及振动等。所以,如果在油、水混输,且含有泥沙杂质的原油长输管道上采用容积式流量计,将会给现场带来较大的工作量,且会提高运维成本。
1.5超声波流量计
 
  超声波流量计是通过检测流体流动对超声脉冲的作用来测量流量的一种非接触式流量计。图5所示为采用时差法测量原理的超声波流量计,当超声波在成品油长输管道中传输时,探头A与探头B分别检测接收对方发射的超声波脉冲,由于顺流方向声波传播速度大于逆流方向声波传播速度,则相同传播距离下就会得到不同的传播时间,利用传播时间之差即可计算原油的流速与流量,计算公式如下:
 
  式中:Q一原油的流量,m³/s;ts一超声波顺流传播时间,s;tn一超声波逆流传播时间,s;L一超声波在传感器之间的声道长度,m;D-管道内径,m;θ一管轴线与传感器声道之前的夹角,°;K一速度分布剖面的修正系数。
  超声波流量计的优点吗:①可以实现非接触式测量,对原有管道不需要进行任何加工就可以进行测量;②应用范围广,可以测量水、气或油等多种液体的流量;③测量精度不会受到被测原油流体粘度及电导率的影响;④高性价比,尤其是对大管径流量的测量成本较低;⑤其机械结构相对简单,可维护性好。⑥流量监测过程中不存在压损和能量损失,在节能方面优势明显。但是常规超声波计量计用于测量粘稠介质时存在信号衰减、漂移以及精确度下降的问题,且测量精确度会受到被检测原油清洁度的影响。
2原油集输用流量计发展趋势分析
  孔板流量计与浮子流量计具有结构简单、价格低廉、便于安装等优势,所以在澳门威尼斯所有网站国早期的成品油长输管道中被广泛应用,但是这两种流量传感器存在测量精度普遍偏低的缺点,已经逐渐被淘汰。
  涡轮流量计与容积式流量计都具有测量精度高的优势,但前者存在测量准确性不能长期保持、需要定期校准的缺点。尽管后者对安装管道条件要求低、且可用于高粘度原油计量,但其转子存在被原油中杂质卡住的风险,不适用于油、水混输,且含有泥沙杂质的原油长输管道工况。目前这两种流量传感器在原油集输管道领域的应用己处于普及阶段,但其价格竞争日益激烈、导致利润空间日益减小,所以这两种传感器都面临着严峻的挑战。
  超声波流量计最大的优势是可实现非接触式测量,机械结构简单,可维护性好,此外,由于该流量计是利用电气原理工作,所以避免了孔板流量计、浮子流量计、涡轮流量计以及容积式流量计等传统机械流量计工作中需要更换运动部件的问题。尽管常规超声波流量计也存在其不足之处,例如,其测量精确度会受到被检测原油清洁度的影响。但是,超声波流量计的“非接触式测量”、“体积小”及“成本低”等显著优势使其具有广泛的应用前景。
  今后原油集输用流量计将朝着以下几个方面快.速发展:①全面传感检测智能化。一方面,可以在流量计系统中安装微处理芯片实现通讯功能,从而能够更好地与油田生产基地的控制中心实现实时通信。另一方面,通过添加相关的传感器以实现对原油流体密度、组分及热能等的测量,最终实现流量计的傻瓜化和智能化。②决策优化传递快速化。可以将自诊断、自修正等相关智能控制算法引入流量计系统,使得流量计不再仅是传统的计量工具,还能够实现系统维护的目的,具有更准确的计量精度,对于不同粘度原油介质的适应性和成品油输送复杂环境的适应性得到改善和提高。③安装执行可靠简单化。随着科技发展,流量计的机械结构越来越简单,逐渐减少或取消运动部件,并采用高精度、高性能的传感器和电子元器件,使得流量计的执行可靠性越来越好,且自动化程度越来越高。
3结论
(1)孔板流量计与浮子流量计虽然结构简单、价格低廉,但是存在测量精度普遍偏低的缺点,已经逐渐被淘汰:涡轮流量计与容积式流量计都具有测量精度高的优势,在原油集输管道领域的应用已处于普及阶段,但其价格竞争日益激烈、导致利润空间日.益减小,所以面临严峻的挑战。
(2)超声波流量计的“非接触式测量”、“体积小”及“成本低”等显著优势使其具有广泛的应用前景。此外,未来原油集输用流量计将朝着全面传感检测智能化、决策优化传递快速化以及安装执行可靠简单化三个方面快速发展。

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