發布日期：2022-04-27 點擊率：102
摘 要： 在能源日益緊張的今天，對流量計的另一個要求是減小流量計本身產生的能量損失。在有些情況下，過高的壓力損失還會使設備無法工作。電磁流量計、超聲波流量計在管道中沒有節流裝置，理論上沒有任何損失。然而，在實踐中為了減小流量計上下游直管段，在管道中安置了流動調節器，目的是使管內流動盡快達到標準管流，以保證準確的測量。槽道流量計正是在這樣的背景下產生的。
由于流量計跨學科的特點，在流量計的研發中，一個共同的認識是，許多流量計(包括孔板)在標準裝置中標定時可以獲得理想的結果，而在實際應用中，由于管線上存在拐彎、閥門、泵等裝置，實際性能水平往往會受到很大影響。發生這種情況的主要原因是被測量的流動無法達到標準裝置中的流動狀態。要想獲得標準的管流，必須在流量計的上游安排(10~20)D的直管段，同時要在下游安排一定長度的直管段。為此，新的流量計研發要解決的重要問題是如何在非標準的流動中能夠準確測量流量。所謂非標準的流動是相對充分發展的管流的偏離。
在能源日益緊張的今天，對流量計的另一個要求是減小流量計本身產生的能量損失。在有些情況下，過高的壓力損失還會使設備無法工作。電磁流量計、超聲波流量計在管道中沒有節流裝置，理論上沒有任何損失。然而，在實踐中為了減小流量計上下游直管段，在管道中安置了流動調節器，目的是使管內流動盡快達到標準管流，以保證準確的測量。槽道流量計正是在這樣的背景下產生的。
一、槽道流量計的原理和特點
在流量測量領域，隨著現代電子技術的迅猛發展，二次儀表技術已經達到了很高的水平。然而，對管道流動流體力學特性的研究和應用并未引起人們的充分注意，仍然停留在比較初級的水平，越來越成為流量測量技術進步的瓶頸。對于任何流量計來說，獲得準確的流量的基礎是在流量計的上游獲得標準的管流，而這一點在實際使用中難以做到，從而無法獲得準確的計量。
南京航空航天大學明曉教授從流體力學的源頭出發，以流動控制的觀點來解決問題。他提出了一種有著優秀流體力學特性的節流裝置。該節流裝置將管流迅速調整為環形槽道流動，以獲得十分穩定的差壓，該節流裝置的流量計被命名為槽道流量計。他們對槽道流量計進行了大量的理論分析、數值模擬和實驗研究，理論上證實了該流量計是迄今為止綜合性能最優的差壓式流量計。目前，槽道流量計已獲得國家專利。
1.工作原理
如圖1所示，槽道流量計的節流件——紡錘體，沿測量管中心軸線安裝。其幾何形狀根據流體力學原理精心設計，并采用基因算法進行優化，呈完美的流線型，理論上能完全避免流動分離和漩渦的產生，對流體的阻力達到最小。紡錘體中部適當位置有一等直徑段，與測量管的內壁之間形成均勻的環形通道。槽道流量計的高壓取自紡錘體頭部對應的測量管壁處，低壓取自環形槽道的中后部。
在紡錘體處，測量管的流通面積變小。管道中截面積大的地方流體流速低、壓力高，截面積小的地方流速高、壓力低。高壓管所在位置的流通面積大、壓力高，低壓管所在位置的流通面積小、壓力低。另外，流體具有黏性，與壁面摩擦造成流體總壓沿流向下降。這兩方面的作用使得高壓孔與低壓孔之間產生一個差壓，而這個差壓與流量存在某種確定的對應關系。因此，通過測量差壓就可以計算出流量。槽道流量計的測量準確度很大程度上只受限于差壓變送器和流量積算儀的準確度。
圖2 槽道流量計測量原理和測量過程
圖2形象地表示了槽道流量計的測量原理和測量過程。
2.槽道流量計的性能特點
(1)測量準確度高，重復性好
槽道流量計將各種實際流動迅速調整為標準的槽道流動，取壓點壓力非常穩定；節流裝置內整個流場沒有分離發生，不會產生附加的壓力波動。以水為介質時，測量準確度可優于0.2%，重復性優于0.1%，各檢定點的示值誤差如表1所示。
表1 各檢定點的示值誤差
（2)無直管段要求
節流件紡錘體的強大整流作用，使得槽道流量計擺脫了前后直管段的限制，適用范圍大為拓寬，安裝成本大為降低。
槽道流量計測量過程中，被測流體在接近紡錘體頭部的時候，其速度分布即開始受到調整；隨著流體流過紡錘體頭部，其速度分布受調整的力度不斷加大；當流體進入環形槽道以后，其速度分布開始被“標準化”；在環形槽道的中后部，即可形成環形槽道流動，如圖3所示。
圖3 紡錘體的整流效果
流場的壓力分布與速度分布有著必然的聯系。隨著速度分布的“標準化”，壓力分布也被“標準化”。在環形槽道區域，壓力順軸線方向線性下降，非常穩定，幾乎不存在任何脈動。
(3) 流量系數長期不變，節流裝置壽命長
節流件紡錘體呈完美的流線型，不易磨損，使得槽道流量計標定出廠后，流量系數即可終身使用，無須重復標定。節流裝置的結構非常牢固，抗載荷、抗沖擊，壽命幾乎與管道壽命相同。
(4)量程比寬
槽道流量計的壓力信號非常穩定，信噪比相當高，測量液體時其單表量程比可大于10∶1，特殊要求還可以擴展。
(5)永久性壓力損失小
流體順滑地流過節流件，全流場無流動分離發生，所以節流裝置對流體的阻力僅為摩擦阻力。當流體流過紡錘體后大部分壓力得到恢復，如圖4所示。因此在獲得大的差壓的同時，壓力損失可比孔板流量計的小得多，如圖5所示。
圖4 壓力與位移的關系
圖5 孔板流量計與槽道流量計的比較
(6)適用于高溫、高壓、腐蝕性和臟污流體
槽道流量計的工作溫度和壓力取決于管道和法蘭的材料和等級，抗腐蝕性能取決于節流裝置的材料和流體接觸面處理，均可根據實際要求選擇相應的槽道流量計型號。
節流件紡錘體的流線型設計，使節流裝置得以“自清洗”，無滯留區，有效避免臟物堆積。因此，槽道流量計適用于多種臟污流體。
二、槽道流量計用于天然氣計量的現場應用
1.槽道流量計與孔板流量計的比對試驗
把DN100孔板流量計與DN100槽道流量計進行串聯安裝，通過記錄儀表每天的顯示數據，比較孔板流量計與槽道流量計顯示數據的差別。安裝試驗地點為勝利油田河口采油廠天然氣外輸站，計量用途為埕東油田天然氣外輸量，計量介質是天然氣，壓力：Pmax=0.2MPa，Pmin=0.1MPa，P常用=0.15MPa；溫度：tmax=65℃，tmin=12℃，t常用=40℃；天然氣相對密度ρ=0.7365，流量Qmax=900m3/h，Qmin=500m3/h，安裝示意圖如圖6所示。
圖6 槽道流量計與孔板流量計比對試驗安裝圖
兩者的比對數據如圖7所示(更換孔板后)。
圖7 槽道流量計與孔板流量計的比對曲線
從試驗數據可以看出，槽道流量計與孔板流量計連續10天計量的累計天然氣量的綜合相對誤差為-1.4%。所以，孔板流量計與槽道流量計計量結果比較接近，從計量性能看槽道流量計可等同于孔板流量計使用，前直管段長度可以降低到5D。
2.槽道流量計與渦輪流量計的比對試驗
把DN50槽道流量計與DN50渦輪流量計串聯安裝在油田現場，記錄兩臺流量計顯示的數據，計算兩臺流量計之間的誤差，比較它們之間的差別。安裝試驗地點為勝利油田河口采油廠渤一站，計量用途為卡爐天然氣消耗計量，計量介質是天然氣，壓力：Pmax=0.2MPa，Pmin=0.05MPa，P常用=0.16MPa；溫度：tmax=50℃，tmin=3℃，t常用=15℃；天然氣相對密度ρ=0.7637，流量Qmax=90m3/h，Qmin=200m3/h，安裝示意圖如圖8所示。
圖8 槽道流量計與渦輪流量計比對試驗安裝圖
兩者的比對數據如圖9所示(天然氣密度修正后)。從試驗數據可以看出，槽道流量計與渦輪流量計連續10天計量的累計天然氣量的綜合相對誤差為-0.5%。所以，槽道流量計與渦輪流量計計量結果基本一致，特別最后4天計量結果一致，槽道流量計可等同于渦輪流量計使用，前直管段長度可以降低到5D。
圖9 槽道流量計與渦輪流量計的比對曲線
3.槽道流量計長距離串聯比對試驗
勝利油田樁西采油廠52配氣站與增壓站進行4000m長距離串聯數據比對試驗，試驗自2006年10月12日開始，歷經4個月的時間，10月12日~10月31號之間試驗數據如圖10所示。
圖10 槽道流量計長距離比對試驗曲線
從試驗數據可以看出，連續20天計量的累計天然氣量兩臺槽道流量計相對誤差為0.74%。從歷經4個月的試驗過程，可以看出槽道流量計性能穩定，故障率低。
三、結論
試驗表明，該流量計具有自整流的功能，可以大大縮短傳統差壓流量計所必需的上下游較長的直管段，直管段可以降低到5D，在現場應用中得到了驗證。通過槽道流量計與孔板流量計串聯比較，槽道流量計與渦輪流量計串聯比較，計量結果比較接近，因此，槽道流量計的計量性能可以等同于孔板流量計和渦輪流量計使用。從近4個月的現場使用情況可以看出，槽道流量計具有以下特點：性能穩定、故障率低、抗干擾強、準確度高、量程范
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