摘要:利用鋼管進(jìn)行一定壓力和速度的流體輸送廣泛應(yīng)用于石油化I、機(jī)械裝備、航空航天、汽車、兵器裝備、發(fā)電與核電裝備船舶、冶金等多個(gè)領(lǐng)域,這些領(lǐng)域均需要對(duì)管道內(nèi)-定壓力和速度的液體進(jìn)行流量性能、精度高測(cè)試。為此,本文分析了目前管道內(nèi)流動(dòng)液體的流量測(cè)試的不同方法的基本原理、技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)、應(yīng)用范圍,進(jìn)-步探討了管道內(nèi)流動(dòng)液體的流量測(cè)試發(fā)展趨勢(shì)。
管道運(yùn)輸已經(jīng)成為五大運(yùn)輸體系之一，管道內(nèi)不止可以運(yùn)輸水、氣、油等液體物質(zhì),也可以運(yùn)輸固體物質(zhì)。中國(guó)的油氣長(zhǎng)輸管道里程數(shù)僅次于美國(guó)及俄羅斯,但是占比僅為美國(guó)的五分之一，為解決我國(guó)油氣管網(wǎng)基建規(guī)模落后、管道間互聯(lián)互通程度較低的問(wèn)題，我國(guó)將成立國(guó)家油氣管網(wǎng)公司對(duì)國(guó)內(nèi)油氣管網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃。.
在油氣生產(chǎn)過(guò)程中，流量計(jì)作為原油輸送計(jì)量系統(tǒng)的核心裝置，其測(cè)量的精度將直接影響我國(guó)成品油的經(jīng)濟(jì)效益。本文在分析各種流量計(jì)基礎(chǔ)原理的基礎(chǔ)上，對(duì)不同流量計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析，并展望了原油流量計(jì)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。
1.原油流量計(jì)的工作原理及特點(diǎn)
在原油集輸系統(tǒng)中,采油井場(chǎng)、分井計(jì)量站與轉(zhuǎn)接站主要起到完成對(duì)油田生產(chǎn)的原油、天然氣等混合物進(jìn)行收集、計(jì)量、以及輸往集中處理站進(jìn)行處理的作用，所以原油流量計(jì)的選擇是否合理將嚴(yán)重影響原油生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。
1.1孔板流量計(jì)
如圖1所示為孔板流量計(jì)原理圖，該流量計(jì)屬于差壓式流量計(jì)，工作時(shí)，充滿管道的原油流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流件后會(huì)在節(jié)流件附近造成局部收縮，流速增加,從而在其上、下游兩側(cè)產(chǎn)生靜壓力差四。節(jié)流件兩側(cè)產(chǎn)生的靜壓力差即就是孔板前后流體的壓力變化可通過(guò)U型管壓差計(jì)內(nèi)指示液的高度變化R來(lái)反應(yīng)，再根據(jù)高度差R即可推算出流量,如式(1)所示。此外，也可通過(guò)安裝差壓變送器測(cè)量得到節(jié)流件兩側(cè)的壓差,進(jìn)而推算出流量。
式中:qv一待測(cè)流體流量,m³/s;co一孔流系數(shù),一般選用0.6~0.7;Ao一孔口截面積,m²;ρi一U型管內(nèi)指示液的密度，kg/m³;ρ一待測(cè)流體的密度，kg/m³;R一U型管高度差讀數(shù),m。
孔板流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、價(jià)格低廉、應(yīng)用范圍廣泛，在我國(guó)早期的成品油長(zhǎng)輸管道中應(yīng)用較多。但該流量計(jì)存在以下缺點(diǎn):①測(cè)量精度普遍偏低;②因需經(jīng)過(guò)節(jié)流裝置導(dǎo)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(zhǎng)輸管道中使用;③自動(dòng)化程度低,對(duì)安裝現(xiàn)場(chǎng)施工條件要求高，且易受人為主觀因素的影響,所以該流量計(jì)無(wú)法滿足當(dāng)前原油計(jì)量精度、效率高的要求圖。
1.2浮子流量計(jì).
如圖2所示為浮子流量計(jì)，主要包括錐形管、浮子以及刻度(顯示等零部件回。工作時(shí)，當(dāng)流體自下.而.上經(jīng)錐形管時(shí),在轉(zhuǎn)子上下之間產(chǎn)生壓差,轉(zhuǎn)子在此差壓作用下，上升。當(dāng)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(shí)，浮子處于平衡位置。因此,流經(jīng)浮子流量計(jì)的流體流量與浮子上升高度，即與浮子流量計(jì)的流通面積之間存在著一定的比例關(guān)系,浮子的位置高度可作為流量量度。
浮子流量計(jì)主要被用來(lái)測(cè)量單相非脈動(dòng)液體或氣體的流量,也可用于腐蝕性流體的測(cè)量，具有壓力損失小、性能可靠、價(jià)格便宜、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,且便于安裝等優(yōu)勢(shì)。但是存在測(cè)量精度普遍偏低的缺點(diǎn)，此外，測(cè)量結(jié)果容易受到被測(cè)介質(zhì)密度、粘度、溫度和壓力等因素的影響。
1.3渦輪流量計(jì)
如圖3所示為渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖，該流量計(jì)屬于速度式流量計(jì)，主要包括感應(yīng)線圈、渦輪葉片、倒流架導(dǎo)流葉片、管道殼體等部件。
工作時(shí)，當(dāng)原油流經(jīng)渦輪流量計(jì)管道殼體內(nèi)部時(shí)，油液會(huì)沖擊渦輪葉片,從而促使渦輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，且在一.定的條件下，渦輪葉片轉(zhuǎn)速與原油流速成正比"。此外,渦輪葉片具有導(dǎo)磁性,處于信號(hào)檢測(cè)器磁場(chǎng)中時(shí),旋轉(zhuǎn)的葉片切割磁力線,促使線圈兩端感應(yīng)出電脈沖信號(hào)，對(duì)電脈沖信號(hào)進(jìn)行處理即可獲得流經(jīng)渦輪計(jì)量器的原油的瞬時(shí)流量或總量。在一定的流量范圍內(nèi),脈沖頻率
f與流經(jīng)渦輪計(jì)量器的原油的瞬時(shí)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(jì)量計(jì)的儀表系數(shù),由產(chǎn)品性能決定;Q一原油的瞬時(shí)流量,m/h。
渦輪流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn):①測(cè)量精度高;②無(wú)零點(diǎn)漂移,抗干擾能力強(qiáng);③適用于潔凈氣體與粘度較低的潔凈流體。但是該流量計(jì)必須遠(yuǎn)離外界電場(chǎng)、磁場(chǎng)，必要時(shí)還需要采取有效的屏蔽措施，以避免外界干擾。當(dāng)然,也存在以下缺點(diǎn):①測(cè)量正確率不能長(zhǎng)期保持，需要定期校準(zhǔn);②對(duì)于流體物性具有依賴性。
1.4容積式流量計(jì)
容積式流量計(jì)屬排量式流量計(jì)，其主要采用機(jī)械檢測(cè)元件將原油連續(xù)不斷分割成單個(gè)已知體積部分，再根據(jù)計(jì)量室逐次、重復(fù)充滿和排放該體積部分流體的次數(shù)來(lái)測(cè)量流體體積總量F。作為典型的容積式流量計(jì)，橢圓齒輪式流量計(jì)(如圖4所示)的測(cè)量部分主要由兩個(gè)相互嚙合的橢圓形齒輪、軸以及殼體等組成。其測(cè)量原理為:當(dāng)被測(cè)原油經(jīng)管道進(jìn)入流量計(jì)時(shí)，由于進(jìn)口處產(chǎn)生的壓力差推動(dòng)橢圓齒輪連續(xù)旋轉(zhuǎn),橢圓齒輪每旋轉(zhuǎn)一-周，就有一定數(shù)量的原油流過(guò)該流量計(jì)，所以只需獲得橢圓齒輪的轉(zhuǎn)數(shù),就能推算出被測(cè)原油流量的總量,其流量計(jì)算公式如下:
V=NU(3)
式中:V一原油體積,m³;N一確定時(shí)間內(nèi)橢圓齒輪轉(zhuǎn)數(shù),r;U一橢圓齒輪旋轉(zhuǎn)--周排出原油體積，m³/r。
容積式流量計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn):①測(cè)量精度高;②對(duì)安裝管道條件要求低;③測(cè)量范圍寬、且可用于高粘度原油。但存在以下缺點(diǎn):①轉(zhuǎn)子存在被原油中雜質(zhì)卡住的風(fēng)險(xiǎn)，所以需要加裝過(guò)濾器;②結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大;③不適用于高、低溫場(chǎng)合;④易產(chǎn)生噪聲及振動(dòng)等。所以，如果在油、水混輸，且含有泥沙雜質(zhì)的原油長(zhǎng)輸管道上采用容積式流量計(jì)，將會(huì)給現(xiàn)場(chǎng)帶來(lái)較大的工作量,且會(huì)提高運(yùn)維成本。
1.5超聲波流量計(jì)
超聲波流量計(jì)是通過(guò)檢測(cè)流體流動(dòng)對(duì)超聲脈沖的作用來(lái)測(cè)量流量的一種非接觸式流量計(jì)。圖5所示為采用時(shí)差法測(cè)量原理的超聲波流量計(jì),當(dāng)超聲波在成品油長(zhǎng)輸管道中傳輸時(shí),探頭A與探頭B分別檢測(cè)接收對(duì)方發(fā)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(huì)得到不同的傳播時(shí)間,利用傳播時(shí)間之差即可計(jì)算原油的流速與流量,計(jì)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(shí)間,s;tn一超聲波逆流傳播時(shí)間,s;L一超聲波在傳感器之間的聲道長(zhǎng)度,m;D-管道內(nèi)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(shù)。
超聲波流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)嗎:①可以實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，對(duì)原有管道不需要進(jìn)行任何加工就可以進(jìn)行測(cè)量;②應(yīng)用范圍廣,可以測(cè)量水、氣或油等多種液體的流量;③測(cè)量精度不會(huì)受到被測(cè)原油流體粘度及電導(dǎo)率的影響;④高性價(jià)比，尤其是對(duì)大管徑流量的測(cè)量成本較低;⑤其機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，可維護(hù)性好。⑥流量監(jiān)測(cè)過(guò)程中不存在壓損和能量損失，在節(jié)能方面優(yōu)勢(shì)明顯。但是常規(guī)超聲波計(jì)量計(jì)用于測(cè)量粘稠介質(zhì)時(shí)存在信號(hào)衰減、漂移以及精度下降的問(wèn)題,且測(cè)量精度會(huì)受到被檢測(cè)原油清潔度的影響。
2原油集輸用流量計(jì)發(fā)展趨勢(shì)分析
孔板流量計(jì)與浮子流量計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、便于安裝等優(yōu)勢(shì)，所以在我國(guó)早期的成品油長(zhǎng)輸管道中被廣泛應(yīng)用，但是這兩種流量傳感器存在測(cè)量精度普遍偏低的缺點(diǎn),已經(jīng)逐漸被淘汰。
渦輪流量計(jì)與容積式流量計(jì)都具有測(cè)量精度高的優(yōu)勢(shì),但前者存在測(cè)量正確率不能長(zhǎng)期保持、需要定期校準(zhǔn)的缺點(diǎn)。盡管后者對(duì)安裝管道條件要求低、且可用于高粘度原油計(jì)量，但其轉(zhuǎn)子存在被原油中雜質(zhì)卡住的風(fēng)險(xiǎn)，不適用于油、水混輸，且含有泥沙雜質(zhì)的原油長(zhǎng)輸管道工況。目前這兩種流量傳感器在原油集輸管道領(lǐng)域的應(yīng)用己處于普及階段，但其價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)日益激烈、導(dǎo)致利潤(rùn)空間日益減小,所以這兩種傳感器都面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
超聲波流量計(jì)的優(yōu)勢(shì)是可實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可維護(hù)性好，此外，由于該流量計(jì)是利用電氣原理工作,所以避免了孔板流量計(jì)、浮子流量計(jì)、渦輪流量計(jì)以及容積式流量計(jì)等傳統(tǒng)機(jī)械流量計(jì)工作中需要更換運(yùn)動(dòng)部件的問(wèn)題。盡管常規(guī)超聲波流量計(jì)也存在其不足之處,例如，其測(cè)量精度會(huì)受到被檢測(cè)原油清潔度的影響。但是,超聲波流量計(jì)的“非接觸式測(cè)量”、“體積小”及“成本低”等顯著優(yōu)勢(shì)使其具有廣泛的應(yīng)用前景。
今后原油集輸用流量計(jì)將朝著以下幾個(gè)方面快.速發(fā)展:①全面?zhèn)鞲袡z測(cè)智能化。一方面,可以在流量計(jì)系統(tǒng)中安裝微處理芯片實(shí)現(xiàn)通訊功能，從而能夠更好地與油田生產(chǎn)基地的控制中心實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信。另一方面,通過(guò)添加相關(guān)的傳感器以實(shí)現(xiàn)對(duì)原油流體密度、組分及熱能等的測(cè)量,最終實(shí)現(xiàn)流量計(jì)的傻瓜化和智能化。②決策優(yōu)化傳遞快速化�？梢詫⒆栽\斷、自修正等相關(guān)智能控制算法引入流量計(jì)系統(tǒng)，使得流量計(jì)不再僅是傳統(tǒng)的計(jì)量工具，還能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)維護(hù)的目的，具有更正確的計(jì)量精度,對(duì)于不同粘度原油介質(zhì)的適應(yīng)性和成品油輸送復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性得到改善和提高。③安裝執(zhí)行可靠簡(jiǎn)單化。隨著科技發(fā)展,流量計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)越來(lái)越簡(jiǎn)單,逐漸減少或取消運(yùn)動(dòng)部件,并采用精度高、性能好的傳感器和電子元器件,使得流量計(jì)的執(zhí)行可靠性越來(lái)越好，且自動(dòng)化程度越來(lái)越高。
3結(jié)論
(1)孔板流量計(jì)與浮子流量計(jì)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉,但是存在測(cè)量精度普遍偏低的缺點(diǎn)，已經(jīng)逐漸被淘汰:渦輪流量計(jì)與容積式流量計(jì)都具有測(cè)量精度高的優(yōu)勢(shì)，在原油集輸管道領(lǐng)域的應(yīng)用已處于普及階段，但其價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)日益激烈、導(dǎo)致利潤(rùn)空間日.益減小，所以面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
(2)超聲波流量計(jì)的“非接觸式測(cè)量”、“體積小”及“成本低”等顯著優(yōu)勢(shì)使其具有廣泛的應(yīng)用前景。此外，未來(lái)原油集輸用流量計(jì)將朝著全面?zhèn)鞲袡z測(cè)智能化、決策優(yōu)化傳遞快速化以及安裝執(zhí)行可靠簡(jiǎn)單化三個(gè)方面快速發(fā)展。
以上內(nèi)容源于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)聯(lián)系即刪除!
