摘要：與孔板、文丘里管等傳統(tǒng)差壓式流量計相比,“邊壁逐漸收縮式"V錐流量計在結(jié)構(gòu)上具有優(yōu)勢。V錐流量計對安裝前后直管段的要求低,且具有壓力損失小、抗臟污、測量性能優(yōu)等優(yōu)點。因此，在空間緊湊的FLNG裝置上,將V錐流量計作為流量計選型的先考量對象。
V錐流量計具備錐形管的特殊結(jié)構(gòu)，能夠?qū)α鹘?jīng)錐體的流體速度分布梯度進行調(diào)整,消除漩渦二次流，降低V錐流量計前后直管段的要求。V錐流量計安裝成本低、量程比寬.信號穩(wěn)定、值范圍寬。
1V錐流量計的工作原理和結(jié)構(gòu)特點
1.1V錐流量計的工作原理
V錐流量計作為1種差壓式流量計，其基本理論是可以在密閉管道中進行能量相互轉(zhuǎn)換的伯努利原理。結(jié)合流動連續(xù)性原理，可以推斷在穩(wěn)定流場情況下，管道中的流速與錐體前后差壓的平方根呈正比例.函數(shù)關系。測得錐體上下游的壓力得出差壓即可實現(xiàn)流量測量。V錐流量計結(jié)構(gòu)見圖1。
體積流量與差壓的關系由下式確定如式(1)所示。
體積流量與差壓的關系如式2)所示。
式中:D一工況下測量管的內(nèi)徑,m;
d一工況下V錐體的最大直徑,m;
C一流出系數(shù),無量綱;
β一可膨脹修正系數(shù),無量綱,對不可壓縮流體時β=1,當流體是可壓縮流體時，β<1;
ρ一工作狀態(tài)下，節(jié)流件上游處流體的密度,kg/m³;
△p一差壓值,Pa;
P1一節(jié)流件上游導壓處壓力,Pa;
P2一節(jié)流件下游導壓處壓力，Pa。
1.2V錐流量計與其他節(jié)流裝置的比較
V錐流量計將“流體收縮到管道中心”的概念改變?yōu)椤笆湛s到管道的內(nèi)邊壁”。當流體流經(jīng)錐體與測量管道之間的環(huán)形通道時，流體逐漸向管內(nèi)壁平滑收縮，錐體前后產(chǎn)生差壓,實現(xiàn)流量測量。錐體在管線中心位置的測壓點的流量速度剖面最佳，可以在不考慮上游流動狀況的情況下,獲得精度高、可靠好的流量測量。
孔板采用“中心突然收縮式”的節(jié)流方式。流體流經(jīng)節(jié)流件時,未對速度割面進行整形,在管道中心線附近突然性的形成局部收縮�？装迨菐в型幕蚱膱A形開孔的一塊金屬薄板。當流體流經(jīng)圓形開孔時,管道橫截面積的突然減小使流體局部收縮，在孔板下游形成幅度較大的漩渦。因為測壓點需要位于流體流場較穩(wěn)定的區(qū)域以保證其測量精度和重復性，在安裝時對直管段長度要求(一般前10D、后5D)。另外，漩渦會造成差壓信號中的噪聲增大，量程比縮小，測量精度降低,由能量守恒可知,漩渦會增大壓損�？装宓慕Y(jié)構(gòu)特點還會使孔板前極易積污，對內(nèi)孔銳角線磨損從而難以保證精度,使流出系數(shù)不穩(wěn)定。
文丘里管采用“中心逐漸收縮式”的節(jié)流方式。即流體流經(jīng)節(jié)流件時,在收縮段逐漸收縮后，才會流經(jīng)管道中心線附:近的喉道，通過擴散段逐漸擴大的管道流出。文丘里管先逐漸收縮而后逐漸擴大的特點，能夠?qū)α黧w速度分布梯度有效整流,壓損較小，流出系數(shù)接近1。但是文丘里管在使用過程中喉部的磨損嚴重,無法長期保持測量精度。而且文丘里管漸縮漸擴的結(jié)構(gòu)特點,對上下游直管段具有要求，在測量濕氣體、冷凝物以及固液兩相介質(zhì)的流量時容易被堵塞。
孔板、文丘里管等老式差壓式流量計由于其結(jié)構(gòu)上的缺陷,無法滿足FLNG領域流量測量的需求。而V錐流量計是對傳統(tǒng)節(jié)流式流量計改進完善后的器件，其結(jié)構(gòu)特點不僅解決已有差壓式流量計的缺陷，而且還有其他測量原理的流量計不具備的優(yōu)點。
2V錐流量計的性能特點
2.1V錐流量計的優(yōu)勢
流體在接近V錐體流動時產(chǎn)生扁平的流態(tài)分布，V錐流量計可以比其他差壓流量計更接近上游擾動處工作。V錐流量計的建議安裝距離為上游直管段直徑的0~3倍和下游直管段直徑的0~1倍。單個或雙個彎頭在同一平面或接近儀表上游時,V錐流量計仍然可以產(chǎn)生扁平流態(tài)。當不同流態(tài)接近錐體時，始終會產(chǎn)生一個可預測的流態(tài),保證儀表測量。
V錐一次元件的精度可以達到士0.5%。V錐一-次元件的重復性高達0.1%�？梢詼y量較低雷諾數(shù)范圍(Re≥8000)的流量。典型V錐流量計的量程比為10:1。選擇合適的參數(shù)時,可以達到更高的量程。
V錐一次元件的精度可以達到±0.5%。V錐一次元件的重復性高達0.1%�？梢詼y量較低雷諾數(shù)范圍(Re≥8000)的流量。典型V錐流量計的量程比為10:1。選擇合適的參數(shù)時,可以達到更高的量程。
錐體的輪廓形狀將流體方向限制為朝向管道的內(nèi)邊壁,不清潔的流體不會對錐體邊界層產(chǎn)生沖擊,并且不易磨損邊緣。其β值長期不變,流量計不需要重復標定,具有長期的精度穩(wěn)定性。
流體在流經(jīng)節(jié)流件時,會產(chǎn)生“一卡曼旋渦”現(xiàn)象,在流量穩(wěn)定條件下,對差壓檢測產(chǎn)生干擾而形成“信號波動”。孔板流量計會在孔板下游處形成渦流,呈高幅低頻的孔板信號,影響流量計的讀數(shù)。而V錐流量計的結(jié)構(gòu)是邊壁逐漸收縮節(jié)流，與錐體后部產(chǎn)生的干擾流大小相同方向相反而相互抵消，對信號擾動很小，在低壓流場也能夠呈現(xiàn)高頻低幅的壓力脈動，且噪聲小、信號穩(wěn)定。
V錐流量計可以在低差壓力下正常運行，永久壓力損失低。V錐流量計的結(jié)構(gòu)特點允許有很寬的比范圍。標準的比范圍為0.45.0.55.0.65.0.75和0.85。V錐流量計“掠過型”的設計理念,會對流體中的殘渣、凝結(jié)物或顆粒形成吹掃沖刷作用,因此可以保持錐體長期清潔。
上述短渦流使V錐下游的流體完全混合，在很多需要即時和完全混合的應用中,V錐常被用作靜態(tài)混合器。
2.2V錐流量計的局限性
V錐流量計檢測元件是錐體，流量計的流出系數(shù)受錐角大小、下游取壓口位置、錐體最大截面處軸向長度等參數(shù)的直接影響，但是目前各個廠家尚未形成統(tǒng)一規(guī)范,V錐流量計仍需遵循逐臺實流標定的原則。但是標準節(jié)流裝置(標準孔板、標準噴嘴和標準文丘里管)能夠達到國際標準ISO-5167,按照國際標準進行設計、制造、安裝和使用。
錐體的結(jié)構(gòu)特點使得其無法滿足雙向流的流量測量要求。與標準節(jié)流裝置相比,V錐流量計用料更多，加工工藝要求嚴格,逐臺標定費用高,使其售價較高。但綜合考慮并權(quán)衡節(jié)流裝置購買價及安裝費用、維護費用、因壓損造成的能量損失等因素,V錐流量計的總體費用是更合理的。
3.V錐流量計在FLNG裝置上的應用優(yōu)勢
陸上工廠擁有大量空間,對儀表占地要求不高,但是在空間擁擠的海上,需要盡可能地減少空間的使用。FLNG裝置設計緊湊,實際工作環(huán)境還涉及顛簸、腐蝕等諸多問題，因此甲板上的生產(chǎn)裝置詳細設計與陸地同規(guī)模工廠的設計完全不同。V錐流量計只需極短的直管段就能取得測量值,其直管段要求如下:
(1)氣體測量,雷諾數(shù)范圍(Re)>200000,V錐流量計測量氣體的上游和下游的最小直管長度見表1。若≥0.65,表中的直管段長度需要增加1D。
(2)液體測量,雷諾數(shù)范圍(Re)>200000,V錐流量計測量液體的上游和下游的最小直管長度見表2。若≥0.65,表中的直管段長度需要增加1D.。
V錐流量計的使用流體非常廣泛,低、高流速的流體均可以測量;V錐流量計規(guī)格齊全，適用口徑DN15(1/2")~DN3000(120"),公稱壓力0~25001b,工作溫度-200~800℃;且安裝方式靈活,可以選擇管道法蘭式、直接焊接式、方管式安裝。V錐流量計在惠生海工為Exmar以EPCIC模式總承包建設的FLNG(設計液化能力約50萬t/a的LNG)中得到了成功應用，在惠生海工的FLNG標準化項目(設計液化能力300萬t/a的LNG)也有選型應用。
需要將液體和氣體流量計放在近海平臺、浮式生產(chǎn)儲油和卸油的船、海底裝置這些場所時,具有自調(diào)節(jié)功能的V錐近海流量計所需要的運行直管段比其他流量計少70%，可以產(chǎn)生不動產(chǎn)和安裝成本乃面的巨大節(jié)省,節(jié)省的成本能夠超過儀表本身的成本。
4結(jié)語
V錐流量計具有精度高、自清潔功能、實用性強、運行穩(wěn)定可靠、長期穩(wěn)定性好,方便了生產(chǎn),滿足生產(chǎn)計量的需要。且.V錐流量計的結(jié)構(gòu)決定其不需要長的運行直管段或者流量調(diào)節(jié)儀表，安裝條件的局限少，在空間緊缺的FLNG裝置上是流量測量儀表選型的重要參考因素。
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