摘 要： 在能源日益緊張的今天，對(duì)流量計(jì)的另一個(gè)要求是減小流量計(jì)本身產(chǎn)生的能量損失。在有些情況下，過(guò)高的壓力損失還會(huì)使設(shè)備無(wú)法工作。電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)在管道中沒(méi)有節(jié)流裝置，理論上沒(méi)有任何損失。然而，在實(shí)踐中為了減小流量計(jì)上下游直管段，在管道中安置了流動(dòng)調(diào)節(jié)器，目的是使管內(nèi)流動(dòng)盡快達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)管流，以保證準(zhǔn)確的測(cè)量。槽道流量計(jì)正是在這樣的背景下產(chǎn)生的。
由于流量計(jì)跨學(xué)科的特點(diǎn)，在流量計(jì)的研發(fā)中，一個(gè)共同的認(rèn)識(shí)是，許多流量計(jì)(包括孔板)在標(biāo)準(zhǔn)裝置中標(biāo)定時(shí)可以獲得理想的結(jié)果，而在實(shí)際應(yīng)用中，由于管線上存在拐彎、閥門(mén)、泵等裝置，實(shí)際性能水平往往會(huì)受到很大影響。發(fā)生這種情況的主要原因是被測(cè)量的流動(dòng)無(wú)法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)裝置中的流動(dòng)狀態(tài)。要想獲得標(biāo)準(zhǔn)的管流，必須在流量計(jì)的上游安排(10~20)D的直管段，同時(shí)要在下游安排一定長(zhǎng)度的直管段。為此，新的流量計(jì)研發(fā)要解決的重要問(wèn)題是如何在非標(biāo)準(zhǔn)的流動(dòng)中能夠準(zhǔn)確測(cè)量流量。所謂非標(biāo)準(zhǔn)的流動(dòng)是相對(duì)充分發(fā)展的管流的偏離。
在能源日益緊張的今天，對(duì)流量計(jì)的另一個(gè)要求是減小流量計(jì)本身產(chǎn)生的能量損失。在有些情況下，過(guò)高的壓力損失還會(huì)使設(shè)備無(wú)法工作。電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)在管道中沒(méi)有節(jié)流裝置，理論上沒(méi)有任何損失。然而，在實(shí)踐中為了減小流量計(jì)上下游直管段，在管道中安置了流動(dòng)調(diào)節(jié)器，目的是使管內(nèi)流動(dòng)盡快達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)管流，以保證準(zhǔn)確的測(cè)量。槽道流量計(jì)正是在這樣的背景下產(chǎn)生的。
一、槽道流量計(jì)的原理和特點(diǎn)
在流量測(cè)量領(lǐng)域，隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，二次儀表技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了很高的水平。然而，對(duì)管道流動(dòng)流體力學(xué)特性的研究和應(yīng)用并未引起人們的充分注意，仍然停留在比較初級(jí)的水平，越來(lái)越成為流量測(cè)量技術(shù)進(jìn)步的瓶頸。對(duì)于任何流量計(jì)來(lái)說(shuō)，獲得準(zhǔn)確的流量的基礎(chǔ)是在流量計(jì)的上游獲得標(biāo)準(zhǔn)的管流，而這一點(diǎn)在實(shí)際使用中難以做到，從而無(wú)法獲得準(zhǔn)確的計(jì)量。
南京航空航天大學(xué)明曉教授從流體力學(xué)的源頭出發(fā)，以流動(dòng)控制的觀點(diǎn)來(lái)解決問(wèn)題。他提出了一種有著優(yōu)秀流體力學(xué)特性的節(jié)流裝置。該節(jié)流裝置將管流迅速調(diào)整為環(huán)形槽道流動(dòng)，以獲得十分穩(wěn)定的差壓，該節(jié)流裝置的流量計(jì)被命名為槽道流量計(jì)。他們對(duì)槽道流量計(jì)進(jìn)行了大量的理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，理論上證實(shí)了該流量計(jì)是迄今為止綜合性能最優(yōu)的差壓式流量計(jì)。目前，槽道流量計(jì)已獲得國(guó)家專(zhuān)利。
1.工作原理
如圖1所示，槽道流量計(jì)的節(jié)流件——紡錘體，沿測(cè)量管中心軸線安裝。其幾何形狀根據(jù)流體力學(xué)原理精心設(shè)計(jì)，并采用基因算法進(jìn)行優(yōu)化，呈完美的流線型，理論上能完全避免流動(dòng)分離和漩渦的產(chǎn)生，對(duì)流體的阻力達(dá)到最小。紡錘體中部適當(dāng)位置有一等直徑段，與測(cè)量管的內(nèi)壁之間形成均勻的環(huán)形通道。槽道流量計(jì)的高壓取自紡錘體頭部對(duì)應(yīng)的測(cè)量管壁處，低壓取自環(huán)形槽道的中后部。
在紡錘體處，測(cè)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(chǎn)生一個(gè)差壓，而這個(gè)差壓與流量存在某種確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，通過(guò)測(cè)量差壓就可以計(jì)算出流量。槽道流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度很大程度上只受限于差壓變送器和流量積算儀的準(zhǔn)確度。
圖2 槽道流量計(jì)測(cè)量原理和測(cè)量過(guò)程
圖2形象地表示了槽道流量計(jì)的測(cè)量原理和測(cè)量過(guò)程。
2.槽道流量計(jì)的性能特點(diǎn)
(1)測(cè)量準(zhǔn)確度高，重復(fù)性好
槽道流量計(jì)將各種實(shí)際流動(dòng)迅速調(diào)整為標(biāo)準(zhǔn)的槽道流動(dòng)，取壓點(diǎn)壓力非常穩(wěn)定；節(jié)流裝置內(nèi)整個(gè)流場(chǎng)沒(méi)有分離發(fā)生，不會(huì)產(chǎn)生附加的壓力波動(dòng)。以水為介質(zhì)時(shí)，測(cè)量準(zhǔn)確度可優(yōu)于0.2%，重復(fù)性優(yōu)于0.1%，各檢定點(diǎn)的示值誤差如表1所示。
表1 各檢定點(diǎn)的示值誤差
（2)無(wú)直管段要求
節(jié)流件紡錘體的強(qiáng)大整流作用，使得槽道流量計(jì)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(jì)測(cè)量過(guò)程中，被測(cè)流體在接近紡錘體頭部的時(shí)候，其速度分布即開(kāi)始受到調(diào)整；隨著流體流過(guò)紡錘體頭部，其速度分布受調(diào)整的力度不斷加大；當(dāng)流體進(jìn)入環(huán)形槽道以后，其速度分布開(kāi)始被“標(biāo)準(zhǔn)化”；在環(huán)形槽道的中后部，即可形成環(huán)形槽道流動(dòng)，如圖3所示。
圖3 紡錘體的整流效果
流場(chǎng)的壓力分布與速度分布有著必然的聯(lián)系。隨著速度分布的“標(biāo)準(zhǔn)化”，壓力分布也被“標(biāo)準(zhǔn)化”。在環(huán)形槽道區(qū)域，壓力順軸線方向線性下降，非常穩(wěn)定，幾乎不存在任何脈動(dòng)。
(3) 流量系數(shù)長(zhǎng)期不變，節(jié)流裝置壽命長(zhǎng)
節(jié)流件紡錘體呈完美的流線型，不易磨損，使得槽道流量計(jì)標(biāo)定出廠后，流量系數(shù)即可終身使用，無(wú)須重復(fù)標(biāo)定。節(jié)流裝置的結(jié)構(gòu)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(jì)的壓力信號(hào)非常穩(wěn)定，信噪比相當(dāng)高，測(cè)量液體時(shí)其單表量程比可大于10∶1，特殊要求還可以擴(kuò)展。
(5)永久性壓力損失小
流體順滑地流過(guò)節(jié)流件，全流場(chǎng)無(wú)流動(dòng)分離發(fā)生，所以節(jié)流裝置對(duì)流體的阻力僅為摩擦阻力。當(dāng)流體流過(guò)紡錘體后大部分壓力得到恢復(fù)，如圖4所示。因此在獲得大的差壓的同時(shí)，壓力損失可比孔板流量計(jì)的小得多，如圖5所示。
圖4 壓力與位移的關(guān)系
圖5 孔板流量計(jì)與槽道流量計(jì)的比較
(6)適用于高溫、高壓、腐蝕性和臟污流體
槽道流量計(jì)的工作溫度和壓力取決于管道和法蘭的材料和等級(jí)，抗腐蝕性能取決于節(jié)流裝置的材料和流體接觸面處理，均可根據(jù)實(shí)際要求選擇相應(yīng)的槽道流量計(jì)型號(hào)。
節(jié)流件紡錘體的流線型設(shè)計(jì)，使節(jié)流裝置得以“自清洗”，無(wú)滯留區(qū)，有效避免臟物堆積。因此，槽道流量計(jì)適用于多種臟污流體。
二、槽道流量計(jì)用于天然氣計(jì)量的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用
1.槽道流量計(jì)與孔板流量計(jì)的比對(duì)試驗(yàn)
把DN100孔板流量計(jì)與DN100槽道流量計(jì)進(jìn)行串聯(lián)安裝，通過(guò)記錄儀表每天的顯示數(shù)據(jù)，比較孔板流量計(jì)與槽道流量計(jì)顯示數(shù)據(jù)的差別。安裝試驗(yàn)地點(diǎn)為勝利油田河口采油廠天然氣外輸站，計(jì)量用途為埕東油田天然氣外輸量，計(jì)量介質(zhì)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(duì)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(jì)與孔板流量計(jì)比對(duì)試驗(yàn)安裝圖
兩者的比對(duì)數(shù)據(jù)如圖7所示(更換孔板后)。
圖7 槽道流量計(jì)與孔板流量計(jì)的比對(duì)曲線
從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，槽道流量計(jì)與孔板流量計(jì)連續(xù)10天計(jì)量的累計(jì)天然氣量的綜合相對(duì)誤差為-1.4%。所以，孔板流量計(jì)與槽道流量計(jì)計(jì)量結(jié)果比較接近，從計(jì)量性能看槽道流量計(jì)可等同于孔板流量計(jì)使用，前直管段長(zhǎng)度可以降低到5D。
2.槽道流量計(jì)與渦輪流量計(jì)的比對(duì)試驗(yàn)
把DN50槽道流量計(jì)與DN50渦輪流量計(jì)串聯(lián)安裝在油田現(xiàn)場(chǎng)，記錄兩臺(tái)流量計(jì)顯示的數(shù)據(jù)，計(jì)算兩臺(tái)流量計(jì)之間的誤差，比較它們之間的差別。安裝試驗(yàn)地點(diǎn)為勝利油田河口采油廠渤一站，計(jì)量用途為卡爐天然氣消耗計(jì)量，計(jì)量介質(zhì)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(duì)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(jì)與渦輪流量計(jì)比對(duì)試驗(yàn)安裝圖
兩者的比對(duì)數(shù)據(jù)如圖9所示(天然氣密度修正后)。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，槽道流量計(jì)與渦輪流量計(jì)連續(xù)10天計(jì)量的累計(jì)天然氣量的綜合相對(duì)誤差為-0.5%。所以，槽道流量計(jì)與渦輪流量計(jì)計(jì)量結(jié)果基本一致，特別最后4天計(jì)量結(jié)果一致，槽道流量計(jì)可等同于渦輪流量計(jì)使用，前直管段長(zhǎng)度可以降低到5D。
圖9 槽道流量計(jì)與渦輪流量計(jì)的比對(duì)曲線
3.槽道流量計(jì)長(zhǎng)距離串聯(lián)比對(duì)試驗(yàn)
勝利油田樁西采油廠52配氣站與增壓站進(jìn)行4000m長(zhǎng)距離串聯(lián)數(shù)據(jù)比對(duì)試驗(yàn)，試驗(yàn)自2006年10月12日開(kāi)始，歷經(jīng)4個(gè)月的時(shí)間，10月12日~10月31號(hào)之間試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖10所示。
圖10 槽道流量計(jì)長(zhǎng)距離比對(duì)試驗(yàn)曲線
從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，連續(xù)20天計(jì)量的累計(jì)天然氣量?jī)膳_(tái)槽道流量計(jì)相對(duì)誤差為0.74%。從歷經(jīng)4個(gè)月的試驗(yàn)過(guò)程，可以看出槽道流量計(jì)性能穩(wěn)定，故障率低。
三、結(jié)論
試驗(yàn)表明，該流量計(jì)具有自整流的功能，可以大大縮短傳統(tǒng)差壓流量計(jì)所必需的上下游較長(zhǎng)的直管段，直管段可以降低到5D，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中得到了驗(yàn)證。通過(guò)槽道流量計(jì)與孔板流量計(jì)串聯(lián)比較，槽道流量計(jì)與渦輪流量計(jì)串聯(lián)比較，計(jì)量結(jié)果比較接近，因此，槽道流量計(jì)的計(jì)量性能可以等同于孔板流量計(jì)和渦輪流量計(jì)使用。從近4個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)使用情況可以看出，槽道流量計(jì)具有以下特點(diǎn)：性能穩(wěn)定、故障率低、抗干擾強(qiáng)、準(zhǔn)確度高、量程范
