摘要(yào):利用鋼管進行一定(dìng)壓力(lì)和速度的(de)流體輸送(sòng)廣泛(fàn)應用于(yú)石油化(huà)i、機械裝備(bèi)、航空(kōng)航天、汽車、兵器裝備(bèi)、發(fā)電與核(hé)電裝(zhuāng)備(bèi)船舶、冶(yě)金等多個領域(yù),這些領(lǐng)域均需(xū)要對(duì)管道内-定(dìng)壓力和速(sù)度的(de)液(yè)體進行流量(liàng)性能(néng)、精度高測(cè)試。爲(wèi)此(cǐ),本(běn)文分析了目前(qián)管道内流(liú)動液體的(de)流量測試的不(bú)同方(fāng)法的基本(běn)原理、技術(shù)優缺(quē)點、應用(yòng)範圍,進(jìn)-步探讨了管道内流(liú)動(dòng)液體的(de)流量(liàng)測試發展(zhǎn)趨勢(shì)。
管道(dào)運輸(shū)已經(jīng)成(chéng)爲五大(dà)運輸(shū)體系之一(yī)，管(guǎn)道内不止可(kě)以運(yùn)輸水、氣、油(yóu)等液體物質,也(yě)可以運輸固體(tǐ)物質。中國的油(yóu)氣(qì)長(zhǎng)輸管道裏(lǐ)程數(shù)僅次(cì)于(yú)美國及(jí)俄(é)羅斯,但(dàn)是占比僅爲美(měi)國的五分之一(yī)，爲(wèi)解決我國油(yóu)氣管網(wǎng)基建規(guī)模落(luò)後、管道間(jiān)互聯互通程度(dù)較低的問題，我(wǒ)國(guó)将成立國家(jiā)油氣管網公司對國内油氣管(guǎn)網進行(háng)統(tǒng)籌規(guī)劃。.
在(zài)油氣生産(chǎn)過程中(zhōng)，流(liú)量計(jì)
作爲原油(yóu)輸送(sòng)計量系(xì)統(tǒng)的核(hé)心裝置(zhì)，其測量(liàng)的精度(dù)将直接(jiē)影(yǐng)響(xiǎng)我國(guó)成品(pǐn)油的經濟效益(yì)。本文(wén)在分析各(gè)種流量計(jì)基礎原理(lǐ)的基礎上(shàng)，對(duì)不同(tóng)流量計的優(yōu)缺點進行(háng)了對(duì)比(bǐ)分析，并(bìng)展望了原油流(liú)量計(jì)未(wèi)來(lái)的發(fā)展趨勢。
1.原油流(liú)量計的工作(zuò)原理及特點
在原(yuán)油集輸系統中(zhōng),采油井(jǐng)場、分井(jǐng)計量站(zhàn)與轉接站主(zhǔ)要起到完(wán)成對(duì)油(yóu)田(tián)生産(chǎn)的原(yuán)油(yóu)、天(tiān)然氣(qì)等混合物進行(háng)收(shōu)集(jí)、計量(liàng)、以及(jí)輸往集中(zhōng)處理站進(jìn)行處理的(de)作用，所(suǒ)以原油流量計的選擇(zé)是否合(hé)理将嚴(yán)重影響原油(yóu)生(shēng)産的經濟(jì)效益(yì)。
1.1孔闆流(liú)量計
如圖1所示爲(wèi)
孔闆流(liú)量計
原理圖(tú)，該流量(liàng)計屬于(yú)
差壓(yā)式流(liú)量計(jì)
，工作時(shí)，充滿管道的(de)原油流經(jīng)管道内的(de)節流件後會在節流(liú)件附近造(zào)成局部收(shōu)縮，流速增(zēng)加,從(cóng)而(ér)在其上(shàng)、下遊兩側産生(shēng)靜壓力差四(sì)。節(jiē)流件(jiàn)兩側(cè)産生(shēng)的靜壓力差即就是孔(kǒng)闆前後(hòu)流體的壓(yā)力變化可通(tōng)過(guò)u型管(guǎn)壓差計内(nèi)指示(shì)液的高(gāo)度變化(huà)r來反應(yīng)，再(zài)根據高(gāo)度差r即可推(tuī)算出流量,如式(1)所示。此(cǐ)外，也可(kě)通過安(ān)裝差壓變送器
測量得(dé)到節流(liú)件兩側(cè)的壓差,進而推(tuī)算出(chū)流(liú)量。
式中(zhōng):qv一待測流體流(liú)量,m³/s;co一(yī)孔流系數,一般(bān)選用0.6~0.7;ao一孔(kǒng)口截面積(jī),m²;ρi一u型管内指示液的(de)密度，kg/m³;ρ一(yī)待(dài)測流體的(de)密度(dù)，kg/m³;r一u型管高度差讀數(shù),m。
孔闆(pǎn)流量計(jì)的優點是:結(jié)構簡單、安(ān)裝方便、價(jià)格低(dī)廉、應用範圍廣泛，在我國(guó)早期的成品(pǐn)油(yóu)長輸(shū)管道(dào)中應(yīng)用較多(duō)。但(dàn)該流(liú)量計(jì)存在以下(xià)缺點:①測量(liàng)精度(dù)普遍偏(piān)低;②因需(xū)經過節(jiē)流(liú)裝置(zhì)導緻流體能量(liàng)損失較大，故不适(shì)宜在流量變(biàn)化較大的(de)成(chéng)品(pǐn)油長輸管(guǎn)道中(zhōng)使用(yòng);③自動化程(chéng)度低(dī),對(duì)安裝現(xiàn)場施(shī)工條(tiáo)件要(yào)求高，且易受人爲主觀因(yīn)素的(de)影響,所(suǒ)以(yǐ)該流(liú)量計(jì)無法滿足(zú)當(dāng)前原油計量(liàng)精度、效率高的(de)要求(qiú)圖。
1.2浮子流(liú)量計.
如圖2所示(shì)爲浮(fú)子流量計，主要包括錐形管、浮子以及刻(kè)度(顯示等(děng)零部(bù)件回(huí)。工作(zuò)時，當(dāng)流體自(zì)下.而.上(shàng)經錐形(xíng)管(guǎn)時,在(zài)轉子上下(xià)之(zhī)間(jiān)産生壓差,轉子(zǐ)在此差壓作用(yòng)下，上升。當(dāng)此上(shàng)升的力、浮子所受的浮力及(jí)粘(zhān)性升力與(yǔ)浮子的重(zhòng)力(lì)相等時(shí)，浮子(zǐ)處(chù)于(yú)平衡(héng)位置(zhì)。因此,流經(jīng)
浮子流量計
的(de)流體流量(liàng)與浮(fú)子上升高度，即(jí)與浮(fú)子流量計(jì)的流通面積之(zhī)間存在着一定的比例關系,浮(fú)子的(de)位置高度(dù)可作爲(wèi)流量量(liàng)度。
浮(fú)子(zǐ)流量計(jì)主要被用來測(cè)量單(dān)相非脈動液體或氣體的流量(liàng),也可(kě)用于腐蝕性流體的測量，具有(yǒu)壓力(lì)損失小(xiǎo)、性(xìng)能可(kě)靠、價(jià)格便宜、結(jié)構簡(jiǎn)單,且便于(yú)安裝等優勢。但(dàn)是存在測量精(jīng)度普遍(biàn)偏(piān)低的(de)缺點(diǎn)，此(cǐ)外，測量(liàng)結果容(róng)易(yì)受到(dào)被測介質(zhì)密度(dù)、粘度(dù)、溫度和(hé)壓(yā)力等因素(sù)的影(yǐng)響。
1.3渦輪流(liú)量計(jì)
如圖3所示爲
渦(wō)輪
流量計
結構(gòu)示意圖(tú)，該(gāi)流量(liàng)計屬于(yú)速(sù)度式(shì)流量計，主(zhǔ)要包(bāo)括感應線圈、渦(wō)輪(lún)葉片、倒流架(jià)導流葉片、管道(dào)殼體等部件。
工作時，當原(yuán)油流(liú)經渦輪流(liú)量計(jì)管道(dào)殼體内部(bù)時，油(yóu)液會沖(chòng)擊渦輪(lún)葉片(piàn),從而(ér)促使渦輪進行(háng)旋轉，且在一.定(dìng)的條件下，渦輪(lún)葉片(piàn)轉速與原(yuán)油流速成(chéng)正比"。此外,渦輪葉片(piàn)具有導磁性,處(chù)于信(xìn)号(hào)檢測器(qì)磁場中時,旋轉(zhuǎn)的葉片切割磁(cí)力線,促(cù)使線圈(quān)兩端(duān)感應(yīng)出電(diàn)脈沖(chòng)信号，對電(diàn)脈沖信号(hào)進(jìn)行處理即可(kě)獲得(dé)流經渦(wō)輪計量(liàng)器的原油(yóu)的瞬時流(liú)量或總量(liàng)。在一定的流量範圍内,脈沖頻(pín)率
f與流(liú)經渦輪計量(liàng)器的原油(yóu)的瞬(shùn)時流(liú)量q成正比(bǐ),其流量方(fāng)程如下:
式中:f-脈(mò)沖頻率(lǜ),hz;k一渦輪(lún)計量(liàng)計(jì)的儀表(biǎo)系數,由(yóu)産品性(xìng)能決(jué)定;q一原油(yóu)的瞬時流量,m/h。
渦(wō)輪流(liú)量(liàng)計的優點:①測(cè)量精度高(gāo);②無零點漂移,抗(kàng)幹擾能力強;③适(shì)用于(yú)潔淨氣體與粘度(dù)較低的(de)潔淨流體。但是(shì)該流(liú)量計必須(xū)遠離外(wài)界電(diàn)場(chǎng)、磁場，必(bì)要時還(hái)需要采(cǎi)取有效的屏(píng)蔽措施，以(yǐ)避(bì)免外界(jiè)幹擾。當然,也存在以(yǐ)下缺點:①測(cè)量正确率不能長期(qī)保持(chí)，需要(yào)定期(qī)校(xiào)準(zhǔn);②對于流體(tǐ)物性(xìng)具有依賴(lài)性。
1.4容積式(shì)流量(liàng)計
容積(jī)式(shì)流量(liàng)計屬排量式流(liú)量(liàng)計，其主要采(cǎi)用機械檢測元(yuán)件将原油連續(xù)不斷(duàn)分割(gē)成單(dān)個已知體積部(bù)分(fèn)，再根據(jù)計量(liàng)室逐次、重(zhòng)複充滿和(hé)排放該體(tǐ)積部分(fèn)流體的(de)次數(shù)來(lái)測量流(liú)體體積總量f。作(zuò)爲典(diǎn)型的容(róng)積(jī)式流量(liàng)計(jì)，橢圓(yuán)齒輪式流(liú)量計(jì)(如圖(tú)4所示)的測量部(bù)分主要由(yóu)兩個(gè)相(xiàng)互(hù)齧(niè)合(hé)的橢圓形(xíng)齒輪(lún)、軸以及殼(ké)體等組成(chéng)。其(qí)測量原(yuán)理(lǐ)爲:當被測原(yuán)油經管(guǎn)道進入(rù)流量計時(shí)，由于(yú)進口(kǒu)處(chù)産生的(de)壓力(lì)差推動橢圓齒(chǐ)輪連續旋(xuán)轉,橢圓(yuán)齒輪每旋轉一-周(zhōu)，就有(yǒu)一定(dìng)數量的原油流(liú)過該流量(liàng)計，所以隻(zhī)需獲(huò)得橢(tuǒ)圓(yuán)齒(chǐ)輪的(de)轉數(shù),就(jiù)能推算(suàn)出被測(cè)原油流(liú)量的(de)總量,其流(liú)量(liàng)計算公式如(rú)下:
v=nu(3)
式中:v一(yī)原(yuán)油(yóu)體積(jī),m³;n一确定時(shí)間内橢(tuǒ)圓(yuán)齒輪轉數,r;u一橢圓齒(chǐ)輪旋轉--周排出(chū)原油體積，m³/r。
容積(jī)式流量計具有以下(xià)優點:①測量(liàng)精度高;②對安裝(zhuāng)管道(dào)條(tiáo)件(jiàn)要求(qiú)低;③測量(liàng)範圍寬、且可(kě)用于高粘(zhān)度原油(yóu)。但存在(zài)以下缺點:①轉子(zǐ)存在被(bèi)原(yuán)油中(zhōng)雜質卡住的(de)風(fēng)險，所以需(xū)要加(jiā)裝過濾(lǜ)器(qì);②結構(gòu)複雜、體積(jī)龐大(dà);③不适(shì)用于高、低(dī)溫場合;④易(yì)産(chǎn)生(shēng)噪聲及振(zhèn)動等(děng)。所以，如(rú)果(guǒ)在油(yóu)、水混輸，且(qiě)含有(yǒu)泥沙雜質的原(yuán)油長(zhǎng)輸管道上(shàng)采用(yòng)容積(jī)式流(liú)量計(jì)，将會給現(xiàn)場帶(dài)來較(jiào)大的(de)工作量,且會提(tí)高運維(wéi)成本(běn)。
1.5超聲波流量計
超(chāo)聲波流量計
是(shì)通過檢測流體(tǐ)流動(dòng)對超(chāo)聲脈(mò)沖的(de)作(zuò)用來測(cè)量流量(liàng)的(de)一種非接(jiē)觸(chù)式流量(liàng)計。圖5所示(shì)爲采用(yòng)時差法測量(liàng)原理的(de)超聲波流量(liàng)計,當(dāng)超聲(shēng)波在成(chéng)品(pǐn)油長(zhǎng)輸管(guǎn)道(dào)中傳輸時,探頭(tóu)a與探頭(tóu)b分别檢測接收(shōu)對方(fāng)發射(shè)的超聲波脈沖,由于(yú)順流方向(xiàng)聲波(bō)傳(chuán)播(bō)速度(dù)大于(yú)逆流(liú)方(fāng)向(xiàng)聲波(bō)傳播速度,則相(xiàng)同傳播距離下就會(huì)得(dé)到不同(tóng)的傳播時間,利(lì)用傳(chuán)播時間之(zhī)差即可計(jì)算原(yuán)油的流速與流(liú)量,計算公(gōng)式如(rú)下:
式中:q一原油(yóu)的流(liú)量(liàng),m³/s;ts一(yī)超聲(shēng)波順流(liú)傳播時間,s;tn一(yī)超(chāo)聲(shēng)波逆(nì)流傳播時間,s;l一(yī)超聲波在傳感(gǎn)器之間的聲道(dào)長度,m;d-管道(dào)内徑,m;θ一管軸(zhóu)線與傳(chuán)感器聲道之前(qián)的夾(jiá)角,°;k一速度(dù)分布剖面(miàn)的修正系數。
超聲波(bō)流量(liàng)計的優點嗎:①可以實現非(fēi)接觸(chù)式(shì)測量，對(duì)原有管(guǎn)道不需(xū)要進行任(rèn)何加(jiā)工就可以進行測量(liàng);②應用範圍(wéi)廣,可以測量水(shuǐ)、氣或油等(děng)多種(zhǒng)液體(tǐ)的流(liú)量;③測量精度不會受(shòu)到被測原油流(liú)體(tǐ)粘度及電導率的(de)影響;④高性(xìng)價比，尤其(qí)是對大管(guǎn)徑流量的(de)測量(liàng)成本較低(dī);⑤其機(jī)械結構相(xiàng)對簡單，可維護性好(hǎo)。⑥流量監測(cè)過程中不存在壓損(sǔn)和能量損(sǔn)失，在節能(néng)方面(miàn)優勢明顯。但是(shì)常規超聲(shēng)波計(jì)量計用于測量(liàng)粘稠(chóu)介(jiè)質時存在信号衰減、漂(piāo)移以及精度(dù)下(xià)降的問題,且測(cè)量精度(dù)會(huì)受到被檢(jiǎn)測原油清(qīng)潔度(dù)的影(yǐng)響。
2原油集(jí)輸用(yòng)流(liú)量(liàng)計發展趨(qū)勢分(fèn)析
孔(kǒng)闆流(liú)量計(jì)與浮(fú)子流量計(jì)具有結構簡單(dān)、價格低(dī)廉(lián)、便于(yú)安裝(zhuāng)等(děng)優勢，所以在我(wǒ)國早期(qī)的成品油長輸(shū)管道中被廣泛(fàn)應用，但是這(zhè)兩(liǎng)種流(liú)量傳(chuán)感器存在測(cè)量精度(dù)普遍偏低(dī)的缺(quē)點,已經(jīng)逐漸被(bèi)淘汰。
渦(wō)輪(lún)流量(liàng)計與容積式流(liú)量計都具有測(cè)量精(jīng)度高的優(yōu)勢,但前者(zhě)存在(zài)測量正确率不能長期(qī)保持、需(xū)要定期(qī)校準的(de)缺點。盡管(guǎn)後者(zhě)對安裝管道條(tiáo)件要求低(dī)、且(qiě)可(kě)用于高粘(zhān)度原(yuán)油計量(liàng)，但其轉(zhuǎn)子存(cún)在被原油中(zhōng)雜質卡住的(de)風險(xiǎn)，不适用于(yú)油、水(shuǐ)混輸，且含有泥(ní)沙雜(zá)質的(de)原油長輸管道工(gōng)況(kuàng)。目前這兩(liǎng)種流量(liàng)傳感器(qì)在原(yuán)油集(jí)輸管(guǎn)道領(lǐng)域的應用(yòng)己處于普及階(jiē)段，但其價格競(jìng)争日益激烈、導緻利(lì)潤空(kōng)間日(rì)益減小(xiǎo),所以這(zhè)兩種傳(chuán)感(gǎn)器都(dōu)面臨着嚴峻的(de)挑戰(zhàn)。
超聲(shēng)波流(liú)量計的優勢是(shì)可實(shí)現(xiàn)非接觸(chù)式測(cè)量，機械結(jié)構簡單，可維護(hù)性好(hǎo)，此外，由(yóu)于(yú)該流量計是利(lì)用電氣原理工作,所(suǒ)以(yǐ)避免了(le)孔闆流(liú)量計、浮(fú)子流量計(jì)、渦輪(lún)流量計以及容(róng)積式流量(liàng)計等(děng)傳統(tǒng)機械(xiè)流量(liàng)計工(gōng)作中需要(yào)更換運動部件(jiàn)的問題(tí)。盡管常(cháng)規超聲波流量計也(yě)存在其不(bú)足之處,例如，其(qí)測量精度(dù)會(huì)受(shòu)到被(bèi)檢測(cè)原油(yóu)清潔度的(de)影響(xiǎng)。但是(shì),超聲(shēng)波流量計的“非(fēi)接觸(chù)式測量”、“體積小(xiǎo)”及“成本低”等顯著優(yōu)勢使其具(jù)有廣泛(fàn)的(de)應用前景。
今後(hòu)原油(yóu)集輸用(yòng)流(liú)量計将朝着以(yǐ)下幾個方面(miàn)快.速發(fā)展:①全(quán)面傳感檢(jiǎn)測智能(néng)化(huà)。一方(fāng)面,可(kě)以在(zài)流量計系統中安裝微處理芯片實現通(tōng)訊功(gōng)能，從(cóng)而(ér)能(néng)夠更好地(dì)與油田生産(chǎn)基(jī)地的(de)控制(zhì)中心(xīn)實現(xiàn)實時通信(xìn)。另一方面,通過(guò)添加相關的傳(chuán)感器以實現對(duì)原油流體密度(dù)、組分及熱能等的測量,最(zuì)終實現流量(liàng)計的傻(shǎ)瓜化和智能化(huà)。②決策優(yōu)化(huà)傳遞(dì)快速化。可(kě)以将(jiāng)自診斷、自修正(zhèng)等相關(guān)智能控(kòng)制算法(fǎ)引入流量計系統，使得(dé)流量計不再僅(jǐn)是傳統的計量(liàng)工具，還能夠實(shí)現系統維護的(de)目的(de)，具有更正(zhèng)确的計量(liàng)精度,對于(yú)不同粘度(dù)原油介質的适(shì)應性和成(chéng)品油(yóu)輸送複(fú)雜(zá)環境的适應(yīng)性(xìng)得到改善和提(tí)高。③安(ān)裝(zhuāng)執(zhí)行可靠簡(jiǎn)單化(huà)。随(suí)着(zhe)科技(jì)發展(zhǎn),流量(liàng)計的(de)機械結構越來越簡(jiǎn)單,逐漸減(jiǎn)少(shǎo)或取(qǔ)消運動(dòng)部件,并(bìng)采用精(jīng)度高(gāo)、性能(néng)好的(de)傳感器(qì)和(hé)電子(zǐ)元器(qì)件,使(shǐ)得流(liú)量計的執行可(kě)靠性越來越好(hǎo)，且自動化(huà)程度(dù)越來越高。
3結論(lùn)
(1)孔闆(pǎn)流量計與(yǔ)浮子(zǐ)流量計雖然結構簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉,但(dàn)是存在測(cè)量精度普(pǔ)遍偏低的缺點(diǎn)，已經(jīng)逐(zhú)漸被淘(táo)汰:渦輪流量計(jì)與容積式(shì)流量(liàng)計都(dōu)具有測量精度高的優勢(shì)，在原油(yóu)集輸管(guǎn)道領域的(de)應用已處于普及階段，但(dàn)其價格競(jìng)争日(rì)益激烈、導緻(zhì)利潤(rùn)空(kōng)間日(rì).益減(jiǎn)小，所以面(miàn)臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
(2)超聲波流(liú)量計(jì)的“非接(jiē)觸(chù)式測量”、“體積小”及“成(chéng)本低(dī)”等顯著優(yōu)勢使其具(jù)有廣(guǎng)泛的(de)應(yīng)用前景。此外(wài)，未來(lái)原油(yóu)集輸用(yòng)流(liú)量計(jì)将朝着(zhe)全(quán)面傳(chuán)感檢(jiǎn)測智(zhì)能化(huà)、決策(cè)優(yōu)化傳遞(dì)快速(sù)化以及安(ān)裝(zhuāng)執行(háng)可(kě)靠簡(jiǎn)單化(huà)三(sān)個(gè)方面(miàn)快速發(fā)展(zhǎn)。
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