摘要:利用鋼管進行一定壓力和速度的流體輸送廣泛應(yīng)用于石油化I、機械裝備、航空航天、汽車、兵器裝備、發(fā)電與核電裝備船舶、冶金等多個領(lǐng)域,這些領(lǐng)域均需要對管道內(nèi)-定壓力和速度的液體進行流量性能、精度高測試。為此,本文分析了目前管道內(nèi)流動液體的流量測試的不同方法的基本原理、技術(shù)優(yōu)缺點、應(yīng)用范圍,進-步探討了管道內(nèi)流動液體的流量測試發(fā)展趨勢。
管道運輸已經(jīng)成為五大運輸體系之一，管道內(nèi)不止可以運輸水、氣、油等液體物質(zhì),也可以運輸固體物質(zhì)。中國的油氣長輸管道里程數(shù)僅次于美國及俄羅斯,但是占比僅為美國的五分之一，為解決我國油氣管網(wǎng)基建規(guī)模落后、管道間互聯(lián)互通程度較低的問題，我國將成立國家油氣管網(wǎng)公司對國內(nèi)油氣管網(wǎng)進行統(tǒng)籌規(guī)劃。.
在油氣生產(chǎn)過程中，流量計作為原油輸送計量系統(tǒng)的核心裝置，其測量的精度將直接影響我國成品油的經(jīng)濟效益。本文在分析各種流量計基礎(chǔ)原理的基礎(chǔ)上，對不同流量計的優(yōu)缺點進行了對比分析，并展望了原油流量計未來的發(fā)展趨勢。
1.原油流量計的工作原理及特點
在原油集輸系統(tǒng)中,采油井場、分井計量站與轉(zhuǎn)接站主要起到完成對油田生產(chǎn)的原油、天然氣等混合物進行收集、計量、以及輸往集中處理站進行處理的作用，所以原油流量計的選擇是否合理將嚴重影響原油生產(chǎn)的經(jīng)濟效益。
1.1孔板流量計
如圖1所示為孔板流量計原理圖，該流量計屬于差壓式流量計，工作時，充滿管道的原油流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流件后會在節(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U型管壓差計內(nèi)指示液的高度變化R來反應(yīng)，再根據(jù)高度差R即可推算出流量,如式(1)所示。此外，也可通過安裝差壓變送器測量得到節(jié)流件兩側(cè)的壓差,進而推算出流量。
式中:qv一待測流體流量,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一待測流體的密度，kg/m³;R一U型管高度差讀數(shù),m。
孔板流量計的優(yōu)點是:結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、價格低廉、應(yīng)用范圍廣泛，在我國早期的成品油長輸管道中應(yīng)用較多。但該流量計存在以下缺點:①測量精度普遍偏低;②因需經(jīng)過節(jié)流裝置導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輸管道中使用;③自動化程度低,對安裝現(xiàn)場施工條件要求高，且易受人為主觀因素的影響,所以該流量計無法滿足當前原油計量精度、效率高的要求圖。
1.2浮子流量計.
如圖2所示為浮子流量計，主要包括錐形管、浮子以及刻度(顯示等零部件回。工作時，當流體自下.而.上經(jīng)錐形管時,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，浮子處于平衡位置。因此,流經(jīng)浮子流量計的流體流量與浮子上升高度，即與浮子流量計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。
浮子流量計主要被用來測量單相非脈動液體或氣體的流量,也可用于腐蝕性流體的測量，具有壓力損失小、性能可靠、價格便宜、結(jié)構(gòu)簡單,且便于安裝等優(yōu)勢。但是存在測量精度普遍偏低的缺點，此外，測量結(jié)果容易受到被測介質(zhì)密度、粘度、溫度和壓力等因素的影響。
1.3渦輪流量計
如圖3所示為渦輪流量計結(jié)構(gòu)示意圖，該流量計屬于速度式流量計，主要包括感應(yīng)線圈、渦輪葉片、倒流架導流葉片、管道殼體等部件。
工作時，當原油流經(jīng)渦輪流量計管道殼體內(nèi)部時，油液會沖擊渦輪葉片,從而促使渦輪進行旋轉(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,渦輪葉片具有導磁性,處于信號檢測器磁場中時,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，對電脈沖信號進行處理即可獲得流經(jīng)渦輪計量器的原油的瞬時流量或總量。在一定的流量范圍內(nèi),脈沖頻率
f與流經(jīng)渦輪計量器的原油的瞬時流量Q成正比,其流量方程如下:
式中:f-脈沖頻率,Hz;K一渦輪計量計的儀表系數(shù),由產(chǎn)品性能決定;Q一原油的瞬時流量,m/h。
渦輪流量計的優(yōu)點:①測量精度高;②無零點漂移,抗干擾能力強;③適用于潔凈氣體與粘度較低的潔凈流體。但是該流量計必須遠離外界電場、磁場，必要時還需要采取有效的屏蔽措施，以避免外界干擾。當然,也存在以下缺點:①測量正確率不能長期保持，需要定期校準;②對于流體物性具有依賴性。
1.4容積式流量計
容積式流量計屬排量式流量計，其主要采用機械檢測元件將原油連續(xù)不斷分割成單個已知體積部分，再根據(jù)計量室逐次、重復(fù)充滿和排放該體積部分流體的次數(shù)來測量流體體積總量F。作為典型的容積式流量計，橢圓齒輪式流量計(如圖4所示)的測量部分主要由兩個相互嚙合的橢圓形齒輪、軸以及殼體等組成。其測量原理為:當被測原油經(jīng)管道進入流量計時，由于進口處產(chǎn)生的壓力差推動橢圓齒輪連續(xù)旋轉(zhuǎn),橢圓齒輪每旋轉(zhuǎn)一-周，就有一定數(shù)量的原油流過該流量計，所以只需獲得橢圓齒輪的轉(zhuǎn)數(shù),就能推算出被測原油流量的總量,其流量計算公式如下:
V=NU(3)
式中:V一原油體積,m³;N一確定時間內(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。
容積式流量計具有以下優(yōu)點:①測量精度高;②對安裝管道條件要求低;③測量范圍寬、且可用于高粘度原油。但存在以下缺點:①轉(zhuǎn)子存在被原油中雜質(zhì)卡住的風險，所以需要加裝過濾器;②結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大;③不適用于高、低溫場合;④易產(chǎn)生噪聲及振動等。所以，如果在油、水混輸，且含有泥沙雜質(zhì)的原油長輸管道上采用容積式流量計，將會給現(xiàn)場帶來較大的工作量,且會提高運維成本。
1.5超聲波流量計
超聲波流量計是通過檢測流體流動對超聲脈沖的作用來測量流量的一種非接觸式流量計。圖5所示為采用時差法測量原理的超聲波流量計,當超聲波在成品油長輸管道中傳輸時,探頭A與探頭B分別檢測接收對方發(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得到不同的傳播時間,利用傳播時間之差即可計算原油的流速與流量,計算公式如下:
式中:Q一原油的流量,m³/s;ts一超聲波順流傳播時間,s;tn一超聲波逆流傳播時間,s;L一超聲波在傳感器之間的聲道長度,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)。
超聲波流量計的優(yōu)點嗎:①可以實現(xiàn)非接觸式測量，對原有管道不需要進行任何加工就可以進行測量;②應(yīng)用范圍廣,可以測量水、氣或油等多種液體的流量;③測量精度不會受到被測原油流體粘度及電導率的影響;④高性價比，尤其是對大管徑流量的測量成本較低;⑤其機械結(jié)構(gòu)相對簡單，可維護性好。⑥流量監(jiān)測過程中不存在壓損和能量損失，在節(jié)能方面優(yōu)勢明顯。但是常規(guī)超聲波計量計用于測量粘稠介質(zhì)時存在信號衰減、漂移以及精度下降的問題,且測量精度會受到被檢測原油清潔度的影響。
2原油集輸用流量計發(fā)展趨勢分析
孔板流量計與浮子流量計具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、便于安裝等優(yōu)勢，所以在我國早期的成品油長輸管道中被廣泛應(yīng)用，但是這兩種流量傳感器存在測量精度普遍偏低的缺點,已經(jīng)逐漸被淘汰。
渦輪流量計與容積式流量計都具有測量精度高的優(yōu)勢,但前者存在測量正確率不能長期保持、需要定期校準的缺點。盡管后者對安裝管道條件要求低、且可用于高粘度原油計量，但其轉(zhuǎn)子存在被原油中雜質(zhì)卡住的風險，不適用于油、水混輸，且含有泥沙雜質(zhì)的原油長輸管道工況。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，但其價格競爭日益激烈、導致利潤空間日益減小,所以這兩種傳感器都面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。
超聲波流量計的優(yōu)勢是可實現(xiàn)非接觸式測量，機械結(jié)構(gòu)簡單，可維護性好，此外，由于該流量計是利用電氣原理工作,所以避免了孔板流量計、浮子流量計、渦輪流量計以及容積式流量計等傳統(tǒng)機械流量計工作中需要更換運動部件的問題。盡管常規(guī)超聲波流量計也存在其不足之處,例如，其測量精度會受到被檢測原油清潔度的影響。但是,超聲波流量計的“非接觸式測量”、“體積小”及“成本低”等顯著優(yōu)勢使其具有廣泛的應(yīng)用前景。
今后原油集輸用流量計將朝著以下幾個方面快.速發(fā)展:①全面?zhèn)鞲袡z測智能化。一方面,可以在流量計系統(tǒng)中安裝微處理芯片實現(xiàn)通訊功能，從而能夠更好地與油田生產(chǎn)基地的控制中心實現(xiàn)實時通信。另一方面,通過添加相關(guān)的傳感器以實現(xiàn)對原油流體密度、組分及熱能等的測量,最終實現(xiàn)流量計的傻瓜化和智能化。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系統(tǒng)，使得流量計不再僅是傳統(tǒng)的計量工具，還能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)維護的目的，具有更正確的計量精度,對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)行可靠簡單化。隨著科技發(fā)展,流量計的機械結(jié)構(gòu)越來越簡單,逐漸減少或取消運動部件,并采用精度高、性能好的傳感器和電子元器件,使得流量計的執(zhí)行可靠性越來越好，且自動化程度越來越高。
3結(jié)論
(1)孔板流量計與浮子流量計雖然結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉,但是存在測量精度普遍偏低的缺點，已經(jīng)逐漸被淘汰:渦輪流量計與容積式流量計都具有測量精度高的優(yōu)勢，在原油集輸管道領(lǐng)域的應(yīng)用已處于普及階段，但其價格競爭日益激烈、導致利潤空間日.益減小，所以面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。
(2)超聲波流量計的“非接觸式測量”、“體積小”及“成本低”等顯著優(yōu)勢使其具有廣泛的應(yīng)用前景。此外，未來原油集輸用流量計將朝著全面?zhèn)鞲袡z測智能化、決策優(yōu)化傳遞快速化以及安裝執(zhí)行可靠簡單化三個方面快速發(fā)展。
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