海洋平台常用流量计的选型分析

王 东

(北京高泰深海技术有限公司 天津分公司,天津 300451)

流量计量是海洋平台计量的重要组成部分之一，海洋平台空间紧张，油气生产设施布置紧凑，距离陆地较远，一旦发生风险，轻则影响生产，重则导致平台火灾和原油泄漏，造成重大经济损失和恶劣的社会影响。因此做好工作流量计的选型，对保证生产质量、提高生产效率等具有重要的作用。

流量计量是一项极其复杂的工作[1]，需要考虑各种环境因素、被测介质的理化特性、被测介质当前的工艺参数等。流量测量方法很多，流量仪表的种类更是繁多，可供工业用的流量计量仪表就有60多种[1]。每种产品适用性和局限性都不一样。目前，海洋平台可选的流量计类型主要有科氏质量流量计、超声波流量计、容积式流量计、孔板流量计、电磁流量计、涡轮流量计、涡街流量计、转子流量计、V锥型流量计、靶式流量计等[2]。

1 海洋平台常用流量计的原理及特点

1.1 科氏质量流量计

科氏质量流量计的传感器内有2个平行流管，中间设有驱动线圈，两端设有检测线圈。当发射机提供的激励电压加到驱动线圈上，振动管在往复周期中振动，流体流过传感器的振动管时，振动管就会产生科氏力效应，使振动管产生扭转振动。安装在振动管两端的检测线圈将产生2组不同相位的信号，2个信号的相位差与流体通过传感器的质量流量成正比。

优点：直接测量流体的质量流量，测量精确度高；测量范围广泛；测量管的振动幅小，可视作非活动件，无扰流件和活动件；测量值对迎流流速分布不敏感、对流体黏度不敏感；流体密度对测量值影响微小。缺点：零点不稳定；不能用于测量低密度介质和低压气体；容易受到振动干扰；无法测量大管径；测量管内壁沉积结垢或磨损腐蚀会严重影响测量精度[2]；压损大；重量较大，体积较大；价格昂贵。

1.2 超声波流量计

超声波流量计是指基于超声波在流动介质中传播速度等于被测介质的平均流速与声波在静止介质中速度的矢量和的原理开发的流量计，主要有多普勒式、时差式、波束偏移式、噪声式及相关式等类型[3]。海洋平台通常采用多声道、时差式。时差式基本原理：超声波沿流体正向传播和其沿流体逆向传播的速度不同会引起时差。采用2(多)个超声波发送器(UA和UB)和2(多)个超声波接收器(RA和RB)，2组取自同一声源的声波在UA与RA之间和UB与RB之间分别传送，这2组声波与管道均成α角(α=45°)，超声波流量计原理示意图见图1。向下游发射的超声波会被流体加速，而向上游发射的超声波会被延迟，其时间差与流体流速成正比[4]。也可以发送正弦波信号测量2(多)组声波之间的相移来计算出流体的流速。

图1 超声波流量计原理示意图

优点：可作非接触测量，无扰流，无压损；可测量大尺寸管道，在无法实现实流校验时可选择超声波流量计；可测量非导电性流体。缺点：耐温性能不高；抗干扰能力差；直管段要求严格；结垢会严重影响测量准确度及测量精度；可靠性、精度等级不高；重复性差、使用寿命短、价格较高，超声流量计(时差式)只能用于洁净流体。

1.3 容积式流量计

容积式流量测量是采用固定的小容积来反复计量通过流量计的流体体积[5]。在容积式流量计内部必须具有一个或多个标准容积的空间，通常称为“计量空间”，该空间由仪表壳体内壁和流量计转动部件组成。流体通过会带动流量计的转动部件旋转，在这个过程中，流体一次又一次地充满计量空间，然后在一次又一次地排出。在一定条件下，该计量空间的容积是固定的，测得流量计转动部件的旋转次数[5]，即可以计算得到通过流量计的流体流量的累积值。

优点：计量精度高；无直管段要求；能用于高黏度、低雷诺数流体的测量；可选直读式仪表，无需外部能源(也可采用锂电池供电)，可直接测量累积流量。缺点：结构复杂，体积大；对被测介质种类、洁净度和相态要求较高；不能用于高温和低温工况；产生较大噪声和振动。

1.4 孔板流量计

孔板流量计是由标准孔板和差压变送器配套组成的流量计量仪表，属于差压式流量计的一种。它是以流动连续性方程和伯努利方程式为基础，当充满管道的流体流经标准孔板时，在孔板的节流孔处流体流速加快，在孔板前后产生了压差，流体的流量越大，在孔板前后产生的压差越大，便可通过测量压差来计算出流体流量。

优点：标准节流孔板得到了国际标准化组织的认证，各国通用，无需实流校准；结构简单、易于复制；性能稳定可靠；应用广泛，价格低廉。缺点：长期使用精度下降，需要适时保养；重复性、精确度不高；测量范围窄，受流体雷诺数影响较大；安装要求较高；压损大，长期运行和后期保养费用高。

1.5 电磁流量计

电磁流量计是依据法拉第电磁感应定律研发的适用于多数可导电介质的流量计。根据该原理，在导管垂直方向施加一个交变的磁场，并在流量计绝缘衬里的内壁两侧设置2台配套电极，两电极的连线既与导管轴线垂直，又与磁场方向垂直，当流体流经导管时，因切割磁感线，2个电极上就产生感应电动势，该感应电动势与流量成正比，通过测量该电动势的大小可计算出管内流动的流体的流量[6]。

优点：不受流体密度、黏度、温度、压力等物理性质变化的影响；无扰流，无压损，特别适合浆液测量；耐腐蚀、耐磨损；功耗低、零点稳定、精确度高；可双向测量；传感器使用寿命极长；所需的直管段较短。缺点：无法测量含有大量气体的液体；被测液体的电导率须高于10-5S/cm；不能用于高温和高压流体的测量；易受外界环境电磁场的干扰。

1.6 涡轮流量计

涡轮流量计是应用力学原理进行流量测量的典型流量计。流体通过管道时带动涡轮旋转，在一定条件下，测得转动部件的旋转速度，涡轮的转速与流量成正比[7]，通过测量涡轮的转速可计算出管内流动流体的流量。

优点：精度高，能耗少，重复性好，无零点漂移，结构紧凑。缺点：校准时效不长，需要定期校准；流体物性对流量特性影响大；有传动部件，抗震动能力差；必须水平安装。

1.7 涡街流量计

涡街流量计也称之为旋涡流量计或卡门涡街流量计，测量基本原理是流体在流经旋涡发生体时会产生振荡。当流体在管道中经过旋涡发生体时，在旋涡发生体后上下交替产生2列规则的旋涡，旋涡的释放频率与流体平均速度及旋涡发生体特征宽度有关，可用f=Stv/d表示。f为旋涡的释放频率,Hz；v为流体平均速度,m/s；d为旋涡发生体特征宽度，m；St为斯特劳哈尔数(Strouhal number)，无量纲，它的数值范围为0.14～0.27。St与流体的雷诺数有关，流体的雷诺数Re在2×104～7×106之间时，St为常数，这也是涡街流量计的精度保证范围。

优点：结构简单，无可动部件，可靠性高；安装简单，维护方便；性能稳定，寿命长；无零点漂移，精度较高；压损较小，运行费用低。缺点：误差大；抗振性能差；测量脏污介质适应性差；管段要求高；耐温性能差。

1.8 转子流量计

转子流量计也称为浮子流量计，是根据节流原理测量流体流量的。在流速和浮力的共同作用下，浮子可以沿着自下向上扩大的竖直锥形管内运动，当浮子重力与浮力及流体流动产生的摩擦力平衡后，浮子保持相对位置上的静止，在一定条件下，浮子的位置与流体的流速成正比关系，通过浮子的位置可计算出通过该处流体的流量。

优点：适用于小管径和低流速；可用于较低雷诺数流态；工作可靠、维护量小、寿命长；就地型指针指示接近于线性；结构简单，价格低廉。缺点：应用局限于中小管径；玻璃管转子流量计的玻璃管易碎，不适用于大部分工业场地；转子流量计只能用于自下向上垂直流的管道安装；使用流体和出厂标定流体不同时，要作流量示值修正。

1.9 V锥型流量计

V锥型流量计是一种差压流量计，其工作原理示意图如图2所示，它以流动连续性方程和伯努利方程式为基础，利用V锥体在流场中产生的节流效应，通过检测V锥体前后的压差来实现流量的测量。与其他节流元件相比，它改变了节流布局，从中心孔节流改为环状节流。当充满管道的流体，流经管道内的节流元件时，流体将在节流元件处形成局部收缩，从而使流速加快，静压力降低，在节流元件前后便产生了压差，介质流速越大，在节流元件前后产生的压差就越大，流体流量的大小可通过测量压差来进行测量，由于其特殊的结构，与标准节流装置相比，雷诺数下限值有了很大程度的改善，但当雷诺数很小时，V锥型流量计的不确定度将增大，精度将难以保证。

图2 V锥型流量计工作原理示意图

优点：流量大、长期测量精度高、重复性和稳定性好，安装限制少、耐磨损、耐赃耐污。缺点：易堵塞、压损大、结构复杂、拆装困难、量程比小、小流量测量精度低。

1.10 靶式流量计

靶式流量计主要用于解决高黏度、低雷诺数流体的流量测量，工作原理是当介质在测量管中流动时，因其自身的动能会对阻流件施加一作用力，其作用力大小与介质流速的平方成正比，阻流件接受的作用力，经刚性连接的传递件传至传感器，传感器产生电信号输出此电压信号经计算机处理后，即可得到相应的瞬时流量和累积总量。

优点：结构坚固、无可动部件、安全可靠；适合大管径、高低压介质的测量，拆卸方便；无任何泄漏点、耐高压；重复性好、测量速度快；压损小；抗干扰；基本不受流体内杂质影响；能通过更换阻流件(靶片)的方法而变量程；安装简单方便，易维护。缺点：每次安装都需要设置零点；精度较低，不推荐用于贸易结算；不能用于频繁断流的工况。

2 雷诺数的计算

雷诺数是流体力学中表征黏性影响的相似准则数，记作Re。它又称雷诺准数，是用以判别黏性流体流动状态的一个无因次数群。流体在圆管内的流动形态除了与流速有关外，还与管径、流体的动力黏度、流体的密度这3个因素有关，其数学公式表达为：

Re=ρv′L/μ，

(1)

式中，ρ为流体密度；v′为流场的特征速度；L为流场的特征长度[8]；μ为动力黏性系数。

3 常用流量计的选型

常用流量计各有特点，在选用流量计时应扬长避短，根据以下原则选择适合本项目的流量计。

1)安全生产原则。第一是测量方式的可靠性，即取样或节流装置在生产中不会发生机械强度或电气回路故障而引起事故；二是测量仪表无论在正常工作还是在故障情况下都不能对生产系统的安全性产生影响。高温高压下、冲蚀较严重的场合，不能使用结构强度低的靶式、涡轮流量计，也不能使用需要插入安装的流量计。

2)满足工艺需求要求原则。根据相关工艺参数(流量、密度、黏度、管道的直径)计算出雷诺数，当雷诺数小于2 300时，流体处于层流流态；当雷诺数大于2 300且小于4 000时，流体处于过渡流流态；当雷诺数大于4 000时，流体处于紊流流态。工程上的流体大部分处于紊流流态，绝大部分的流量计量仪表也是针对紊流流态的流体进行设计的，所以对于处于层流流态和过渡流流态流体的流量计量需要选用特殊的流量计。

流量计在其量程比范围内才能保证精度，选型时应注意流量范围，选择合适量程比的流量计。常用流量计量程比：科氏质量流量计，100∶1；转子流量计，10∶1；超声波流量计，100∶1；涡街流量计，10∶1；涡轮流量计，10∶1；靶式流量计，15∶1；孔板流量计，3∶1；电磁流量计，100∶1，V锥型流量计，10∶1，容积式流量计，10∶1。

3)安装要求原则。流量计精度，受其前后直管段长度影响，选型时应结合管道专业的三维模型，按照前后直管段长度相关要求进行流量计的选择，常用流量计对上游、下游直管段的要求如表1所示，其中D为流量计直径。

4)价格原则。科氏质量流量计、容积式流量计和超声波(管段式)流量计是比较昂贵的流量计，转子和孔板流量计价格较低，而涡轮、涡街、靶式、超声波(外夹式)、V锥型等流量计的价格在250 mm(10寸)以内都相差不远，250 mm(10寸)以上的流量计应尽量选用价格便宜的孔板流量计。

表1 常用流量计对上游、下游直管段的要求 mm