流体黏度对容积式流量计的性能影响

吴丹（大庆油田设计院有限公司）

不同产地的原油，物理性质差异很大，且原油计量工况较为复杂，再加上人为操作、管理漏失的存在，导致原油动态计量误差较大。计量准确性关系到原油交接双方的利益，明确原油计量中存在的问题和因素，形成优化措施，在保障贸易交接双方合法利益和维护国家能源安全方面具有重要意义。

目前应用于原油计量的流量计多采用容积式流量计，虽然其具有功能稳定、准确度高、测量范围大等优点。但在输送温度、压力和油品黏度变化较大时，会对其计量准确度造成影响[1]。结合实际情况，从流体黏度影响因素方面出发，对原油贸易交接中容积式流量计的计量误差进行分析。

1 原理

容积式流量计由测量室、运动部件、传动和显示部件组成。测量室也叫“计量室”，它由仪表壳的内壁和运动部件一起构成一个标准体积空间。当介质通过流量计，在其进出口产生的压力差会推动流量计的运动部件旋转。在测量介质流动的过程中，会一次次地充满“计量室”，计算累加充满计量室的次数，将其与标准体积相乘，最终得到所测介质通过流量计的流量[2]。通过安装在壳体上的电磁信号传感器检测后，产生电信号并经二次仪表将其转化为对应的流量值，显示在仪表盘上[3]。

设容积式流量计的测量误差值为E，测量误差公式见式（1）：

式中：V为流量计的计量室标准体积值，m3；N为一定时间内累加充满计量室的次数；a为仪表的齿轮比（由齿轮组的齿轮比和仪表指针转动一周的刻度值确定）。

测量误差由仪表指示值与累计流量之差与指示值相比得出，从公式（1）可见，容积式流量计的误差特性仅与计量室标准体积值V、仪表的齿轮比a有关。也就是说，从测量原理的角度来说，容积式流量计的测量误差只与流量计自身的结构有关，而与流体性质和流量值无关，这个误差特性称为容积式流量计的理想误差特性[4-5]，容积式流量计误差特性曲线见图1，曲线是一条平行于横轴的直线。曲线2 是实际检定得出的误差曲线。

这是因为容积式流量计存在不可避免的漏失量现象，即流过壳的内壁与运动部件之间间隙的流体流量没有被计量。此时计算测量的误差见式（2）：

式中：Δg为漏失量，m3/h；q为流量，m3/h。

分析公式（2）可知，测量误差与流量之间的关系受单位时间内的漏失量影响，假定Δg是一个定值：当q很小时，E趋于负无穷大；当q逐渐增大时，E趋于理想误差，但是误差不可能完全消除。

2 黏度因素对计量误差的影响

黏度是阻止流体流动的一种物理化学性质，由于这一性质的作用，使流体在运动中受到阻力。在容积式流量计计量原理中，受机械加工水平限制，其运动部件与壳体内壁间缝隙会随着黏度引起的表面张力作用而改变，引起不同程度的介质漏失，产生计量误差。因此，黏度对容积式流量计计量性能具有重要作用。

2.1 黏度与漏失量的关系

影响容积式流量计漏失量Δg的最主要因素是流体的黏度，随着流体黏度的变化，漏失量也会随着改变。计算漏失量见式（3）：

式中：W为运动部件与壳体内壁之间的间隙宽度，mm；L为运动部件与壳体内壁之间的间隙长度，mm；η为液体的动力黏度，Pa·s；Δp为流量计前后压力差，kPa。

从公式（3）可见，漏失量与黏度成反比关系，在高黏度液体流动时，漏失量小；在低黏度液体流动时，漏失量大[6]。

液体黏度增大可以使漏失量减小，但是会造成流量计的通过量降低。为提高流量计的通过量，一般采取的方法就是增加液体温度，而温度升高，会导致流量计计量室内体积增大，W增加，漏失量明显增大[7]。每一种油品存在自身最佳计量温度范围，即也对应着最佳黏度范围。在这个范围内，流量计计量油品，计量性能稳定，计量结果准确可靠[8]。所以，在日常输油与检定时，都要保持适宜的温度，既能保证流量计通过量又不会增加漏失量。

2.2 影响黏度的因素

2.2.1 压力差

液体流过流量计所引起的不可恢复压力差为压力损失。容积式流量计的内部运动部件是通过流体的压力进行作用的，为了维持稳定的运动，则存在相应的压力差。流量计前后的压力差受到黏度因素的影响，当黏度增大时，压力差也随之增大，由公式（3）得出漏失量与流量计前后压力差成正比关系，因此，漏失量也会增大。尤其是越高黏度的流体越需要更大的能量推动运动部件，产生的压力差就会越大。

压力差还与液体流量以及流量计本身结构都有关系。流量越大，压力差越大；流量计运动部件与壳壁之间的间隙越大、运动部件机械摩擦阻力越大，压力差越大。漏失量随压力差变化而变化，漏失量的大小直接影响到流量计计量误差的大小，也就说明压力差大小影响到流量计的计量误差。

2.2.2 温度因素

流量计计量过程中，温度需保持在一定范围内，如果温度发生变化，被计量液体的黏度、体积、密度以及运动部件的间隙都会随之变化[9]。一般情况下，温度升高后液体黏度下降，温度降低后液体黏度上升，两者成反比关系。

通常状态下，运动部件完全浸泡在液体中，其温度与液体温度一致。当液体温度升高，运动部件会受周围液体温度的影响而逐渐膨胀，而壳体的温度除了受液体温度影响外，同时还受外界环境温度影响，因此壳体的膨胀速度小于运动部件的膨胀速度，在一定程度上缩小了它们之间的间隙，减少了漏失量。但是，温度升高会使液体黏度降低，漏失量也会增大。温度对于容积式流量计漏失量的影响是双方面的，需要根据具体液体的物理化学性质以及周围环境，设置最适合的温度，减少温度对流量计计量性能的影响。

通过对同一台容积式流量计在相同介质下进行3 次试验测试，设置测试流量点分别为50 m3/h、100 m3/h、180 m3/h，在每个流量点设置相同压力，温度依次减少5 ℃，流量计测试数据分别见表1、表2、表3，流量计系数曲线见图2。

表1 流量计测试1 数据Tab.1 Test 1 data of flowmeter

表2 流量计测试2 数据Tab.2 Test 2 data of flowmeter

表3 流量计测试3 数据Tab.3 Test 3 data of flowmeter

图2 流量计系数曲线Fig.2 Curve of flowmeter coefficient

由图2 可以看出：在其他测试条件一致的情况下，不同温度设置下流量计系数相差较大；第1 组测试数据显示流量计系数最大，这是因为温度升高，黏度降低，漏失量增大，流量计系数随之变大；第3 组测试温度最低，但流量计系数却大于第2 组测试数据，说明温度设置要符合介质物理特性，而不是只要降低温度就会减少漏失量，减小计量误差。

温度变化影响黏度变化，进而影响漏失量变化。在容积式流量计计量和检定过程中，要从计量介质的液体温度、检定温度以及环境温度等多方面考虑，维持相对稳定的工况环境，可以有效减少容积式流量计的计量误差。尤其是计量的原油物性较差时，很小的油品温度差变化也会产生很大的计量误差，因此，在原油计量中要重点控制油品的温度[10]。

3 结语

导致容积式流量计计量误差的因素有很多，着重研究了黏度对其计量性能的影响。压力损失、温度变化都会引起液体黏度的变化，同时还会对流量计结构本身产生影响。由于液体黏度因素影响容积式流量计的计量误差是不能消除的，为此，我们需要对原油计量有明确的认识，掌握容积式流量计的工作原理，从实际计量和检定工作中发现存在的问题，并采取有效措施，降低交接双方的经济损失。原油的黏度受温度影响较大，漏失量随黏度变化而变化，这样直接影响了流量计的计量准确度。为了提高流量计的计量准确度。建议：在检定流量计时注意，检定温度和输油温度尽量保持一致；检定流量计时，要根据实际的介质物理化学性质以及周围环境，设置最适合的温度，降低温度因素对流量计计量性能的影响。