韓春雨 甘叢笑 胡長(zhǎng)英 馬玉貴

(1.中國(guó)石油新疆油田分公司質(zhì)量管理與節(jié)能處，克拉瑪依 834000；2.中國(guó)石油新疆油田分公司重油開發(fā)公司，克拉瑪依 834000)

0 引言

自1911年7月Jacobs和Sooy在美國(guó)《動(dòng)力和氣體》雜志上發(fā)表了第一篇彎管流量計(jì)的研究報(bào)告《利用管道彎管進(jìn)行水流量測(cè)量的新方法》以來，國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者一直在研究該種流量計(jì)量技術(shù)，提出了很多理論觀點(diǎn)并積累了大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)。但在20世紀(jì)90年代之前，由于受到彎管加工技術(shù)和彎管的空間測(cè)試技術(shù)等方面的限制，使彎管流量計(jì)的流量系數(shù)離散性大，測(cè)量精度較低，無法滿足工業(yè)應(yīng)用的要求[1]。20世紀(jì)90年代，河北理工學(xué)院李志教授發(fā)現(xiàn)彎管傳感器的彎徑比R/D落在某一區(qū)間時(shí)其流量系數(shù)有極好的一致性，解決了流量系數(shù)離散性大的問題，并隨著機(jī)械加工技術(shù)的不斷發(fā)展和彎管流量計(jì)具有的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無附加壓力損失、前后直管段要求不嚴(yán)、可測(cè)臟污流體等優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)開始逐步工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用彎管流量計(jì)。

目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)銷售彎管流量計(jì)的廠家很多，但由于國(guó)家尚未發(fā)布該產(chǎn)品統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和檢驗(yàn)規(guī)范，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，因此有必要研究此種流量計(jì)如何進(jìn)行選型，確保能夠科學(xué)合理的應(yīng)用彎管流量計(jì)，更好的為生產(chǎn)實(shí)際提供準(zhǔn)確可靠的測(cè)試數(shù)據(jù)。

1 基礎(chǔ)理論

彎管流量計(jì)屬差壓式流量計(jì)，其理論為自由旋流理論，即流體在管道中流動(dòng)，經(jīng)過彎道轉(zhuǎn)彎時(shí)由于受到彎管管壁的導(dǎo)流作用，使流體在流進(jìn)彎管時(shí)靠近彎管內(nèi)側(cè)的流體流速被增大，而靠近外測(cè)流體的流速被減小，且在90°彎管的45°中心線的過流斷面處達(dá)到極限狀態(tài)，根據(jù)能量守恒定律使彎管內(nèi)外測(cè)產(chǎn)生一個(gè)差壓值，該差壓值的大小與流體流速、液體密度和彎管的結(jié)構(gòu)等因素密切相關(guān)。當(dāng)彎管結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素確定之后，流體的流量就是彎管內(nèi)外側(cè)差壓值的唯一函數(shù)[2]。如圖1和圖2所示。

圖1 彎管內(nèi)流速分布[2]

圖2 彎管內(nèi)流體的壓力分布[3]

彎管流量計(jì)一般由彎管傳感器、二次儀表、差壓、溫度和壓力測(cè)量裝置等部分組成。特征參數(shù)主要有彎管中心曲率半徑R、彎管內(nèi)徑D、流體密度ρ、流體平均流速v和內(nèi)外側(cè)壓力差Δp共5個(gè)物理量。按彎管傳感器結(jié)構(gòu)的不同，彎管流量計(jì)可分為L(zhǎng)型和S型兩種，L型指的是90°標(biāo)準(zhǔn)折彎型，S型指的是由一個(gè)90°標(biāo)準(zhǔn)折彎和兩個(gè)45°過度接口組合而成的傳感器。本文主要以L型為例。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 高精度標(biāo)準(zhǔn)化的90°彎管傳感器加工及測(cè)試技術(shù)

彎管的彎徑比作為流量計(jì)算理論模型中唯一的幾何特征參量，關(guān)系到流量計(jì)量是否準(zhǔn)確可靠。彎管流量計(jì)的幾何結(jié)構(gòu)尺寸R和D對(duì)流量系數(shù)的影響是明顯的，如果不嚴(yán)加控制，將產(chǎn)生較大測(cè)量誤差，彎徑比R/D=1.5的工業(yè)彎頭的流量系數(shù)才具有良好的一致性和復(fù)現(xiàn)性[3]，因此幾何尺寸(彎徑比、內(nèi)徑、曲率半徑等)是彎管傳感器加工制造的主要控制參數(shù)。只有高精度的彎管機(jī)械加工技術(shù)才可以保證彎管傳感器的彎徑比能夠控制在一個(gè)極小的范圍內(nèi)，加上科學(xué)的測(cè)量方法使彎管彎徑比的測(cè)量精度得到保證[1]，才能解決工業(yè)批量生產(chǎn)出具有嚴(yán)格尺寸特征的標(biāo)準(zhǔn)化彎管傳感器的難題。

2.2 差壓取壓位置

根據(jù)彎管流量計(jì)流量計(jì)量的理論基礎(chǔ)，流體流速在90°彎管傳感器45°處達(dá)到極限狀態(tài)，因此45°是測(cè)取差壓的最佳位置。在彎管流量計(jì)特征結(jié)構(gòu)尺寸R/D統(tǒng)一以及取壓孔統(tǒng)一在45°方向測(cè)量差壓的條件下，彎管流量計(jì)不經(jīng)逐臺(tái)檢定即可達(dá)到優(yōu)于1%的測(cè)量準(zhǔn)確度[5]。

2.3 微差壓精確測(cè)量技術(shù)

流體流過90°彎管傳感器所能產(chǎn)生的最大差壓為3000Pa左右，屬于微差壓。該差壓作為彎管流量計(jì)算最重要、最直接的測(cè)量參數(shù)，其測(cè)量值是否準(zhǔn)確可靠，影響整個(gè)系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性，因此需要微差壓測(cè)量技術(shù)，選擇性能準(zhǔn)確可靠的差壓測(cè)量?jī)x表與彎管傳感器配套使用。

2.4 溫壓補(bǔ)償修正技術(shù)

彎管流量計(jì)用于流體質(zhì)量流量計(jì)量時(shí)涉及到流體的密度，需要流量計(jì)算機(jī)內(nèi)置流體在不同溫度、壓力下的密度表或者工況密度計(jì)算公式，能夠?qū)α黧w的密度進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度和壓力等參數(shù)的補(bǔ)償，確保質(zhì)量流量計(jì)量的準(zhǔn)確可靠。

3 選型要點(diǎn)

3.1 選擇高精度加工的彎管傳感器

隨著現(xiàn)代機(jī)械加工技術(shù)的不斷發(fā)展，可選擇沖壓或推制工藝生產(chǎn)的彎管傳感器，但最好選擇采用數(shù)控一體化加工工藝的彎管傳感器，確認(rèn)彎徑比誤差、端面加工誤差、局部彎曲程度、內(nèi)孔直徑誤差等參數(shù)是否在允許范圍內(nèi)。選擇的彎管傳感器的結(jié)構(gòu)應(yīng)前后對(duì)稱，用于測(cè)量高溫高壓介質(zhì)(如蒸汽等)時(shí)，應(yīng)選用帶加固結(jié)構(gòu)的90°彎管傳感器，確保曲率半徑盡可能不發(fā)生變化。

彎管傳感器上的取壓孔應(yīng)該是與傳感器一起按照嚴(yán)格的尺寸加工的，不應(yīng)是現(xiàn)場(chǎng)打孔安裝。

3.2 合理選擇彎管傳感器口徑

彎管流量計(jì)與其它類型流量計(jì)一樣，也存在最小流量問題，因此需根據(jù)不同介質(zhì)的流速范圍合理選擇彎管傳感器口徑。對(duì)于液體介質(zhì)其流速適應(yīng)范圍為0.3～5.0m/s，對(duì)于氣體介質(zhì)(包括蒸汽)流速適應(yīng)范圍達(dá)7.0～70m/s[6]。同時(shí)彎管傳感器需選擇與安裝管道內(nèi)徑相同的口徑，避免內(nèi)徑不一致影響被測(cè)介質(zhì)流態(tài)。

3.3 選擇高精度、性能穩(wěn)定可靠的差壓變送器

需選擇合適量程及靜壓范圍、準(zhǔn)確度高、零漂小、性能穩(wěn)定可靠的差壓變送器與彎管傳感器配套使用，根據(jù)被測(cè)介質(zhì)情況，正確設(shè)定差壓變送器的使用量程，并保證與流量計(jì)算機(jī)中的差壓量程設(shè)置相一致。必須選用電容式或擴(kuò)散硅式差壓變送器，準(zhǔn)確度等級(jí)優(yōu)于0.5級(jí)，一般推薦使用國(guó)產(chǎn)高性能1151型或用進(jìn)口羅斯蒙特、霍尼威爾、EJA等差壓變送器[7]。

3.4 正確選擇安裝方式

彎管傳感器的現(xiàn)場(chǎng)安裝方式有水平轉(zhuǎn)水平、水平轉(zhuǎn)垂直、垂直轉(zhuǎn)水平等，建議盡可能選擇水平轉(zhuǎn)水平方式。因?yàn)檫x擇水平轉(zhuǎn)垂直或者垂直轉(zhuǎn)水平方式，首先在45°方向上的取壓口會(huì)存在一定的高度差，給測(cè)量結(jié)果帶來誤差。其次需考慮對(duì)垂直方向流體重力加速度的修正問題。最后是同一彎管不同的安裝方式，流量修正系數(shù)是不同的[8]。水平安裝方式可實(shí)現(xiàn)流體雙向測(cè)量[2]。

當(dāng)彎管傳感器采用焊接方式與前后直管段相連時(shí)，應(yīng)采用合適焊接工藝，保證彎管傳感器和管道的內(nèi)徑精確對(duì)接；當(dāng)采用法蘭連接方式時(shí)，法蘭應(yīng)與彎管傳感器具有相同的內(nèi)徑，安裝時(shí)應(yīng)保證同軸，保證內(nèi)部流體通道的光滑，避免存在擾動(dòng)流體的障礙。

為避免高溫差對(duì)測(cè)量的影響，彎管傳感器盡可能安裝在只產(chǎn)生彈性變形的工業(yè)管道上，前后直管段長(zhǎng)度相等，并對(duì)前后直管段采取加固措施，減少溫差引起的彎管傳感器彎徑比變化造成的測(cè)量誤差。

當(dāng)被測(cè)介質(zhì)為飽和蒸汽或過熱蒸汽時(shí)，溫度壓力的突變可能會(huì)造成差壓兩側(cè)液位的波動(dòng)，對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，應(yīng)在與水平安裝的彎管傳感器中心截面方向，緊接引壓孔處水平安裝盤式冷凝器作為液位平衡器。使氣、液分界面在同一水平面前后移動(dòng)，確保差壓兩側(cè)的液位高度適中處于同一水平面[9]。

3.5 充分考慮彎管流量計(jì)的適用范圍

目前彎管流量計(jì)主要成功應(yīng)用于熱水、飽和蒸汽或過熱蒸汽、天然氣等單相流體計(jì)量方面，幾乎沒有看到在多相流流量測(cè)量方面的應(yīng)用實(shí)例，主要是因?yàn)閺澒軅鞲衅鞯睦碚摶A(chǔ)與其它差壓式流量計(jì)相似，認(rèn)為進(jìn)入彎管傳感器的流體是充分發(fā)展的紊流狀態(tài)，具有梯形速度分布的特點(diǎn)，流體物性相對(duì)穩(wěn)定，經(jīng)過溫度、壓力補(bǔ)償即可得到流體的真實(shí)密度、黏度等參數(shù)。而多相流(如濕飽和蒸汽)存在著相分界面，相的分布狀況是多種多樣的，各相可能是連續(xù)的，也可能是分散的，呈現(xiàn)不同的流型，各相的速度可能也是不同的，存在相間滑脫現(xiàn)象，這些特點(diǎn)決定了流體的密度、黏度等物性參數(shù)處于不斷變化過程中[10]，單靠一個(gè)彎管流量計(jì)是很難同時(shí)測(cè)出流體密度、流速等參數(shù)的。如測(cè)量濕飽和蒸汽時(shí)，流體密度取決于溫度、壓力和干度，溫度、壓力可通過測(cè)量?jī)x表實(shí)測(cè)得到，而蒸汽干度在目前技術(shù)條件下是無法在線實(shí)時(shí)測(cè)量的，因此需要同時(shí)測(cè)量出流體密度、流速兩個(gè)未知量才能得到濕飽和蒸汽的體積流量或質(zhì)量流量。因此單獨(dú)應(yīng)用彎管流量計(jì)是無法測(cè)量濕飽蒸汽等多相流流量的。

根據(jù)目前出現(xiàn)的多相流測(cè)量技術(shù)，彎管流量計(jì)作為一種差壓式流量計(jì)可與其它測(cè)量?jī)x表并用，同時(shí)測(cè)量出流體的密度和流速后根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算出流量。

4 結(jié)論

彎管流量計(jì)雖然與其它差壓式流量計(jì)相比具有很多優(yōu)點(diǎn)，在高溫高壓介質(zhì)測(cè)量方面具有很多優(yōu)勢(shì)，但也有一些缺點(diǎn)，如耐低溫性能差、差壓變送器選型要求高和維護(hù)量大、需安裝在管道的轉(zhuǎn)彎處(S型除外)、用戶對(duì)此種流量計(jì)認(rèn)識(shí)上存在差異等，因此需要用戶對(duì)彎管流量計(jì)進(jìn)行科學(xué)合理的選型，確保正確應(yīng)用到適合的工藝上，充分發(fā)揮自身技術(shù)優(yōu)勢(shì)，解決工業(yè)生產(chǎn)中的流量計(jì)量難題。

[1] 宋建華，李志.彎管流量計(jì)與孔板流量計(jì)的性能比較[J].自動(dòng)化儀表，1998(3):19

[2] 王玉東.彎管流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需注意的幾個(gè)問題[J].河北能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004(2):47-49

[3] 李志，張金峰，周振江，等.彎管流量計(jì)的研究和應(yīng)用[J].計(jì)量學(xué)報(bào)，2003(3):53-55

[4] 錢承耀，錢玉，蔣雪珍.彎管流量計(jì)流量系數(shù)的試驗(yàn)研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1994(6):121

[5] 李志，王池.彎管流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化[J].河北理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2004(4):22

[6] 王玉東.淺析彎管流量計(jì)的特點(diǎn)[J].河北理工學(xué)院學(xué)報(bào)，1996(4):90

[7] 何岳，張金鋒，李志.彎管流量計(jì)在蒸汽計(jì)量中的應(yīng)用[J].工業(yè)計(jì)量，2001(2):38

[8] 鄭建光，梁國(guó)偉，程遠(yuǎn)貴.彎管流量計(jì)的特性實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)，1999(2):43

[9] 王玉東.彎管流量計(jì)安裝中應(yīng)注意的幾個(gè)問題[J].計(jì)量技術(shù)，2004(12):58

[10] 薛國(guó)民，沈毅.彎管流量計(jì)測(cè)量多相流實(shí)驗(yàn)研究[J].油氣田地面工程，2006(10):11