林 謀

中海石油(中國)有限公司湛江分公司,廣東 湛江 524057

0 引言

差壓式流量計(jì)是一種在工業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用的流量計(jì)量器具,在面對不同測量對象和測量工況時(shí)需要進(jìn)行安裝方式的適應(yīng)性選擇,適當(dāng)?shù)陌惭b方式可確保使用者獲得真實(shí)的流量值。在實(shí)際工作中,差壓式流量計(jì)會遇到檢修及部件更換等情況,原流量計(jì)的零點(diǎn)修正方法無法適用于新流量計(jì),需要進(jìn)行有針對性的零點(diǎn)修正,消除因維修和更換帶來的零點(diǎn)誤差。

1 差壓式流量計(jì)的工作原理

差壓式流量計(jì)是一種測定流量的儀器,其工作原理都是基于封閉管道中流體質(zhì)量守恒(連續(xù)性方程)和能量守恒(伯努利方程)定律。它是利用流體流經(jīng)節(jié)流裝置時(shí)所產(chǎn)生的壓力差與流量之間存在一定關(guān)系的原理,通過測量壓差來實(shí)現(xiàn)流量測定。

充滿管道的流體流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流元件時(shí)造成流束局部收縮,使管中心流體流速發(fā)生變化,其靜壓力也隨之變化。流量Q的計(jì)算公式[1]如下。

(1)

式中:Qv體積流量;C為流出系數(shù);ε為可膨脹系數(shù);A為節(jié)流件開孔截面積;ΔP為節(jié)流裝置輸出的壓差;β為直徑比;ρ1為被測流體的密度。

2 差壓式流量計(jì)的壓力引出方式及優(yōu)缺點(diǎn)

差壓式流量計(jì)的壓力引出方式主要由差壓傳感器要求、被測介質(zhì)物化性質(zhì)決定,主要包含毛細(xì)管導(dǎo)壓和管線導(dǎo)壓2種方式,2種導(dǎo)壓方式在工業(yè)應(yīng)用上各有優(yōu)勢。

2.1 毛細(xì)管導(dǎo)壓

毛細(xì)管導(dǎo)壓是一種無接觸的壓力引出方式,須在取壓點(diǎn)安裝導(dǎo)壓法蘭,導(dǎo)壓法蘭與毛細(xì)管的膜盒法蘭通過螺栓相連,膜片外側(cè)與被測介質(zhì)直接接觸,膜片內(nèi)側(cè)與毛細(xì)管內(nèi)部充滿硅油,硅油被密封在由膜片、毛細(xì)管和差壓傳感器壓力腔室所形成的空間內(nèi),利用液體的可壓縮性小的特點(diǎn)進(jìn)行壓力的無損傳遞。

這種壓力引出方式被測介質(zhì)與差壓傳感器無需直接接觸,可對傳感器起到有效保護(hù)。使用者可根據(jù)被測介質(zhì)的毒性、腐蝕性、易凝固性、易結(jié)晶性和酸堿度進(jìn)行膜片選擇來滿足使用要求。但使用的變送器價(jià)格昂貴,膜片使用過程中維護(hù)要求高,在設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)過程中需要加強(qiáng)對膜片的保護(hù),膜片在受到尖銳物體觸碰或受力不均時(shí)極易損壞,導(dǎo)致壓差值測量失真。

2.2 管線導(dǎo)壓

管線導(dǎo)壓是一種接觸式的壓力引出方式,該方式下使用的變送器無特定附屬管線,要求管線直徑在8～12 mm,管線長度在45 m以內(nèi)。變送器高低壓腔室位置預(yù)留接口,使用時(shí)通過儀表管等管線將被測介質(zhì)引入傳感器的高低壓腔內(nèi),差壓傳感器再檢測2個(gè)腔室所產(chǎn)生的壓差。該種方式被測介質(zhì)與差壓傳感器直接接觸,在使用時(shí)需要根據(jù)被測介質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)對差壓變送器和壓力引出管線的材質(zhì)進(jìn)行選擇,避免使用過程中因腐蝕、介質(zhì)結(jié)晶和介質(zhì)凝固等原因?qū)е铝髁坑?jì)無法測量或差壓變送器損壞,該類型的差壓變送器價(jià)格相對便宜,且導(dǎo)壓管線敷設(shè)距離長,相比毛細(xì)管導(dǎo)壓來說靈活性強(qiáng),適用范圍廣。

3 差壓式流量計(jì)的安裝方式

3.1 水平安裝上部引壓

節(jié)流裝置水平安裝,節(jié)流元件與管道的同軸度控制在1°誤差內(nèi),節(jié)流元件前至少要保證有大于10倍管徑的直管段,節(jié)流元件后至少有大于5倍管徑的直管段,節(jié)流元件兩端壓力從兩端管線上部引出,差壓變送器安裝位置要高于節(jié)流元件的位置高度,導(dǎo)壓管線盡可能短(見圖1)。主要適用于所測介質(zhì)為氣體和純液體2種介質(zhì),被測介質(zhì)沿水平方向流過節(jié)流元件后形成壓差,節(jié)流元件兩端壓差從管線上部取壓點(diǎn)傳輸至差壓變送器的壓力腔室被測量。

1—高壓取壓口;2—節(jié)流元件;3—低壓取壓口;4—差壓變送器。

3.2 水平安裝底部引壓

節(jié)流裝置水平安裝,節(jié)流元件兩端壓力從兩端管線底部引出,差壓變送器安裝位置要低于節(jié)流元件的位置高度,同時(shí)也要求導(dǎo)壓管線盡可能短。主要適用于各類液體介質(zhì),被測介質(zhì)沿水平方向流過節(jié)流元件后形成壓差,介質(zhì)壓差從管線底部取壓點(diǎn)傳輸至差壓變送器的壓力腔室后被變送器測量。此種方式下的液體介質(zhì)可夾雜氣體,在流動過程中導(dǎo)壓管線內(nèi)的氣體會逐步析出,高低壓兩段管線內(nèi)介質(zhì)趨于穩(wěn)定后不產(chǎn)生液柱差,對流體壓差測量不產(chǎn)生影響。

3.3 水平安裝斜上0°～45°引壓

節(jié)流裝置水平安裝,節(jié)流元件兩端壓力從兩端管線上部0°～45°夾角范圍內(nèi)的位置引出,導(dǎo)壓管線要求轉(zhuǎn)角位置為圓角,主要適用于蒸汽類介質(zhì)的流量測量。高溫蒸汽進(jìn)入導(dǎo)壓管后遇到環(huán)境低溫時(shí)會有冷凝液體產(chǎn)生,冷凝液體會沿斜管線回流到主管流程中[2]。因此,水平安裝狀態(tài)下從斜上0°～45°夾角范圍內(nèi)引出壓力,對蒸汽類流體流量測量最合適。

3.4 垂直安裝側(cè)面引壓

節(jié)流裝置垂直安裝,流體從下往上流經(jīng)節(jié)流元件后產(chǎn)生壓差,安裝時(shí)要求差壓變送器位置要低于下端取壓點(diǎn)高度。主要適用于流體介質(zhì)為多相流,多相混合且比例不固定的場景時(shí)垂直流動不會在測量位置產(chǎn)生分層。例如原油生產(chǎn)平臺的油井產(chǎn)出中包含有油、氣、水三相,在水平安裝方式下因分層的原因?qū)е滤搅鲃咏橘|(zhì)分離的情況下無法準(zhǔn)確測量,在垂直安裝過程中能夠保證多相流體始終處于混合紊流狀態(tài),所產(chǎn)生的壓差能更真實(shí)反映實(shí)際流量[3]。

4 差壓式流量計(jì)零點(diǎn)誤差產(chǎn)生原因及修正方法

差壓式流量計(jì)在不同的安裝方式和引壓類型組合下適用于不同流體介質(zhì),針對不同情形下產(chǎn)生的誤差需要用不同方法進(jìn)行修正。

4.1 水平安裝時(shí)

差壓式流量計(jì)采用水平安裝方式時(shí),根據(jù)流體介質(zhì)特性選擇合適的導(dǎo)壓方式可合理避免零點(diǎn)誤差的出現(xiàn)。尤其在選用毛細(xì)管作為導(dǎo)壓方式時(shí),因不存在管線液柱壓力,所以無需進(jìn)行修正。而采用管線作為導(dǎo)壓管時(shí),兩側(cè)導(dǎo)壓管處于等高位,穩(wěn)定運(yùn)行后兩側(cè)管線介質(zhì)趨于一致而無零點(diǎn)壓差存在。水平安裝時(shí)須在管線完全排空的前提下將變送器進(jìn)行零點(diǎn)標(biāo)定,同時(shí)在導(dǎo)壓管底部設(shè)置排放閥門,定期排出導(dǎo)壓管線內(nèi)的積液、雜質(zhì)等,避免管線堵塞。

4.2 垂直安裝且使用毛細(xì)管導(dǎo)壓時(shí)

差壓式流量計(jì)采用垂直安裝且使用毛細(xì)管進(jìn)行導(dǎo)壓時(shí),需要進(jìn)行零點(diǎn)修正。如圖2所示,節(jié)流元件兩端壓力主要作用于H/L兩個(gè)導(dǎo)壓點(diǎn)的導(dǎo)壓法蘭膜片,毛細(xì)管導(dǎo)壓特性使得H/L的安裝位置與變送器的安裝位置均不影響在空管情況下的零點(diǎn)變化。在使用過程中,管線內(nèi)會充滿被測介質(zhì),此時(shí)H/L兩個(gè)導(dǎo)壓點(diǎn)會受到管線內(nèi)液柱的壓力影響。相對于L導(dǎo)壓點(diǎn)來說,H導(dǎo)壓點(diǎn)在受管線內(nèi)部壓力外,還承受高度為h的被測介質(zhì)靜壓,因此在使用該變送器壓差進(jìn)行流量轉(zhuǎn)換時(shí)須將液柱靜壓切除,具體切除值為:

圖2 垂直安裝且使用毛細(xì)管導(dǎo)壓示意圖

ΔP=ΔP′-ρgh

(2)

式中:ΔP為最終實(shí)際壓差值;ΔP′為變送器測量差壓;ρ為當(dāng)前被測介質(zhì)的實(shí)際密度;g為重力加速度;h為差壓變送器導(dǎo)壓點(diǎn)高度差。

通過上述公式進(jìn)行零點(diǎn)修正后,準(zhǔn)確切除了零點(diǎn)誤差,流量計(jì)測量的值真實(shí)可靠。

4.3 垂直安裝且選用管線導(dǎo)壓時(shí)

差壓式流量計(jì)采用垂直安裝且選用管線導(dǎo)壓時(shí),管道中的介質(zhì)會通過導(dǎo)壓點(diǎn)進(jìn)入H/L兩端的導(dǎo)壓管,此時(shí)要求差壓變送器安裝位置要低于H端或與H端同高,因差壓變送器在安裝位置介于H和L導(dǎo)壓點(diǎn)之間或高于L端位置時(shí)會出現(xiàn)兩側(cè)導(dǎo)壓管內(nèi)填充的介質(zhì)形態(tài)不一致,從而導(dǎo)致安裝后無法使用公式進(jìn)行有效的零點(diǎn)修正。

以變送器安裝位置與H端同高為例(見圖3),在H端變送器同高且排空總管的情況下,H端不受導(dǎo)壓管內(nèi)部介質(zhì)的液柱靜壓影響,在L端則因?qū)汗軓母咛幰恋吞?在介質(zhì)流動過程中導(dǎo)壓管內(nèi)部被流體介質(zhì)逐漸充滿,且相對主管內(nèi)流動的介質(zhì)來說,導(dǎo)壓管內(nèi)部的介質(zhì)是處于相對靜置的狀態(tài),在多相流情況下進(jìn)行三相分離,直至管線內(nèi)介質(zhì)物理性質(zhì)趨于穩(wěn)定。因此在使用管線導(dǎo)壓時(shí),差壓變送器在排空主管線內(nèi)介質(zhì)的情況下,H端壓力為0,L端則到受管內(nèi)液柱的壓力影響,產(chǎn)生ρ1gh的液柱靜壓,因此在空管情況下差壓變送器的壓力為:

圖3 垂直安裝且選用管線導(dǎo)壓示意圖

ΔP1=-ρ1gh

(3)

式中:ΔP1為空管情況下變送器差壓;ρ1為導(dǎo)壓管內(nèi)穩(wěn)定后密度;g為重力加速度;h為差壓變送器H/L導(dǎo)壓點(diǎn)的高度差。

在將流體導(dǎo)入主管線時(shí),介質(zhì)在主管線中自下而上流動,H導(dǎo)壓點(diǎn)除受管線內(nèi)部介質(zhì)攜帶的壓力外,還承受主管線內(nèi)高度為h的被測液柱靜壓。此時(shí),在不考慮L端液柱靜壓時(shí),實(shí)際壓差值為測量壓差和主管線液柱靜壓之差,與毛細(xì)管的導(dǎo)壓方式相同。再將L端的導(dǎo)壓管內(nèi)液柱壓力考慮進(jìn)計(jì)算公式,實(shí)際壓力為:

ΔP=ΔP′-ρgh+ΔP1=ΔP′-ρgh-ρ1gh

(4)

式中:ΔP為最終實(shí)際壓差值;ΔP′為變送器測量壓差;ρ為當(dāng)前被測介質(zhì)的實(shí)際密度;ρ1為導(dǎo)壓管內(nèi)穩(wěn)定后密度;g為重力加速度;h為差壓變送器導(dǎo)壓點(diǎn)高度差。由此可以得出,同為垂直安裝的流量計(jì)在使用不同導(dǎo)壓類別時(shí)進(jìn)行的修正方式存在區(qū)別。

5 結(jié)束語

差壓式流量計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)就是節(jié)流裝置前后的壓差值,差壓變送器的零點(diǎn)修正不正確,會導(dǎo)致測量值出現(xiàn)安裝誤差,無法通過多次測量來消除?？稍诎惭b時(shí)根據(jù)節(jié)流元件安裝方式、現(xiàn)場導(dǎo)壓方式、變送器安裝位置進(jìn)行修正,修正后的壓差值使用轉(zhuǎn)換公式計(jì)算得到準(zhǔn)確流量值。