摘要:文章主要介紹了海洋平臺常用流量計的原理和特點，結(jié)合海洋平臺的特點敘述了流量計選型時的注意事項，并給出了海洋平臺常用流量計的選型原則和計算方法，為海洋平臺選出合適的流量計提供了一種方案。
流量計量是海洋平臺計量的重要組成部分之海洋平臺空間緊張，油氣生產(chǎn)設施布置緊湊，距離陸地較遠，一旦發(fā)生風險，輕則影響生產(chǎn)，重則導致平臺火災和原油泄漏，造成重大經(jīng)濟損失和惡劣的社會影響。因此做好工作流量計的選型，對保證生產(chǎn)質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率等具有重要的作用。
流量計量是一項極其復雜的工作，需要考慮各種環(huán)境因素、被測介質(zhì)的理化特性、被測介質(zhì)當前的工藝參數(shù)等。流量測量方法很多，流量儀表的種類更是繁多，可供工業(yè)用的流量計量儀表就有60多種”。每種產(chǎn)品適用性和局限性都不一樣。目前，海洋平臺可選的流量計類型主要有科氏質(zhì)量流量計、超聲波流量計、容積式流量計、孔板流量計、電磁流量計、渦輪流量計、渦街流量計、轉(zhuǎn)子流量計、V錐型流量計、靶式流量計等。
1海洋平臺常用流量計的原理及特點
1.1科氏質(zhì)量流量計
科氏質(zhì)量流量計的傳感器內(nèi)有2個平行流管，中間設有驅(qū)動線圈，兩端設有檢測線圈。當發(fā)射機提供的激勵電壓加到驅(qū)動線圈上，振動管在往復周期中振動，流體流過傳感器的振動管時，振動管就會產(chǎn)生科氏力效應，使振動管產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動。安裝在振動管兩端的檢測線圈將產(chǎn)生2組不同相位的信號，2個信號的相位差與流體通過傳感器的質(zhì)量流量成正比。
優(yōu)點:直接測量流體的質(zhì)量流量，測量精度高;測量范圍廣泛;測量管的振動幅小，可視作非活動件，無擾流件和活動件;測量值對迎流流速分布不敏感、對流體黏度不敏感;流體密度對測量值影響微小。缺點:零點不穩(wěn)定;不能用于測量低密度介質(zhì)和低壓氣體;容易受到振動干擾;無法測量大管徑;測量管內(nèi)壁沉積結(jié)垢或磨損腐蝕會嚴重影響測量精度”;壓損大;重量較大，體積較大;價格昂貴。
1.2超聲波流量計
超聲波流量計是指基于超聲波在流動介質(zhì)中傳播速度等于被測介質(zhì)的平均流速與聲波在靜止介質(zhì)中速度的矢量和的原理開發(fā)的流量計，主要有多普勒式、時差式、波束偏移式、噪聲式及相關(guān)式等類型田。海洋平臺通常采用多聲道、時差式。時差式基本原理:超聲波沿流體正向傳播和其沿流體逆向傳播的速度不同會引起時差。采用2(多)個超聲波發(fā)送器(UA和UB)和2(多)個超聲波接收(RA和RB)，2組取自同一聲源的聲波在UA與RA之間和UB與RB之間分別傳送，這2組聲波與管道均成α角(α=45°)，超聲波流量計原理示意圖見圖1。向下游發(fā)射的超聲波會被流體加速，而向.上游發(fā)射的超聲波會被延遲，其時間差與流體流速成正比。。也可以發(fā)送正弦波信號測量2(多)組聲波之間的相移來計算出流體的流速。
優(yōu)點:可作非接觸測量，無擾流，無壓損;可測量大尺寸管道，在無法實現(xiàn)實流校驗時可選擇超聲波流量計;可測量非導電性流體。缺點:耐溫性能不高;抗干擾能力差;直管段要求嚴格;結(jié)垢會嚴重影響測量精度及測量精度;可靠性、精度等級不高;重復性差、使用壽命短、價格較高，超聲流量計(時差式)只能用于潔凈流體。
1.3容積式流量計
容積式流量測量是采用固定的小容積來反復計量通過流量計的流體體積。在容積式流量計內(nèi)部必須具有一個或多個標準容積的空間，通常稱為“計量空間”，該空間由儀表殼體內(nèi)壁和流量計轉(zhuǎn)動部件組成。流體通過會帶動流量計的轉(zhuǎn)動部件旋轉(zhuǎn)，在這個過程中，流體一次又一次地充滿計量空間，然后在一次又一次地排出。在一定條件下，該計量空間的容積是固定的，測得流量計轉(zhuǎn)動部件的旋轉(zhuǎn)次數(shù)，即可以計算得到通過流量計的流體流量的累積值。
優(yōu)點:計量精度高;無直管段要求，能用于高黏度、低雷諾數(shù)流體的測量;可選直讀式儀表，無需外部能源(也可采用鋰電池供電)，可直接測量累積流量。缺點:結(jié)構(gòu)復雜，體積大;對被測介質(zhì)種類、潔凈度和相態(tài)要求較高;不能用于高溫和低溫工況;產(chǎn)生較大噪聲和振動。
1.4孔板流量計
孔板流量計是由標準孔板和差壓變送器配套組成的流量計量儀表，屬于差壓式流量計的一種。它是以流動連續(xù)性方程和伯努利方程式為基礎，當充滿管道的流體流經(jīng)標準孔板時，在孔板的節(jié)流孔處流體流速加快，在孔板前后產(chǎn)生了壓差，流體的流量越大，在孔板前后產(chǎn)生的壓差越大，便可通過測量壓差來計算出流體流量。
優(yōu)點:標準節(jié)流孔板無需實流校準;結(jié)構(gòu)簡單、易于復制;性能穩(wěn)定可靠;應用廣泛，價格低廉。缺點:長期使用精度下降，需要適時保養(yǎng);重復性、精度不高，測量范圍窄，受流體雷諾數(shù)影響較大;安裝要求較高;壓損大，長期運行和后期保養(yǎng)費用高。
1.5電磁流量計.
電磁流量計是依據(jù)法拉第電磁感應定律研發(fā)的適用于多數(shù)可導電介質(zhì)的流量計。根據(jù)該原理，在導管垂直方向施加一個交變的磁場，并在流量計絕緣襯里的內(nèi)壁兩側(cè)設置2臺配套電極，兩電極的連.線既與導管軸線垂直，又與磁場方向垂直，當流體流經(jīng)導管時，因切割磁感線，2個電極上就產(chǎn)生感應電動勢，該感應電動勢與流量成正比，通過測量該電動勢的大小可計算出管內(nèi)流動的流體的流量。
優(yōu)點:不受流體密度、黏度、溫度、壓力等物.理性質(zhì)變化的影響;無擾流，無壓損，特別適合漿液測量;耐腐蝕、耐磨損;功耗低、零點穩(wěn)定、精度高;可雙向測量;傳感器使用壽命極長;所需的直管段較短。缺點:無法測量含有大量氣體的液體;被測液體的電導率須高于10-5S/cm;不能用于高溫和高壓流體的測量;易受外界環(huán)境電磁場的干擾。
1.6渦輪流量計
渦輪流量計是應用力學原理進行流量測量的典.型流量計。流體通過管道時帶動渦輪旋轉(zhuǎn)，在--定條件下，測得轉(zhuǎn)動部件的旋轉(zhuǎn)速度，渦輪的轉(zhuǎn)速與流量成正比，通過測量渦輪的轉(zhuǎn)速可計算出管內(nèi)流動流體的流量。
優(yōu)點:精度高，能耗少，重復性好，無零點漂移，結(jié)構(gòu)緊湊。缺點:校準時效不長，需要定期校準;流體物性對流量特性影響大;有傳動部件，抗震動能力差;必須水平安裝。
1.7渦街流量計
渦街流量計也稱之為旋渦流量計或卡門渦街流量計，測量基本原理是流體在流經(jīng)旋渦發(fā)生體時會產(chǎn)生振蕩。當流體在管道中經(jīng)過旋渦發(fā)生體時，在旋渦發(fā)生體后上下交替產(chǎn)生2列規(guī)則的旋渦，旋渦的釋放頻率與流體平均速度及旋渦發(fā)生體特征寬度有關(guān)，可用ƒ=Stuv/d表示。ƒ為旋渦的釋放頻率，Hz;v為流體平均速度，m/s;d為旋渦發(fā)生體特征寬度，m;St為斯特勞哈爾數(shù)(Strouhalnum-ber)，無量綱，它的數(shù)值范圍為0.14~0.27。St與流體的雷諾數(shù)有關(guān)，流體的雷諾數(shù)Re在2x104~7x106之間時，St為常數(shù)，這也是渦街流量計的精度保證范圍。
優(yōu)點:結(jié)構(gòu)簡單，無可動部件，可靠性高;安裝簡單，維護方便;性能穩(wěn)定，壽命長;無零點漂移，精度較高;壓損較小，運行費用低。缺點:誤差大;抗振性能差;測量臟污介質(zhì)適應性差;管段要求高;耐溫性能差。
1.8轉(zhuǎn)子流量計
轉(zhuǎn)子流量計也稱為浮子流量計，是根據(jù)節(jié)流原理測量流體流量的。在流速和浮力的共同作用下，浮子可以沿著自下向上擴大的豎直錐形管內(nèi)運動，當浮子重力與浮力及流體流動產(chǎn)生的摩擦力平衡后，浮子保持相對位置.上的靜止，在--定條件下，浮子的位置與流體的流速成正比關(guān)系，通過浮子的位置可計算出通過該處流體的流量。
優(yōu)點:適用于小管徑和低流速;可用于較低雷諾數(shù)流態(tài);工作可靠、維護量小、壽命長;就地型指針指示接近于線性;結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉。缺點:應用局限于中小管徑;玻璃管轉(zhuǎn)子流量計的玻璃管易碎，不適用于大部分工業(yè)場地;轉(zhuǎn)子流量計只能用于自下向上垂直流的管道安裝;使用流體和出廠標定流體不同時，要作流量示值修正。.
1.9V錐型流量計
V錐型流量計是一種差壓流量計，其工作原理示意圖如圖2所示，它以流動連續(xù)性方程和伯努利方程式為基礎，利用V錐體在流場中產(chǎn)生的節(jié)流效應，通過檢測V錐體前后的壓差來實現(xiàn)流量的測量。與其他節(jié)流元件相比，它改變了節(jié)流布局，從中心孔節(jié)流改為環(huán)狀節(jié)流。當充滿管道的流體，.流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流元件時，流體將在節(jié)流元件處形成局部收縮，從而使流速加快，靜壓力降低，在節(jié)流元件前后便產(chǎn)生了壓差，介質(zhì)流速越大，在節(jié)流元件前后產(chǎn)生的壓差就越大，流體流量的大小可通過測量壓差來進行測量，由于其特殊的結(jié)構(gòu)，與標準節(jié)流裝置相比，雷諾數(shù)下限值有了很大程度的改善，但當雷諾數(shù)很小時，V錐型流量計的不確定度將增大，精度將難以保證。
優(yōu)點:流量大、長期測量精度高、重復性和穩(wěn)定性好，安裝限制少、耐磨損、耐贓耐污。缺點:易堵塞、壓損大、結(jié)構(gòu)復雜、拆裝困難、量程比小、小流量測量精度低。.
1.10靶式流量計
靶式流量計主要用于解決高黏度、低雷諾數(shù)流.體的流量測量，工作原理是當介質(zhì)在測量管中流動時，因其自身的動能會對阻流件施加一作用力，其作用力大小與介質(zhì)流速的平方成正比，阻流件接受的作用力，經(jīng)剛性連接的傳遞件傳至傳感器，傳感器產(chǎn)生電信號輸出此電壓信號經(jīng)計算機處理后，即可得到相應的瞬時流量和累積總量。
優(yōu)點:結(jié)構(gòu)堅固、無可動部件、安全可靠;適合大管徑、高低壓介質(zhì)的測量，拆卸方便;無任何泄漏點、耐高壓，重復性好、測量速度快;壓損小;抗干擾;基本不受流體內(nèi)雜質(zhì)影響;能通過更換阻流件(靶片)的方法而變量程;安裝簡單方便，易維護。缺點:每次安裝都需要設置零點;精度較低，不推薦用于貿(mào)易結(jié)算;不能用于頻繁斷流的工況。
2雷諾數(shù)的計算
雷諾數(shù)是流體力學中表征黏性影響的相似準則數(shù)，記作Re。它又稱雷諾準數(shù)，是用以判別黏性流體流動狀態(tài)的-個無因次數(shù)群。流體在圓管內(nèi)的流動形態(tài)除了與流速有關(guān)外，還與管徑、流體的動力黏度、流體的密度這3個因素有關(guān)，其數(shù)學公式表達為:
Re=ρv´L/μ,(1)
式中，ρ為流體密度;v´為流場的特征速度，L為流場的特征長度;μ為動力黏性系數(shù)。
3常用流量計的選型
常用流量計各有特點，在選用流量計時應揚長避短，根據(jù)以下原則選擇適合本項目的流量計。
1)安全生產(chǎn)原則。第一是測量方式的可靠性，即取樣或節(jié)流裝置在生產(chǎn)中不會發(fā)生機械強度或電氣回路故障而引起事故;二是測量儀表無論在正常工作還是在故障情況下都不能對生產(chǎn)系統(tǒng)的安全性產(chǎn)生影響。高溫高壓下、沖蝕較嚴重的場合，不能使用結(jié)構(gòu)強度低的靶式、渦輪流量計，也不能使用需要插入安裝的流量計。
2)滿足工藝需求要求原則。根據(jù)相關(guān)工藝參數(shù)(流量、密度、黏度、管道的直徑)計算出雷諾數(shù)，當雷諾數(shù)小于2300時，流體處于層流流態(tài);當雷諾數(shù)大于2300且小于4000時，流體處于過渡流流態(tài);當雷諾數(shù)大于4000時，流體處于紊流流態(tài)。工程上的流體大部分處于紊流流態(tài)，絕大部分的流量計量儀表也是針對紊流流態(tài)的流體進行設計的，所以對于處于層流流態(tài)和過渡流流態(tài)流體的流量計量需要選用特殊的流量計。
流量計在其量程比范圍內(nèi)才能保證精度，選型時應注意流量范圍，選擇合適量程比的流量計。常用流量計量程比:科氏質(zhì)量流量計，100:1;轉(zhuǎn)子流量計，10:1;超聲波流量計，100:1;渦街流量計，10:1;渦輪流量計，10:1;靶式流量計，15:1;孔板流量計，3:1;電磁流量計，100:1，V錐型流量計，10:1，容積式流量計，10:1。
3）安裝要求原則。流量計精度，受其前后直管段長度影響，選型時應結(jié)合管道專業(yè)的三維模型，按照前后直管段長度相關(guān)要求進行流量計的選擇，常用流量計對.上游、下游直管段的要求如表1所示，其中D為流量計直徑。
4)價格原則。科氏質(zhì)量流量計、容積式流量計和超聲波(管段式)流量計是貴的流量計，轉(zhuǎn)子和孔板流量計價格較低，而渦輪、渦街、靶式、超聲波(外夾式)、V錐型等流量計的價格在250mm(10寸)以內(nèi)都相差不遠，250mm.(10寸)以上的流量計應盡量選用價格便宜的孔板流量計。
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