摘要：本文主要介紹一種輸油管線液體渦輪流量計(jì)，該流量計(jì)主要承擔(dān)管線系統(tǒng)流量的計(jì)量，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行?，為輸油調(diào)度提供依據(jù)，同時(shí)還可以作為泄漏監(jiān)測(cè)的輔助設(shè)備。該流量計(jì)具有準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好、線性度優(yōu)、適應(yīng)性強(qiáng)、工作壓力高及成本低等特點(diǎn)。
長(zhǎng)期以來(lái)，如何保證輸油管線系統(tǒng)中流量計(jì)量值的準(zhǔn)確度，是管線系統(tǒng)一直探討的課題。隨著信息化的發(fā)展，對(duì)輸油管線系統(tǒng)的流量測(cè)量提出了更高的要求。
我們研制的流量計(jì)主要用于輸油管線系統(tǒng)，輸送的介質(zhì)一般為柴油、汽油和航空煤油等輕質(zhì)油品，綜合考慮各種因素采用渦輪流量計(jì)作為輸油管線系統(tǒng)的配套設(shè)備。其主要性能如下：
1)額定壓力：4.0MPa；長(zhǎng)度：600mm；流量范圍：50m3/h～250m3/h；壓降：在***大流量下壓力損失小于40kPa(以水為測(cè)試介質(zhì)時(shí))；總質(zhì)量：小于40kg。
2)防爆等級(jí)為dIIBT5，能在-41℃～+46℃環(huán)境下正常工作。
3)表頭同時(shí)顯示瞬時(shí)流量和累積流量，并可切換顯示總累積流量、批累積量、瞬時(shí)流量及介質(zhì)溫度，讀數(shù)方便，清晰直觀。
4)配備RS-485通訊接口，傳輸距離不小于900m。
5)儀表系數(shù)應(yīng)用多段非線性修正，根據(jù)不同流量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的儀表系數(shù)，插值計(jì)算出流量計(jì)的儀表系數(shù)。
6)溫度補(bǔ)償功能：基準(zhǔn)溫度20℃，不同的油品采用不同溫度體積系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。
7)計(jì)量精度：0.2級(jí)。
1、渦輪流量計(jì)的設(shè)計(jì)
液體渦輪流量計(jì)由渦輪流量傳感器和流量積算儀組成。結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
1.1渦輪流量傳感器
渦輪流量傳感器是渦輪流量計(jì)的基本單元，主要由整流器、導(dǎo)流體、渦輪、感應(yīng)線圈、槽頭接頭、提手等組成。它基于動(dòng)力矩平衡原理，當(dāng)流體流經(jīng)傳感器時(shí)，在整流器和導(dǎo)流體作用下得到整流并加速。由于渦輪葉片與流體流向成一定角度，在加速流體的作用下，葉輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，克服摩擦力矩和流體阻力矩后，渦輪開(kāi)始旋轉(zhuǎn)。在一定流量范圍內(nèi)，渦輪轉(zhuǎn)速與流體體積流量成正比。葉輪旋轉(zhuǎn)切割磁力線，周期性地改變線圈中的磁通量，使線圈兩端感應(yīng)出與流體體積流量成正比的脈沖信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)放大、濾波、整形后送入流量積算儀。
1.1.1渦輪
渦輪由導(dǎo)磁不銹鋼材料制成，裝有螺旋葉片，葉片數(shù)為6片，葉片傾角為35°，葉片與內(nèi)殼間的間隙為0.8mm。
1.1.2整流器
渦輪流量計(jì)特性與管線內(nèi)的速度分布有很大的關(guān)系，因此保證進(jìn)入流量計(jì)的流體具有均勻的速度分布，是提高計(jì)量的準(zhǔn)確性一個(gè)重要的前提條件。因此研制的渦輪流量計(jì)內(nèi)置了整流器。整流器由一束細(xì)不銹鋼管組成，整流束的長(zhǎng)度B=100mm：整流束管子的數(shù)目n=42。通過(guò)增加整流器，可以減少流量計(jì)前后直管段的長(zhǎng)度，提高計(jì)量精度，減小體積和重量。
1.2流量積算儀
流量積算儀作為流量計(jì)的計(jì)算顯示部分，采用高性能微功耗的集成芯片，配有脈沖輸出、4mA～20mA模擬信號(hào)輸出和 RS-485通訊接口三種輸出方式，內(nèi)置高容量3.6V鋰電池供電，并內(nèi)置溫度傳感器。積算儀接收傳感器的信號(hào)，并進(jìn)行運(yùn)算處理，就地顯示于顯示窗口上。其主要特點(diǎn)如下：
1)采用高性能微功耗的集成芯片，整機(jī)多功能，功耗低。
2)可切換顯示總累積流量、批累積量、瞬時(shí)流量及介質(zhì)溫度，清晰直觀，讀數(shù)方便。
3)配有脈沖輸出，4mA～20mA模擬信號(hào)輸出，RS-485通訊接口。
4)內(nèi)置高容量3.6V鋰電池供電，壽命長(zhǎng)，更換方便，電池壽命可達(dá)兩年以上。
5)軟件中采用了多段非線性修正，把生產(chǎn)過(guò)程中由于加工精度造成的儀表誤差通過(guò)軟件計(jì)算修正到標(biāo)準(zhǔn)值以內(nèi)。
6)內(nèi)置式溫度傳感器，可以在線補(bǔ)償由于溫度引起的變化量。
7)在軟件包中內(nèi)置了汽油、噴氣燃料和柴油的體積膨脹率 ，通過(guò)設(shè)置的切換開(kāi)關(guān)，可對(duì)不同油品進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
1.2.1溫度補(bǔ)償
流體的體積隨溫度的變化而變化，一般來(lái)說(shuō)，溫度升高，體積膨脹，流體的這種屬性稱為熱膨脹性，用熱膨脹率表示。不同流體具有不同的熱膨脹率。
以20℃為基準(zhǔn)進(jìn)行換算，計(jì)算公式：
V20=Vt[1-f(t-20)]
式中：V20為油品20℃體積；
Vt為油品t℃體積；
f為油品體積溫度系數(shù)；t為輸油實(shí)際溫度。
下面通過(guò)示例，計(jì)算不同介質(zhì)當(dāng)溫度每升高1℃時(shí)的體積變化率。
對(duì)于柴油，當(dāng)密度為0.83×103kg/m3時(shí)，溫度體積系數(shù)為 0.00084/℃，當(dāng)溫度升高1℃時(shí)，體積變化率為0.84‰，若溫度變化10℃的話，將會(huì)引起0.84%的計(jì)量誤差。
對(duì)于噴氣燃料，當(dāng)密度為0.780×103kg/m3時(shí)，溫度體積系數(shù)為0.00098/℃，當(dāng)溫度升高1℃時(shí)，體積變化率為0.981‰，若溫度變化10℃的話，將會(huì)引起0.981%的計(jì)量誤差。
對(duì)于汽油，當(dāng)密度為0.710×103kg/m3時(shí)，溫度體積系數(shù)為 0.00123/℃，當(dāng)溫度升高1℃時(shí)，體積變化率為1.232‰，若溫度變化10℃的話，將會(huì)引起1.232%的計(jì)量誤差。
從計(jì)算結(jié)果可看出，當(dāng)輸送汽油時(shí)，溫度對(duì)體積的影響很大，當(dāng)溫度變化10℃時(shí)，會(huì)引起1.232%的計(jì)量誤差，而一般流量計(jì)的計(jì)量度都可達(dá)到0.5%，只從提高儀表的精度出發(fā)，而不考慮被測(cè)介質(zhì)溫度的變化是不準(zhǔn)確的，不能滿足計(jì)量交接的要求。溫度補(bǔ)償?shù)哪康木褪菍?shí)測(cè)油品的流量值轉(zhuǎn)換成可代計(jì)量交接的標(biāo)準(zhǔn)溫度條件(以20℃為基準(zhǔn))下的流量值。
通過(guò)在渦輪流量計(jì)內(nèi)置高精度的Pt1000熱電偶，可測(cè)量輸送介質(zhì)的溫度，流量積算儀可以根據(jù)測(cè)得的溫度進(jìn)行(每間隔4s)溫度補(bǔ)償，從而提高計(jì)量準(zhǔn)確度。
2、渦輪流量計(jì)的標(biāo)定，確定流量計(jì)儀表系數(shù)及度分析
渦輪流量計(jì)屬于速度式流量計(jì)，在一定的流量范圍內(nèi)，對(duì)一定的流體介質(zhì)粘度，渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度與流體的流速成正比。渦輪流量計(jì)輸出的脈沖頻率與通過(guò)流量計(jì)的流量成正比，其比例系數(shù)K稱為流量計(jì)的儀表系數(shù)。用公式表示為 K=f/qv。式中f為渦輪流量計(jì)的脈沖頻率，qv為通過(guò)流量計(jì)的流量。
該流量計(jì)采用活塞式液體體積管進(jìn)行檢定。體積管型號(hào)為 JHYG-150，流量范圍：0.56m3/h～560m3/h、準(zhǔn)確度為0.03 %。試驗(yàn)介質(zhì)為輕柴油。根據(jù)規(guī)程要求，在流量25m3/h～250m3/h的范圍內(nèi)進(jìn)行檢定，對(duì)每個(gè)檢定點(diǎn)進(jìn)行9次檢定，檢定時(shí)記錄每個(gè)檢定點(diǎn)的條件。
對(duì)不同流量工況下的檢定結(jié)果進(jìn)行分析，流量計(jì)的線性度、重復(fù)性、精度分別為0.152%、0.031%、0.158%。
智能液體渦輪流量計(jì)用途：
SC－LWGY智能液體渦輪流量計(jì)(渦輪流量傳感器與顯示儀表配套組成渦輪流量計(jì)）。傳感器具有精度高，重復(fù)性好，壽命長(zhǎng)操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)?？蓮V泛應(yīng)用于石油，化工，冶金，造紙等行業(yè)測(cè)量液體的體積瞬時(shí)流量和體積總量。
智能液體渦輪流量計(jì)特點(diǎn)：
★ 壓力損失小。
★ 具有較高的抗電磁干擾和抗震動(dòng)能力，性能可靠工作壽命長(zhǎng)。
★ 采用先進(jìn)的超低功耗單片微機(jī)技術(shù)，整機(jī)功能強(qiáng)，功耗低，性能優(yōu)越。具有非線性精度補(bǔ)償功能的智能流量顯示器。修正公式精度優(yōu)于±0.02%。
★ 儀表系數(shù)可由按鍵在線設(shè)置，并可顯示在液晶屏上，液晶屏直觀清晰，可靠性高。
★ 采用EEPROM對(duì)累積流量、儀表系數(shù)進(jìn)行掉電保護(hù)。保護(hù)時(shí)間大于10年。
液體渦輪流量計(jì)主要技術(shù)參數(shù):
★ 流量計(jì)規(guī)格，基本參數(shù)和性能指標(biāo)（見(jiàn)表二）
★ 準(zhǔn)確度：0.5級(jí)、1.0級(jí)；
★ 使用條件：
1、 環(huán)境溫度-20℃～50℃;
3、 被測(cè)介質(zhì)溫度：-20℃～120℃;
4、 大氣壓力：86Kpa～106Kpa;
5、 防爆等級(jí)：ibⅡBT4.
★ 信號(hào)傳輸距離：傳感器至顯示器的距離可達(dá)1000m。
液體渦輪流量計(jì)電氣特性：
1、 顯示方式：
（1）LWGY 遠(yuǎn)傳顯示：脈沖輸出（配顯示儀表）；
（2）LWY 現(xiàn)場(chǎng)顯示：液晶顯示累積流量，單位（m³）
液晶顯示瞬時(shí)流量，單位（m³/h）
（3）LWGB 渦輪流量變送器：（配顯示儀表）。
2、輸出功能：
（1）LWGY 脈沖輸出，p-p值由供電電源確定；
（2）LWY 可帶脈沖輸出或4~20mA兩線制電流輸出；
（3）LWGB 4~20mA兩線制電流輸出。
3、供電電源：
（1）LWGY：DC5~24V；
（2）LWY：3V鋰電池安裝于儀表內(nèi)部可連續(xù)使用3~5年；
（3）LWGB：DC24V。
儀表結(jié)構(gòu)及安裝方式：
1、 儀表安裝采用法蘭連接、螺紋連接及夾裝式；
2、 安裝時(shí)液體流動(dòng)方向應(yīng)與傳感器外殼上指示流向的箭頭方向一致，且上游直管段應(yīng)≥6DS，下游直管段應(yīng)≥5DS（DS為被測(cè)管道實(shí)測(cè)內(nèi)徑）。
3、傳感器應(yīng)遠(yuǎn)離外界磁場(chǎng)，如不能避免，應(yīng)采取必要的措施；
4、為了檢修時(shí)不至影響液體的正常輸送，應(yīng)在傳感器兩端的直管段外安裝旁通管道（如圖四）；
5、傳感器露天安裝時(shí)，請(qǐng)做好放大器插頭的防水處理；
6、傳感器與顯示儀表的接線，應(yīng)根據(jù)放大器的電源來(lái)選擇接線方式，詳見(jiàn)有關(guān)“使用說(shuō)明書(shū)”。
型譜規(guī)格及說(shuō)明:
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型譜規(guī)格 |
說(shuō)明 |
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SC- |
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渦輪流量計(jì) |
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介質(zhì) |
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S |
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水 |
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Q |
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氣 |
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Y |
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油 |
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介質(zhì)壓力 |
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1 |
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低壓和常壓≤2.5MPa |
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2 |
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中壓≤6.4MPa |
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3 |
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高壓≤32MPa |
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介質(zhì)溫度 |
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1 |
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常溫-20℃~55℃ |
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2 |
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中溫-20℃~120℃ |
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3 |
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高溫-20℃~180℃ |
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防爆等級(jí) |
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1 |
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普通型 |
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2 |
|
隔爆型 |
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3 |
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本安型 |
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輸出方式 |
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0 |
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無(wú)輸出 |
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1 |
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頻率輸出 |
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2 |
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4-20mA輸出 |
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3 |
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1~5V輸出 |
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顯示方式 |
|
0 |
|
無(wú)顯示 |
|
|
1 |
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就地顯示 |
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口徑 |
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-010 |
Φ10 |
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-015 |
Φ15 |
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-025 |
Φ25 |
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… |
… |
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-200 |
Φ200
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3、結(jié)論
設(shè)計(jì)完成后的DN150渦輪流量計(jì)進(jìn)行了140小時(shí)使用試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，該流量計(jì)具有工作可靠、性能穩(wěn)定，展開(kāi)撤收方便，操作簡(jiǎn)單，讀數(shù)清晰、直觀的特點(diǎn)，并且與DNl50輸油管線系統(tǒng)具有良好的匹配性。其主要特點(diǎn)在于：
1)DN150渦輪流量計(jì)將整流器與流量計(jì)集成在一起，消除了流量計(jì)上游管件對(duì)流動(dòng)狀態(tài)的影響，提高了計(jì)量精度，而且結(jié)構(gòu)緊湊，體積小、重量輕，與同流量、同額定壓力的容積式流量計(jì)相比，其重量只相當(dāng)于容積式流量計(jì)1/20。
2)DN150渦輪流量計(jì)采用了多段非線性修正，對(duì)非檢定點(diǎn)的儀表系數(shù)進(jìn)行插值運(yùn)算，運(yùn)算時(shí)對(duì)不同工況下采用不同的儀表系數(shù)，提高了計(jì)量的準(zhǔn)確性。
3)DN150渦輪流量計(jì)內(nèi)置溫度傳感器，可以在線補(bǔ)償由于溫度引起的變化量，提高計(jì)量準(zhǔn)確度。
