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如何保證在DN150輸油管線系統(tǒng)中使用的渦輪流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確
來(lái)源：上海自動(dòng)化儀表有限公司作者：發(fā)表時(shí)間：2018-04-10 09:27:25【小中大】
1、概述：
輸油管線作為大型骨干輸油裝備，各國(guó)十分重視其現(xiàn)代化，隨著信息化大發(fā)展，對(duì)輸油管線提出了更高的要求，但是輸油管線與油庫(kù)輸油管道有明顯的區(qū)別，其工作條件比較特殊:
(1)要求所有的設(shè)備便于安裝和拆卸;
(2)系統(tǒng)壓力較高，而且要求在耐高壓的同時(shí)便于拆卸和安裝;
(3)輸送介質(zhì)易燃、易爆，而且容易攜帶雜質(zhì);
(4)輸送的流量范圍廣，要求流量計(jì)的量程比寬;
(5)要求的環(huán)境適應(yīng)范圍廣。
輸油管線系統(tǒng)主要包括泵站，它是系統(tǒng)的心臟，各種便于連接和拆卸的管子、管件，則相當(dāng)于系統(tǒng)的血管，其他部件包括各種閥門相當(dāng)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而流量和壓力測(cè)量系統(tǒng)就相當(dāng)于眼睛，他們的功能是將系統(tǒng)的工作情況傳達(dá)給控制系統(tǒng)。隨著信息化的發(fā)展。對(duì)流量和壓力測(cè)量系統(tǒng)提出了更高的要求。而且，長(zhǎng)期以來(lái)，如何保證輸油管線系統(tǒng)中使用的流量計(jì)量值的準(zhǔn)確度是管線系統(tǒng)一直探討的課題。
我們上海自動(dòng)化儀表股份有限公司主要介紹為DN150輸油管線系統(tǒng)研制的"DN150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)量工作，并將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳到控制中心，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)。上自儀公司結(jié)合目前國(guó)內(nèi)石化行業(yè)用流量計(jì)的現(xiàn)況、裝置的工作特點(diǎn)和實(shí)際標(biāo)定流量計(jì)所做的測(cè)試數(shù)據(jù).對(duì)裝置的設(shè)計(jì)依據(jù)和工作原理，以及主要技術(shù)參數(shù)、檢定和使用性能等方面進(jìn)行全面介紹，使裝置在基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善。
2、設(shè)計(jì)依據(jù)：
目前石化系統(tǒng)常用的流量計(jì)主要是容積式流量計(jì)和速度式流量計(jì)。容積式流量計(jì)測(cè)量的是體積流量，它不受流體密度和勃度的影響，對(duì)流動(dòng)狀態(tài)和速度分布無(wú)特殊要求，但是它對(duì)流體的潔凈度要求較高，由于它是用具有標(biāo)準(zhǔn)體積的計(jì)量空間來(lái)測(cè)量流量的，因此體積比較龐大。
常用的速度式流量計(jì)種類較多，其中渦輪流量計(jì)是最常用的一種，具有體積小、質(zhì)量輕、量程比寬、適應(yīng)性強(qiáng)、價(jià)格便宜的特點(diǎn)。 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，但對(duì)其性能提出了更高的要求:
(1)流量計(jì)額定壓力為4.OMPa，流量計(jì)長(zhǎng)度為600mm，流量范圍50一250m3 /h，在最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d13"t5，能在-41一46℃環(huán)境下正常工作;
(3)要求表頭同時(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，且讀數(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，不同流量時(shí)采用所對(duì)應(yīng)的流量計(jì)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)量精度要求0.2級(jí)。
3、渦輪流量計(jì)的設(shè)計(jì)：
液體渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)由傳感器和智能流量顯示儀兩部分組成，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
3. 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，它基于動(dòng)力矩平衡原理，當(dāng)流體流經(jīng)傳感器時(shí)，在特殊結(jié)構(gòu)整流器導(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、整形后送人流量積算儀進(jìn)行運(yùn)算處理，并顯示于顯示窗口上。
渦輪由導(dǎo)磁不銹鋼材料制成，裝有螺旋葉片，葉片數(shù)為8片，葉片傾角為350，葉片重疊度為1. 1，葉片與內(nèi)殼間的間隙為0. 8mm。
3. 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)人流量計(jì)的流體具有均勻的速度分布，是提高計(jì)量準(zhǔn)確性的一個(gè)重要前提條件。因此研制的渦輪流量計(jì)內(nèi)置了整流器。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。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，減小體積和質(zhì)量。 整流器是由一束細(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。
3. 3、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，不同流體霎擎育不同的熱膨脹率。對(duì)于汽油，當(dāng)相對(duì)密度為0. 710-}-0. 730時(shí)，溫度體積系數(shù)為0.00123。0.0115，計(jì)算時(shí)可取平均值0. 00119;對(duì)于噴氣燃料，當(dāng)相對(duì)密度為0.775一0.790時(shí)，溫度體積系數(shù)為0. 00099 -0.00095，計(jì)算時(shí)可取平均值0. 00097;對(duì)于柴油，當(dāng)相對(duì)密度為0.800~0.830時(shí)，溫度體積系數(shù)為0.00089 -0.00084，計(jì)算時(shí)可取平均值0.0008650 以20℃為基準(zhǔn)進(jìn)行換算，計(jì)算見(jiàn)式(1>和式(2)。
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)相對(duì)密度為0.83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編，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)相對(duì)密度為0.780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%0;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)相對(duì)密度為0.710時(shí)，溫度體積系數(shù)為0.00123;當(dāng)溫度升高1℃時(shí)，體積變化尊為1.232練;若溫度變化10℃的話，將會(huì)引走. 232%的計(jì)量誤差。
從計(jì)算結(jié)果可看出，輸送汽油時(shí)，溫度對(duì)體移的影響很大。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)量精確都可達(dá)至!0.500，只從提高儀表的精度出發(fā)，而不考慮被澳介質(zhì)溫度的變化是不準(zhǔn)確的，不能滿足計(jì)量交接爾要求。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。我們通過(guò)在渦輪流量計(jì)內(nèi)置高精度的Pt 100C熱電偶，可精確測(cè)量輸送介質(zhì)的溫度，通過(guò)智能流量積算儀可以根據(jù)測(cè)得的溫度進(jìn)行(每間隔4s)振度補(bǔ)償，從而提高計(jì)量精度。
3. 4、智能流且積算儀：智能流量積算儀作為流量計(jì)的計(jì)算顯示部分，為適應(yīng)上述渦流流量傳感器的要求采用最先進(jìn)的微功耗單片機(jī)技術(shù)，其操作簡(jiǎn)單，使用方便，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，可選裝4-,-20mA模擬信號(hào)輸出，RS - 485通訊接口; (4)內(nèi)置高容量3. 6 V銼電池供電，壽命長(zhǎng)，更換方便，電池壽命可達(dá)兩年以上;(S)軟件中采用了多段非線性修正，把儀表在生產(chǎn)過(guò)程中由于加工精度造成的誤差通過(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)，可在輸送不同油品時(shí)進(jìn)行溫度補(bǔ)償;(8)為滿足野外作業(yè)場(chǎng)合和保護(hù)顯示儀表.增加了金屬保護(hù)罩。
4、渦輪流量計(jì)的標(biāo)定，確定流量計(jì)儀表系數(shù)及精確度分析：
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)勃度，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對(duì)樣機(jī)進(jìn)行檢定。體積管型號(hào)為JHYG一150，流量范圍為0.56一560m/h，精度為0.0300。壓力采用壓力變送器測(cè)量，溫度采用溫度變送器測(cè)量，試驗(yàn)介質(zhì)為輕柴油。根據(jù)規(guī)程要求，對(duì)樣機(jī)在流量25~250m3/ 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。
從不同流量工況下的檢定結(jié)果看，流量計(jì)的線性度、重復(fù)性、精度分別為0.152%, 0.031%, 0.158%。
5、結(jié)論：
設(shè)計(jì)完成后的DN150渦輪流量計(jì)參加了管線的高低溫適應(yīng)性試驗(yàn)和定型試驗(yàn)，該流量計(jì)共計(jì)使用140h，輸送介質(zhì)18800m3，其中輸送清水16000m3 ,輸送柴油約2800m3。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DN150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、質(zhì)量輕，與同流量、同額定壓力的容積流量計(jì)相比，其質(zhì)量只相當(dāng)于容積式流量計(jì)的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)量要求。總之，研制的DN150渦輪流量計(jì)完全滿足輸油管線系統(tǒng)的要求，同時(shí)也為以后管線的信息化提供了支持。
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