渦街流量計（旋窩流量計）在海洋石油平臺應(yīng)用初探

    對于在海洋石油工業(yè)中應(yīng)用的渦街流量計，在理論分析的基礎(chǔ)上，對于生產(chǎn)實踐中積累的測量數(shù)據(jù)，進行了歸納研究。得出了一些初步的結(jié)論，以供后續(xù)工程設(shè)計和實際應(yīng)用參考。

    在海洋石油油氣生產(chǎn)中，隨著生產(chǎn)要求的不斷提高，各種類型的流量計應(yīng)用越來越為廣泛。主要對于渦街流量計在海上石油平臺相關(guān)應(yīng)用，進行初步研究，并結(jié)合實際生產(chǎn)中積累的大量詳實生產(chǎn)數(shù)據(jù)，分析在海上油氣生產(chǎn)的實際工況下，此類型流量計應(yīng)用的效果，并對后續(xù)工程設(shè)計和使用提供參考意見。

    1 研究背景介紹

    1.1 渦街流量計簡述

    渦街流量計（又稱旋渦流量計）是一種基于流體振蕩原理的新型速度式流量儀表，以其對流體物性變化的不敏感性，高可靠性，高精度等特點而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場。自20世紀60年代末誕生以來，渦街流量計發(fā)展迅速，70年代、80年代是渦街流量計的快速發(fā)展時期， 隨著各種新型的檢測方法的出現(xiàn)， 推進各種新型的渦街流量計產(chǎn)品也紛紛問世。渦街流量計不僅要繼續(xù)朝著高性能的方向發(fā)展，而且新型的渦街流量計與元器件將朝著小型化（微型化）、數(shù)字化、智能化方向奮進。

    1.2 渦街流量計的特點與應(yīng)用

    渦街流量計作為新型的速度式流量儀表，從誕生以來就得到了快速的發(fā)展，這和其自身*特點是密不可分的。渦街流量計的主要特點如下：a）輸出與流體流速成正比的脈沖信號，不存在零點漂移問題。在流量儀表中有不少儀表輸出的是模擬信號，于是存在零漂問題，特別是在小流量狀態(tài)時對測量精度的影響就相當大；b）測量工作狀態(tài)體積流量，對流體的物理性變化不敏感。在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)，旋渦的頻率僅與流體體積流量成正比，而對流體的物理特性變化不敏感。由于這一特點，使得生產(chǎn)廠商與用戶都獲得極大的便利，如渦街流量計可在一種介質(zhì)中標定后確定它的儀表系數(shù)，就可在其他介質(zhì)中使用了。這一特點還為渦街流量計實現(xiàn)干標定、發(fā)生體標準化提供了有利的條件；c）量程范圍寬，測量精度高，壓力損失小，適用于多種介質(zhì)。大多數(shù)渦街流量計的量程比可達到10：1以上，有的可達到20：1甚至30：1；測量液體的精度為±0.5%~±1%，測量氣體的精度為±1%~±1.5%；渦街流量計的壓力損失僅為孔板流量計的1/4~1/2；渦街流量計能夠測量液體、氣體和蒸汽流量，而很多其它流量計不具備這個特點；d）采用了多種檢測技術(shù)，充分利用各種檢測技術(shù)的優(yōu)點。熱敏、力敏、超聲、光電、磁電等檢測技術(shù)都被采用到渦街流量計中，利用它們的優(yōu)點，對于不同的情況可選用不同的檢測技術(shù)；e）無可動部件，可靠性高；結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便靈活。正是由于這一系列的優(yōu)點，使得在流量儀表家族中還是一個的渦街流量計成為了一個新寵兒，30多年的發(fā)展已使它躋身通用流量計之列。豐富多彩的產(chǎn)品世界使其在現(xiàn)代工業(yè)現(xiàn)場大展拳腳，在各種液體、氣體及蒸汽的流量測量中形成優(yōu)勢互補，滿足從低溫到高溫、從小口徑到大口徑各種介質(zhì)的流量測量需求。

    1.3 渦街流量的發(fā)展

    渦街流量計近20a發(fā)展迅速，因其對被測介質(zhì)物性不敏感，可以測量液體、氣體以及蒸汽而廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場，在海洋石油平臺上的應(yīng)用也越來越廣泛。海洋石油工程設(shè)計院所，對于在何種測量介質(zhì)、測量工況下，使用此類型流量計，已經(jīng)有了初步的設(shè)計規(guī)范。由于海上生產(chǎn)平臺空間有限，如何在有限的安裝空間內(nèi)，保證流量計測量精度、可重復(fù)性等指標達到初始設(shè)計指標，成為一個很重要的問題。本文選取了海洋石油平臺上， 此類型流量計的一些典型應(yīng)用工況，以此為研究基礎(chǔ)，進行實驗設(shè)計、采集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，得出一些初步結(jié)論，對于今后類似工況使用提供一些參考。

    2 實驗情況介紹

    針對以上需要，我們了兄弟單位儀表標定中心，根據(jù)現(xiàn)場的實驗條件，進行了實驗設(shè)計，主要對不同前后直管段、上游單彎頭和全開球形閥阻流件對渦街流量計性能的影響進行實驗研究。具體實驗方案：a）渦街流量計上游存在單彎頭阻流件。分別對渦街流量計的前后直管段長度進行變換，下游后直管段5D，分別選取上游直管段長度為1D/3D/5D/10D/15D/20D，下游直管段長為3D/5D，進行組合實流實驗研究；b）渦街流量計上游存在閘閥阻流件。同樣參照彎頭的研究方法設(shè)計實驗內(nèi)容， 分別選取上游直管段長為1D/3D/5D/10D/15D，下游直管段長為3D/5D，進行組合實流實驗研究。

    2.1 實驗評價指標介紹

    a）平均儀表系數(shù)

    計算機通過渦街流量計輸出信號進行采樣的脈沖數(shù)Ni，每次測量流經(jīng)渦街流量計的液體體積Vi，計算出每個流量點每次測量的儀表系數(shù)Ki：

    每個測量點經(jīng)過n次測量后期儀表系數(shù)：

    zui后流量計的儀表系數(shù)：

    b）平均儀表系數(shù)相對誤差

    渦街流量計的平均儀表系數(shù)（阻流件條件下）；

    基準實驗渦街流量計的平均儀表系數(shù)；

    基準實驗：前直管段100D，后直管段10D；

    c）線性度ε

    d）不確定度δ

    每個流量點的不確定度為：

    e）附加不確定度Δδ

    Δδ=δj-δ0，

    δj：渦街流量計的不確定度（阻流件條件下）；

    δ0：基準實驗渦街流量計的不確定度。

    2.2 彎頭阻流件實驗數(shù)據(jù)及初步結(jié)論

    通過彎頭阻流件實驗， 得出實驗數(shù)據(jù)， 見表1。

    可得實驗初步結(jié)論：當渦街流量計上游存在單彎頭阻流件時，要使渦街流量計獲得良好性能，安裝條件必須滿足： 前直管段5D及以上， 后直管段3D及以上的前后直管段組合。

    2.3 球形閥阻流件實驗數(shù)據(jù)及初步結(jié)論

    通過球形閥阻流件實驗， 得出實驗數(shù)據(jù)， 見表2。

    表2 球形閥阻流件實驗數(shù)據(jù)

    可得實驗初步結(jié)論：當渦街流量計上游存在全開球形閥阻流件時，要使渦街流量計獲得良好性能，安裝條件必須滿足：前直管段5D及以上，后直管段3D及以上的前后直管段組合。

    2.4 綜合結(jié)論

    前直管段對渦街流量計的影響：一般而言，前直管段越短時，渦街流量計的平均儀表系數(shù)越大，平均儀表系數(shù)的相對誤差越大，線性度也越差。后直管段對渦街流量計的影響：在前直管段較長時，后直管段的影響作用不大； 當前直管段較短時， 后直管段越短會加劇前直管段的影響作用。所以前直管段的長度對渦街流量計的性能起主要作用。渦街流量計在較大流量時的性能略優(yōu)于其在低流量時的性能。

    3 結(jié)語

    就渦街流量計的使用工況進行初步研究，結(jié)合海洋石油工業(yè)中遇到的典型工況，進行了實驗與理論結(jié)合的研究，并得到了初步的研究結(jié)論，對于以后海上石油工業(yè)此類流量計的應(yīng)用，有一定的參考意義。

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