摘要：與孔板、文丘里管等傳統(tǒng)差壓式流量計(jì)相比,“邊壁逐漸收縮式"V錐流量計(jì)在結(jié)構(gòu)上具有優(yōu)勢(shì)。V錐流量計(jì)對(duì)安裝前后直管段的要求低,且具有壓力損失小、抗臟污、測(cè)量性能優(yōu)等優(yōu)點(diǎn)。因此，在空間緊湊的FLNG裝置上,將V錐流量計(jì)作為流量計(jì)選型的先考量對(duì)象。
V錐流量計(jì)具備錐形管的特殊結(jié)構(gòu)，能夠?qū)α鹘?jīng)錐體的流體速度分布梯度進(jìn)行調(diào)整,消除漩渦二次流，降低V錐流量計(jì)前后直管段的要求。V錐流量計(jì)安裝成本低、量程比寬.信號(hào)穩(wěn)定、值范圍寬。
1V錐流量計(jì)的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
1.1V錐流量計(jì)的工作原理
V錐流量計(jì)作為1種差壓式流量計(jì)，其基本理論是可以在密閉管道中進(jìn)行能量相互轉(zhuǎn)換的伯努利原理。結(jié)合流動(dòng)連續(xù)性原理，可以推斷在穩(wěn)定流場(chǎng)情況下，管道中的流速與錐體前后差壓的平方根呈正比例.函數(shù)關(guān)系。測(cè)得錐體上下游的壓力得出差壓即可實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量。V錐流量計(jì)結(jié)構(gòu)見圖1。
體積流量與差壓的關(guān)系由下式確定如式(1)所示。
體積流量與差壓的關(guān)系如式2)所示。
式中:D一工況下測(cè)量管的內(nèi)徑,m;
d一工況下V錐體的最大直徑,m;
C一流出系數(shù),無量綱;
β一可膨脹修正系數(shù),無量綱,對(duì)不可壓縮流體時(shí)β=1,當(dāng)流體是可壓縮流體時(shí)，β<1;
ρ一工作狀態(tài)下，節(jié)流件上游處流體的密度,kg/m³;
△p一差壓值,Pa;
P1一節(jié)流件上游導(dǎo)壓處壓力,Pa;
P2一節(jié)流件下游導(dǎo)壓處壓力，Pa。
1.2V錐流量計(jì)與其他節(jié)流裝置的比較
V錐流量計(jì)將“流體收縮到管道中心”的概念改變?yōu)椤笆湛s到管道的內(nèi)邊壁”。當(dāng)流體流經(jīng)錐體與測(cè)量管道之間的環(huán)形通道時(shí)，流體逐漸向管內(nèi)壁平滑收縮，錐體前后產(chǎn)生差壓,實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量。錐體在管線中心位置的測(cè)壓點(diǎn)的流量速度剖面最佳，可以在不考慮上游流動(dòng)狀況的情況下,獲得精度高、可靠好的流量測(cè)量。
孔板采用“中心突然收縮式”的節(jié)流方式。流體流經(jīng)節(jié)流件時(shí),未對(duì)速度割面進(jìn)行整形,在管道中心線附近突然性的形成局部收縮。孔板是帶有同心或偏心圓形開孔的一塊金屬薄板。當(dāng)流體流經(jīng)圓形開孔時(shí),管道橫截面積的突然減小使流體局部收縮，在孔板下游形成幅度較大的漩渦。因?yàn)闇y(cè)壓點(diǎn)需要位于流體流場(chǎng)較穩(wěn)定的區(qū)域以保證其測(cè)量精度和重復(fù)性，在安裝時(shí)對(duì)直管段長(zhǎng)度要求(一般前10D、后5D)。另外，漩渦會(huì)造成差壓信號(hào)中的噪聲增大，量程比縮小，測(cè)量精度降低,由能量守恒可知,漩渦會(huì)增大壓損。孔板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)還會(huì)使孔板前極易積污，對(duì)內(nèi)孔銳角線磨損從而難以保證精度,使流出系數(shù)不穩(wěn)定。
文丘里管采用“中心逐漸收縮式”的節(jié)流方式。即流體流經(jīng)節(jié)流件時(shí),在收縮段逐漸收縮后，才會(huì)流經(jīng)管道中心線附:近的喉道，通過擴(kuò)散段逐漸擴(kuò)大的管道流出。文丘里管先逐漸收縮而后逐漸擴(kuò)大的特點(diǎn)，能夠?qū)α黧w速度分布梯度有效整流,壓損較小，流出系數(shù)接近1。但是文丘里管在使用過程中喉部的磨損嚴(yán)重,無法長(zhǎng)期保持測(cè)量精度。而且文丘里管漸縮漸擴(kuò)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對(duì)上下游直管段具有要求，在測(cè)量濕氣體、冷凝物以及固液兩相介質(zhì)的流量時(shí)容易被堵塞。
孔板、文丘里管等老式差壓式流量計(jì)由于其結(jié)構(gòu)上的缺陷,無法滿足FLNG領(lǐng)域流量測(cè)量的需求。而V錐流量計(jì)是對(duì)傳統(tǒng)節(jié)流式流量計(jì)改進(jìn)完善后的器件，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不僅解決已有差壓式流量計(jì)的缺陷，而且還有其他測(cè)量原理的流量計(jì)不具備的優(yōu)點(diǎn)。
2V錐流量計(jì)的性能特點(diǎn)
2.1V錐流量計(jì)的優(yōu)勢(shì)
流體在接近V錐體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生扁平的流態(tài)分布，V錐流量計(jì)可以比其他差壓流量計(jì)更接近上游擾動(dòng)處工作。V錐流量計(jì)的建議安裝距離為上游直管段直徑的0~3倍和下游直管段直徑的0~1倍。單個(gè)或雙個(gè)彎頭在同一平面或接近儀表上游時(shí),V錐流量計(jì)仍然可以產(chǎn)生扁平流態(tài)。當(dāng)不同流態(tài)接近錐體時(shí)，始終會(huì)產(chǎn)生一個(gè)可預(yù)測(cè)的流態(tài),保證儀表測(cè)量。
V錐一次元件的精度可以達(dá)到士0.5%。V錐一-次元件的重復(fù)性高達(dá)0.1%�？梢詼y(cè)量較低雷諾數(shù)范圍(Re≥8000)的流量。典型V錐流量計(jì)的量程比為10:1。選擇合適的參數(shù)時(shí),可以達(dá)到更高的量程。
V錐一次元件的精度可以達(dá)到±0.5%。V錐一次元件的重復(fù)性高達(dá)0.1%。可以測(cè)量較低雷諾數(shù)范圍(Re≥8000)的流量。典型V錐流量計(jì)的量程比為10:1。選擇合適的參數(shù)時(shí),可以達(dá)到更高的量程。
錐體的輪廓形狀將流體方向限制為朝向管道的內(nèi)邊壁,不清潔的流體不會(huì)對(duì)錐體邊界層產(chǎn)生沖擊,并且不易磨損邊緣。其β值長(zhǎng)期不變,流量計(jì)不需要重復(fù)標(biāo)定,具有長(zhǎng)期的精度穩(wěn)定性。
流體在流經(jīng)節(jié)流件時(shí),會(huì)產(chǎn)生“一卡曼旋渦”現(xiàn)象,在流量穩(wěn)定條件下,對(duì)差壓檢測(cè)產(chǎn)生干擾而形成“信號(hào)波動(dòng)”。孔板流量計(jì)會(huì)在孔板下游處形成渦流,呈高幅低頻的孔板信號(hào),影響流量計(jì)的讀數(shù)。而V錐流量計(jì)的結(jié)構(gòu)是邊壁逐漸收縮節(jié)流，與錐體后部產(chǎn)生的干擾流大小相同方向相反而相互抵消，對(duì)信號(hào)擾動(dòng)很小，在低壓流場(chǎng)也能夠呈現(xiàn)高頻低幅的壓力脈動(dòng)，且噪聲小、信號(hào)穩(wěn)定。
V錐流量計(jì)可以在低差壓力下正常運(yùn)行，永久壓力損失低。V錐流量計(jì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)允許有很寬的比范圍。標(biāo)準(zhǔn)的比范圍為0.45.0.55.0.65.0.75和0.85。V錐流量計(jì)“掠過型”的設(shè)計(jì)理念,會(huì)對(duì)流體中的殘?jiān)�、凝結(jié)物或顆粒形成吹掃沖刷作用,因此可以保持錐體長(zhǎng)期清潔。
上述短渦流使V錐下游的流體完全混合，在很多需要即時(shí)和完全混合的應(yīng)用中,V錐常被用作靜態(tài)混合器。
2.2V錐流量計(jì)的局限性
V錐流量計(jì)檢測(cè)元件是錐體，流量計(jì)的流出系數(shù)受錐角大小、下游取壓口位置、錐體最大截面處軸向長(zhǎng)度等參數(shù)的直接影響，但是目前各個(gè)廠家尚未形成統(tǒng)一規(guī)范,V錐流量計(jì)仍需遵循逐臺(tái)實(shí)流標(biāo)定的原則。但是標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置(標(biāo)準(zhǔn)孔板、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴和標(biāo)準(zhǔn)文丘里管)能夠達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO-5167,按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造、安裝和使用。
錐體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得其無法滿足雙向流的流量測(cè)量要求。與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置相比,V錐流量計(jì)用料更多，加工工藝要求嚴(yán)格,逐臺(tái)標(biāo)定費(fèi)用高,使其售價(jià)較高。但綜合考慮并權(quán)衡節(jié)流裝置購(gòu)買價(jià)及安裝費(fèi)用、維護(hù)費(fèi)用、因壓損造成的能量損失等因素,V錐流量計(jì)的總體費(fèi)用是更合理的。
3.V錐流量計(jì)在FLNG裝置上的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)
陸上工廠擁有大量空間,對(duì)儀表占地要求不高,但是在空間擁擠的海上,需要盡可能地減少空間的使用。FLNG裝置設(shè)計(jì)緊湊,實(shí)際工作環(huán)境還涉及顛簸、腐蝕等諸多問題，因此甲板上的生產(chǎn)裝置詳細(xì)設(shè)計(jì)與陸地同規(guī)模工廠的設(shè)計(jì)完全不同。V錐流量計(jì)只需極短的直管段就能取得測(cè)量值,其直管段要求如下:
(1)氣體測(cè)量,雷諾數(shù)范圍(Re)>200000,V錐流量計(jì)測(cè)量氣體的上游和下游的最小直管長(zhǎng)度見表1。若≥0.65,表中的直管段長(zhǎng)度需要增加1D。
(2)液體測(cè)量,雷諾數(shù)范圍(Re)>200000,V錐流量計(jì)測(cè)量液體的上游和下游的最小直管長(zhǎng)度見表2。若≥0.65,表中的直管段長(zhǎng)度需要增加1D.。
V錐流量計(jì)的使用流體非常廣泛,低、高流速的流體均可以測(cè)量;V錐流量計(jì)規(guī)格齊全，適用口徑DN15(1/2")~DN3000(120"),公稱壓力0~25001b,工作溫度-200~800℃;且安裝方式靈活,可以選擇管道法蘭式、直接焊接式、方管式安裝。V錐流量計(jì)在惠生海工為Exmar以EPCIC模式總承包建設(shè)的FLNG(設(shè)計(jì)液化能力約50萬t/a的LNG)中得到了成功應(yīng)用，在惠生海工的FLNG標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目(設(shè)計(jì)液化能力300萬t/a的LNG)也有選型應(yīng)用。
需要將液體和氣體流量計(jì)放在近海平臺(tái)、浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油和卸油的船、海底裝置這些場(chǎng)所時(shí),具有自調(diào)節(jié)功能的V錐近海流量計(jì)所需要的運(yùn)行直管段比其他流量計(jì)少70%，可以產(chǎn)生不動(dòng)產(chǎn)和安裝成本乃面的巨大節(jié)省,節(jié)省的成本能夠超過儀表本身的成本。
4結(jié)語
V錐流量計(jì)具有精度高、自清潔功能、實(shí)用性強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好,方便了生產(chǎn),滿足生產(chǎn)計(jì)量的需要。且.V錐流量計(jì)的結(jié)構(gòu)決定其不需要長(zhǎng)的運(yùn)行直管段或者流量調(diào)節(jié)儀表，安裝條件的局限少，在空間緊缺的FLNG裝置上是流量測(cè)量?jī)x表選型的重要參考因素。
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