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)。

0、引言：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 :4.0M Pa ;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 40k Pa(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 d I IBT 5 , 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殼體 ;②槽頭接頭 ;③整流器 ;④導(dǎo)流體 ;⑤提手 ;⑥長(zhǎng)軸 ;⑦渦輪 ;⑧積算儀 ;⑨支腳 圖1 渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)圖

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 、4m A ～20m A 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 , 4m A ～ 20m A 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(chēng)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 =V t[ 1 -f (t -20)]式中 :V20為油品 20 ℃體積;V t 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(chēng)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 %。

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)DN 150 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)DN 150 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)DN 150 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 。