高压输油管线液体涡轮流量计原理结构
摘要：本文主要介绍一种输油管线液体涡轮流量计, 该流量计主要承担管线系统流量的计量, 并将数据传输到控制中心, 为输油调度提供依据, 同时还可以作为泄漏监测的辅助设备。 该流量计具有准确度高、重复性好、线性度优、适应性强、工作压力高及成本低等特点。
0、引言：长期以来, 如何保证输油管线系统中流量计量值的准确度 ,是管线系统一直探讨的课题 。随着信息化的发展 ,对输油管线系统的流量测量提出了更高的要求 。
我们研制的流量计主要用于输油管线系统 ,输送的介质一般为柴油 、汽油和航空煤油等轻质油品 ,综合考虑各种因素采用涡轮流量计作为输油管线系统的配套设备。其主要性能如下:
1)额定压力 :4.0M Pa ;长度 :600mm ;流量范围 :50m3/h ～ 250m3/h ;压降:在***大流量下压力损失小于 40k Pa(以水为测试介质时);总质量:小于 40kg 。
2)防爆等级为 d I IBT 5 , 能在 -41 ℃～ +46 ℃环境下正常工作。
3)表头同时显示瞬时流量和累积流量 , 并可切换显示总累积流量 、批累积量 、瞬时流量及介质温度, 读数方便 ,清晰直观 。
4)配备 RS -485 通讯接口 , 传输距离不小于900m 。
5)仪表系数应用多段非线性修正 , 根据不同流量点对应的仪表系数 ,插值计算出流量计的仪表系数。
6)温度补偿功能 :基准温度 20 ℃, 不同的油品采用不同温度体积系数进行补偿 。
7)计量精度 :0.2 级 。
1、涡轮流量计的设计：
液体涡轮流量计由涡轮流量传感器和流量积算仪组成。结构图如图 1 所示 。
①壳体 ;②槽头接头 ;③整流器 ;④导流体 ;⑤提手 ;⑥长轴 ;⑦涡轮 ;⑧积算仪 ;⑨支脚 图1 涡轮流量计结构图
1.1、涡轮流量传感器：
涡轮流量传感器是涡轮流量计的基本单元 ,主要由整流器、导流体、涡轮、感应线圈 、槽头接头 、提手等组成。它基于动力矩平衡原理, 当流体流经传感器时,在整流器和导流体作用下得到整流并加速 。由于涡轮叶片与流体流向成一定角度, 在加速流体的作用下 ,叶轮产生转动力矩 ,克服摩擦力矩和流体阻力矩后 ,涡轮开始旋转 。在一定流量范围内 ,涡轮转速与流体体积流量成正比。叶轮旋转切割磁力线,周期性地改变线圈中的磁通量 ,使线圈两端感应出与流体体积流量成正比的脉冲信号, 该信号经放大、滤波、整形后送入流量积算仪。
1.1.1、涡轮：
涡轮由导磁不锈钢材料制成, 装有螺旋叶片, 叶片数为 6 片 ,叶片倾角为 35°, 叶片与内壳间的间隙为 0.8mm 。
1.1.2、整流器：
涡轮流量计特性与管线内的速度分布有很大的关系,因此保证进入流量计的流体具有均匀的速度分布,是提高计量的准确性一个重要的前提条件。因此研制的涡轮流量计内置了整流器 。整流器由一束细不锈钢管组成,整流束的长度 B =100mm:整流束管子的数目 n =42 。通过增加整流器,可以减少流量计前后直管段的长度,提高计量精度,减小体积和重量。
1.2、流量积算仪：
流量积算仪作为流量计的计算显示部分 , 采用高性能微功耗的集成芯片, 配有脉冲输出 、4m A ～20m A 模拟信号输出和 RS -485 通讯接口三种输出方式 ,内置高容量 3.6V 锂电池供电, 并内置温度传感器 。积算仪接收传感器的信号, 并进行运算处理 ,就地显示于显示窗口上。其主要特点如下:
1)采用高性能微功耗的集成芯片 , 整机多功能 ,功耗低。
2)可切换显示总累积流量 、批累积量 、瞬时流量及介质温度,清晰直观,读数方便。
3)配有脉冲输出 , 4m A ～ 20m A 模拟信号输出 ,RS -485 通讯接口 。
4)内置高容量 3.6V 锂电池供电 , 寿命长 , 更换方便 ,电池寿命可达两年以上 。
5)软件中采用了多段非线性修正 , 把生产过程中由于加工精度造成的仪表误差通过软件计算修正到标准值以内。
6)内置式温度传感器 , 可以在线补偿由于温度引起的变化量 。
7)在软件包中内置了汽油 、喷气燃料和柴油的体积膨胀率, 通过设置的切换开关 ,可对不同油品进行温度补偿。
1.2.1、温度补偿：
流体的体积随温度的变化而变化 ,一般来说 ,温度升高,体积膨胀, 流体的这种属性称为热膨胀性,用热膨胀率表示。不同流体具有不同的热膨胀率。以 20 ℃为基准进行换算, 计算公式:
V20 =V t[ 1 -f (t -20)]式中 :V20为油品 20 ℃体积;V t 为油品 t ℃体积 ;f 为油品体积温度系数 ;t 为输油实际温度 。
下面通过示例 , 计算不同介质当温度每升高1 ℃时的体积变化率 。
对于柴油 ,当密度为 0.83 ×103kg/ m3时, 温度体积系数为 0.00084/ ℃, 当温度升高 1 ℃时 ,体积变化率为 0.84 ‰, 若温度变化 10 ℃的话 , 将会引起0.84 %的计量误差 。
对于喷气燃料 ,当密度为 0.780 ×103kg/ m3时,温度体积系数为 0.00098/ ℃, 当温度升高 1 ℃时 ,体积变化率为 0.981 ‰,若温度变化 10 ℃的话 ,将会引起 0.981 %的计量误差
对于汽油 ,当密度为 0.710 ×103kg/ m3时,温度体积系数为 0.00123/ ℃, 当温度升高 1 ℃时 ,体积变化率为 1.232 ‰, 若温度变化 10 ℃的话, 将会引起1.232 %的计量误差 。
从计算结果可看出 ,当输送汽油时 ,温度对体积的影响很大, 当温度变化 10 ℃时,会引起 1.232 %的计量误差, 而一般流量计的计量度都可达到0.5 %, 只从提高仪表的精度出发 , 而不考虑被测介质温度的变化是不准确的, 不能满足计量交接的要求。温度补偿的目的就是将实测油品的流量值转换成可代计量交接的标准温度条件(以 20 ℃为基准)下的流量值。
通过在涡轮流量计内置高精度的 Pt1000 热电偶, 可测量输送介质的温度, 流量积算仪可以根据测得的温度进行(每间隔 4s)温度补偿 ,从而提高计量准确度。
2、涡轮流量计的标定 , 确定流量计仪表系数及度分析：
涡轮流量计属于速度式流量计, 在一定的流量范围内,对一定的流体介质粘度,涡轮的旋转角速度与流体的流速成正比 。涡轮流量计输出的脉冲频率与通过流量计的流量成正比,其比例系数 K 称为流量计的仪表系数。用公式表示为 K =f/ qv。式中f 为涡轮流量计的脉冲频率 , qv 为通过流量计的流量。
该流量计采用活塞式液体体积管进行检定。体积管型号为 JHYG —150 , 流量范围 :0.56m3/h ～560m3/h 、 准确度为 0.03 %。试验介质为轻柴油 。根据规程要求, 在流量 25m3/h ～ 250m3/h 的范围内进行检定 ,对每个检定点进行 9 次检定 ,检定时记录每个检定点的条件。
对不同流量工况下的检定结果进行分析 , 流量计 的 线 性 度、 重 复 性、 精 度 分 别 为 0.152 %、0.031 %、0.158 %。
3、结论：
设计完成后的 DN150 涡轮流量计进行了 140小时使用试验 ,试验表明, 该流量计具有工作可靠、性能稳定 ,展开撤收方便 ,操作简单,读数清晰、直观的特点,并且与 DNl50 输油管线系统具有良好的匹配性 。其主要特点在于 :
1)DN 150 涡轮流量计将整流器与流量计集成在一起, 消除了流量计上游管件对流动状态的影响,提高了计量精度, 而且结构紧凑, 体积小、重量轻 ,与同流量、同额定压力的容积式流量计相比, 其重量只相当于容积式流量计 1/20 。
2)DN 150 涡轮流量计采用了多段非线性修正 ,对非检定点的仪表系数进行插值运算 ,运算时对不同工况下采用不同的仪表系数, 提高了计量的准确性。
3)DN 150 涡轮流量计内置温度传感器 , 可以在线补偿由于温度引起的变化量,提高计量准确度 。