螺旋涡轮流量计用于液态烃贸易计量

摘要：传统涡轮流量计虽然具有良好的测量精度和响应特性,但对介质黏度、温度和压力较敏感,难以保持在多变条件下的长期稳定性。螺旋流量计采用一体化车制的螺旋形叶片,既保持了传统涡轮流量计精度高、压降低、响应快、质量轻、体积小以及维护安装方便等诸多优点,又具有叶片结构坚固、适应黏度范围大、长期稳定性好等新特点。该流量计在实验室测试和现场使用测试中,表现出了良好的计量特性;在不同介质测试中的重复性极佳,在原油测试中具有较好的线性度,能够满足包括原油在内的液态烃贸易计量的要求。

  1953年出现的早期螺旋叶片涡轮流量计主要用于航空飞行器内部燃料油的传输消耗计量。20世纪60年代中期,螺旋涡轮流量计开始进入欧洲油气工业计量,在北海严酷环境下表现出良好的原油计量性能。 1994年美国引入双螺旋涡轮流量计,2000年API颁布MPMS 5.3 《用涡轮流量计计量液态烃》,对包括螺旋涡轮在内的涡轮流量计使用进行规范。

  传统涡轮流量计虽然具有良好的测量精度和响应特性,但对介质黏度、温度和压力较敏感,难以保持在多变条件下的长期稳定性。经过不断发展和完善,螺旋涡轮流量计克服了上述缺点,将涡轮流量计适用黏度扩展至高黏原油,成为一项应用前景广阔的新型液态烃流量计。该流量计采用一体化车制的螺旋形叶片,既保持了传统涡轮流量计精度高、压降低、响应快、质量轻、体积小以及维护安装方便等诸多优点,又具有了叶片结构坚固、适应黏度范围大、长期稳定性好等新特点。

  目前,螺旋涡轮流量计主要有法国Faure-Her- man HELIFLUTMTZN型双螺旋涡轮流量计、 美国Emerson Smith公司生产的MV系列螺旋涡轮流量计和其旗下Daniel公司生产的1500系列螺旋涡轮流量计等,主要用于石油产品管输计量、油轮及海上平台原油计量和油库管理等,其中HELIFLUTMTZN型双螺旋涡轮流量计标称长期稳定性大于5年。几种典型液态烃贸易交接用螺旋涡轮流量计参数见表1。

表1典型液态烃贸易交接用螺旋涡轮流量计参数

  螺旋型与传统型涡轮流量计明显不同之处是, 螺旋涡轮流量计转子上只有2个螺旋型叶片,而不是传统型的多叶片型式,如图1所示。螺旋涡轮流量计在测量高黏性原油时,可减少原油在转子界面层的积滞。口径为8 in (1 in=2.54 cm) 的传统型和螺旋涡轮流量计转子,当转子界面层厚度都增加0.001 in时,会导致传统型涡轮流量计流动剖面面积产生0.3%的变化,螺旋涡轮流量计只产生0.1% 的变化,即传统型受影响程度是螺旋型的3倍。流动剖面面积的改变直接影响流体通过流量计的速度,进而影响流量计的准确度。另外,螺旋型转子叶片的形状、安置角度等,也可以改善转子叶片周围的流动状态,降低仪表对流体黏度的敏感性,提高仪表稳定性和使用年限。螺旋涡轮流量计拓展了传统型涡轮流量计的测量范围,对原油计量有更好的适应性。

  与传统结构相比,螺旋涡轮流量计结构更加简单,布局更加合理,其应用范围已覆盖部分容积式流量计的***佳黏度范围[1],如图2所示。而且它只有一个可动部件,并采用高强度碳化钨作轴承,采用钛或铝作转子,可实现长期的稳定性和可靠性。 根据Faure Herman提供的资料,双螺旋涡轮流量计在国外原油计量应用中,曾连续使用7年流量计系数几乎没有变化。

图1传统式与螺旋式涡轮流量计结构对比

图2API MPMS 5.1的涡轮流量计适用黏度范围

  2004年2月至5月,大庆油田工程有限公司曾对法国Faureman Herman公司一台配有标准直管段的TZN100-300型螺旋涡轮流量计进行实验室性能测试。 该台流量计口径为DN100 mm, 计量准确度± 0.15%,重复性优于0.02%,流量范围30~300 m3/h。 测试内容包括水装置测试和原油测试两部分,原油测试依据美国石油协会标准API MPMS5.3进行[2]。

  水装置测试温度约为10 ℃,表压约为0.3 MPa, 密度约为999.7 kg/m3,黏度约为1.31 c St,共测试4个流量点,每个流量点测3次,测试数据见表2。

表2TZN100-300涡轮流量计水装置测试数据

  原油测试油温约为70 ℃,表压约0.45 MPa,密度约980.0 kg/m3, 黏度约25 c St, 共测试5个流量点,每个流量点测3次,测试数据见表3。

  TZN100-300螺旋涡轮流量计以水和原油为介质进行9组测试,重复性误差均不超过0.02%,测试误差不超过±0.2%,如图3所示。

  图3中浅灰色区域为0.2级流量计的K系数允许波动范围。从图3及测试数据中可以看出,在以原油和水为介质开展的流量测试范围内,该流量计测试误差及重复性均符合0.2级测量准确度要求, 原油测得的线性度优于水。

表3TZN100-300涡轮流量计原油测试数据

图3TZN100-300水和原油测试K系数分布

  以水为介质获得的平均K系数为1 617.56 N·m-3, 较以原油为介质获得的平均K系数(1 597.71 N·m-3) 正向相差19.85 N · m- 3, 约为平均K系数的1.23%。可见,介质黏度依然对流量计K系数影响较大。

  2004年,公司购置一台TZN100-200型螺旋涡轮流量计作为标准表,用于海上油轮的体积管检定。该流量计口径为DN100 mm,计量准确度±0.15%, 重复性优于0.02%,流量范围20~200 m3/h。

  在检定海上油轮船载体积管时,需在检定前后,利用活塞式体积管以现场原油为介质检定两次涡轮流量计,取两次K系数平均值。在检定船载体积管时,将船载体积管与涡轮流量计串联,记录体积管运行一周期涡轮流量计所产生的脉冲数,利用此脉冲数与K系数平均值的乘积算出船载体积管的标准体积,将标准量值传递给体积管。

  该流量计自投用3年来,共完成7次船载体积管的检定,检定数据见表4。

表 4 TZN100-200 涡轮流量计现场检定数据

  TZN100-200螺旋涡轮流量计作为船载体积管检定用的标准表,在2005年至2007年14次检定中,重复性均不超过0.02%,显示出良好的稳定性。

  从对TZN型螺旋涡轮流量计的实验室测试和现场使用测试情况来看,螺旋涡轮流量计具有较强的稳定性和可靠性,较传统涡轮流量计对介质的黏度不敏感,在不同介质测试中的重复性极佳,在原油测试中具有较好的线性度,能够满足包括原油在内的液态烃贸易计量的要求。