由于流量是一個(gè)動(dòng)態(tài)量,測(cè)量?jī)x表本身受到眾多因素,如:管道、口徑大小、形狀(圓形、矩形)、邊界條件、介質(zhì)的物性(溫度、壓力、密度、粘度、臟污性、腐蝕性等)、流體的流動(dòng)狀態(tài)(紊流狀態(tài)、速度分布等)以及安裝條件與水平的影響。面對(duì)國(guó)內(nèi)外十幾類(lèi)、上百個(gè)品種的流量?jī)x表(先后發(fā)展起來(lái)的容積式、差壓式、渦輪式、面積式、電磁式、超聲波式和熱式流量計(jì)等類(lèi)型),如何根據(jù)流量、流態(tài)、安裝要求與環(huán)境條件、經(jīng)濟(jì)性等因素合理選型,是應(yīng)用好流量?jī)x表的前提和基礎(chǔ),本文匯總了場(chǎng)見(jiàn)流量?jī)x表選型原則和方法,幫助大家快速掌握流量?jī)x表選型并應(yīng)用。
總的來(lái)說(shuō),選擇流量計(jì)的原則首先是要深刻地了解各種流量計(jì)的結(jié)構(gòu)原理和流體特性等方面的知識(shí),同時(shí)還要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體情況及考察周邊的環(huán)境條件進(jìn)行選擇。也要考慮到經(jīng)濟(jì)方面的因素。一般情況下,主要應(yīng)從下面五個(gè)方面進(jìn)行選擇:
① 流量計(jì)的性能要求;
② 流體特性;
③ 安裝要求;
④ 環(huán)境條件;
⑤ 流量計(jì)的價(jià)格。
01性能要求
流量計(jì)的性能方面主要包括:測(cè)量流量(瞬時(shí)流量)還是總量(累積流量);準(zhǔn)確度要求;重復(fù)性;線(xiàn)性度;流量范圍和范圍度;壓力損失;輸出信號(hào)特性和流量計(jì)的響應(yīng)時(shí)間等。
測(cè)流量還是總量
流量測(cè)量包括兩種,即瞬時(shí)流量和累積流量,比如對(duì)分輸站管道的原油屬于貿(mào)易交接或石油化工管道進(jìn)行連續(xù)配比生產(chǎn)或生產(chǎn)流程的過(guò)程控制等需要計(jì)量總量,間或輔以瞬時(shí)流量的觀察。在有的工作場(chǎng)所對(duì)流量進(jìn)行控制則需配備瞬時(shí)流量測(cè)量。因此,要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量的需要進(jìn)行選擇。有些流量計(jì)比如容積式流量計(jì),渦輪流量計(jì)等,其測(cè)量原理是以機(jī)械計(jì)數(shù)或脈沖頻率輸出直接得到總量,其準(zhǔn)確度較高,適用于計(jì)量總量,如配有相應(yīng)的發(fā)訊裝置也可輸出流量。電磁流量計(jì)、超聲流量計(jì)等是以測(cè)量流體流速推導(dǎo)出流量,響應(yīng)快,適用于過(guò)程控制,如果配以積算功能后也可以獲得總量。
準(zhǔn)確度
流量計(jì)準(zhǔn)確度等級(jí)的規(guī)定是在一定的流量范圍內(nèi),如果使用在某一特定的條件下或比較窄的流量范圍內(nèi),比如,僅在很小的范圍內(nèi)變化,此時(shí)其測(cè)量準(zhǔn)確度會(huì)比所規(guī)定的準(zhǔn)確度等級(jí)高。如用渦輪流量計(jì)計(jì)量油品裝桶分發(fā),在閥門(mén)全開(kāi)的情況下使用,流量基本恒定,其準(zhǔn)確度可能會(huì)從0.5級(jí)提高到0.25級(jí)。
用于貿(mào)易核算、儲(chǔ)運(yùn)交接和物料平衡如果要求測(cè)量準(zhǔn)確度較高時(shí),應(yīng)考慮準(zhǔn)確度測(cè)量的持久性,一般用于上述情況下的流量計(jì),準(zhǔn)確度等級(jí)要求為0.2級(jí)。在這樣的工作場(chǎng)所一般是現(xiàn)場(chǎng)配備計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備(比如體積管),對(duì)所使用的流量計(jì)進(jìn)行在線(xiàn)檢測(cè)。近幾年由于各單位對(duì)原油計(jì)量的高要求,對(duì)原油計(jì)量提出實(shí)行系數(shù)交接,即除了每半年對(duì)流量計(jì)進(jìn)行一次周期檢測(cè)后,貿(mào)易交接雙方協(xié)商每1個(gè)月或2個(gè)月對(duì)流量計(jì)進(jìn)行檢定確定流量系數(shù),每天根據(jù)流量計(jì)計(jì)量的數(shù)據(jù)與流量計(jì)流量系數(shù)計(jì)算出數(shù)據(jù)進(jìn)行交接,以提高流量計(jì)的準(zhǔn)確度,也稱(chēng)為低誤差交接。
準(zhǔn)確度等級(jí)一般是根據(jù)流量計(jì)的很大允許誤差確定的。各制造廠提供的流量計(jì)說(shuō)明書(shū)中會(huì)給出。一定要注意其誤差的百分率是指相對(duì)誤差還是引用誤差。相對(duì)誤差為測(cè)量值的百分率,常用“% R”表示。引用誤差則是指測(cè)量上限值或量程的百分率,常用“% FS”。許多制造廠說(shuō)明書(shū)中并未注明。比如,浮子流量計(jì)一般都是采用引用誤差,電磁流量計(jì)有的型號(hào)也有采用引用誤差的。
流量計(jì)如果不是單純計(jì)量總量,而是應(yīng)用在流量控制系統(tǒng)中,則檢測(cè)流量計(jì)的準(zhǔn)確度要在整個(gè)系統(tǒng)控制準(zhǔn)確度要求下確定。因?yàn)檎麄(gè)系統(tǒng)不僅有流量檢測(cè)的誤差,還包含有信號(hào)傳輸、控制調(diào)節(jié)、操作執(zhí)行等環(huán)節(jié)的誤差和各種影響因素。比如,操作系統(tǒng)中存在有2%左右的回差,對(duì)所采用的測(cè)量?jī)x表確定過(guò)高的準(zhǔn)確度(0.5級(jí)以上)就是不經(jīng)濟(jì)和不合理的。就儀表本身來(lái)說(shuō),傳感器與二次儀表之間的準(zhǔn)確度也應(yīng)該適當(dāng)相配,比如說(shuō)設(shè)計(jì)出來(lái)未經(jīng)實(shí)際標(biāo)定的均速管誤差如在±2.5%~±4%之間,配上0.2%~0.5%高準(zhǔn)確度的差壓計(jì)就意義不大了。
還有一個(gè)問(wèn)題就是對(duì)于檢定規(guī)程或制造廠說(shuō)明書(shū)中對(duì)流量計(jì)所規(guī)定的準(zhǔn)確度等級(jí)指的是其流量計(jì)的很大允許誤差。但是由于流量計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)受環(huán)境條件、流體流動(dòng)條件和動(dòng)力條件等變化的影響,將會(huì)產(chǎn)生一些附加誤差。因此,現(xiàn)場(chǎng)使用的流量計(jì)應(yīng)是儀表本身的很大允許誤差和附加誤差的合成,一定要充分考慮到這個(gè)問(wèn)題,有時(shí)候可能現(xiàn)場(chǎng)的使用環(huán)境范圍內(nèi)的誤差會(huì)超過(guò)流量計(jì)的很大允許誤差。
重復(fù)性
重復(fù)性是由流量計(jì)原理本身與制造質(zhì)量決定的,是流量計(jì)使用過(guò)程中的一個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo),與流量計(jì)的準(zhǔn)確度息息相關(guān)。一般在檢定規(guī)程中的計(jì)量性能要求中對(duì)流量計(jì)不僅有準(zhǔn)確度等級(jí)規(guī)定外,還對(duì)重復(fù)性進(jìn)行了規(guī)定,一般規(guī)定為:流量計(jì)的重復(fù)性不得超過(guò)相應(yīng)準(zhǔn)確度等級(jí)規(guī)定的很大允許誤差的1/3~1/5。
重復(fù)性一般定義為在環(huán)境條件和介質(zhì)參量等不變的情況下,對(duì)某流量值短時(shí)間內(nèi),同方向進(jìn)行多次測(cè)量的一致性。但是,在實(shí)際應(yīng)用中,流量計(jì)的重復(fù)性會(huì)常常被流體粘度、密度參量的變化所影響,有時(shí)這些參量變化還沒(méi)有達(dá)到需要進(jìn)行專(zhuān)門(mén)修正的程度,會(huì)誤認(rèn)為是流量計(jì)的重復(fù)性不好。鑒于這種情況下,應(yīng)選擇對(duì)此參量變化不敏感的流量計(jì)。比如,浮子流量計(jì)容易受流體密度影響,小口徑的流量計(jì)不僅受流體密度的影響,可能還會(huì)受流體粘度的影響;渦輪流量計(jì)如果用在高粘度范圍時(shí)的粘度影響;有些未做修正處理的超聲流量計(jì)會(huì)受到流體溫度的影響等等。如果流量計(jì)的輸出是非線(xiàn)性的,這種影響可能會(huì)更為突出。
線(xiàn)性度
流量計(jì)的輸出主要有線(xiàn)性和非線(xiàn)性平方根兩種。一般的來(lái)說(shuō)流量計(jì)的非線(xiàn)性誤差是不單獨(dú)列出的,而是包含在流量計(jì)的誤差內(nèi)。對(duì)于一般比較寬流量范圍,輸出信號(hào)為脈沖的,用作總量積算的流量計(jì),線(xiàn)性度則是一個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo),如果在其流量范圍內(nèi)使用單一的儀表系數(shù),當(dāng)線(xiàn)性度差就會(huì)降低流量計(jì)的準(zhǔn)確度。比如,渦輪流量計(jì)在10:1的流量范圍內(nèi)采用一個(gè)儀表系數(shù),線(xiàn)性度差時(shí)其準(zhǔn)確度會(huì)較低,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,可將其流量范圍分段,用很小二乘法擬合出流量—儀表系數(shù)曲線(xiàn)對(duì)流量計(jì)進(jìn)行修正,從而提高流量計(jì)的準(zhǔn)確度和擴(kuò)展流量范圍。
上限流量和流量范圍
上限流量也稱(chēng)為流量計(jì)的滿(mǎn)度流量或很大流量。當(dāng)我們選擇流量計(jì)的口徑時(shí)應(yīng)按被測(cè)管道使用的流量范圍和被選流量計(jì)的上限流量和下限流量來(lái)進(jìn)行配置,不能簡(jiǎn)單的按管道通徑進(jìn)行配用。
一般來(lái)講,設(shè)計(jì)管道流體很大流速是按經(jīng)濟(jì)流速來(lái)確定的。如果選擇過(guò)低,管徑粗,投資會(huì)大;過(guò)高則輸送功率大,增加運(yùn)行成本。比如,像水等低粘度液體其經(jīng)濟(jì)流速為1.5~3m/s,高粘度液體0.2~1m/s,大部分流量計(jì)上限流量的流速接近或高于管道經(jīng)濟(jì)流速。因此,流量計(jì)選擇時(shí)其口徑與管道相同時(shí)候就較多,安裝比較方便。如不相同也不會(huì)相差太多,一般上下相鄰一檔的規(guī)格,可采用異徑管連接。
在流量計(jì)的選擇中應(yīng)注意不同類(lèi)型的流量計(jì),其上限流量或上限流速由于受各自流量計(jì)的測(cè)量原理和結(jié)構(gòu)的限制差別較大。以液體流量計(jì)為例,上限流量的流速以玻璃浮子流量計(jì)為低,一般是0.5~1.5m/s之間,容積式流量計(jì)在2.5~3.5m/s之間,渦街流量計(jì)較高在5.5~7.5m/s之間,電磁流量計(jì)則在1~7m/s之間,甚至達(dá)到0.5~10m/s之間。
液體的上限流速還需要考慮不能因?yàn)榱魉龠^(guò)高而產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象,出現(xiàn)氣穴現(xiàn)象的地點(diǎn)一般是在流速很大,靜壓低的位置,為了防止氣穴的形成,常常需要控制流量計(jì)的很小背壓(很大流量)。
還應(yīng)注意流量計(jì)的上限值訂購(gòu)后就不能改變,比如容積式流量計(jì)或浮子流量計(jì)等。差壓式流量計(jì)像節(jié)流裝置孔板等一經(jīng)設(shè)計(jì)確定后,其下限流量不能改變,上限流量變動(dòng)可以通過(guò)調(diào)整差壓變送器或更換差壓變送器來(lái)改變流量。比如某些型號(hào)的電磁流量計(jì)或超聲流量計(jì),有些用戶(hù)可以自行重新設(shè)定流量上限值。
范圍度
范圍度為流量計(jì)的上限流量和下限流量的比值,其值越大則流量范圍越寬。線(xiàn)性?xún)x表有較寬的范圍度,一般為1:10。非線(xiàn)性流量計(jì)的范圍度較小僅為1:3。一般用于過(guò)程控制或貿(mào)易交接核算的流量計(jì),如果要求流量范圍比較寬就不要選擇范圍度小的流量計(jì)。
目前一些制造廠為宣傳其流量計(jì)的流量范圍寬,在使用說(shuō)明書(shū)中把上限流量的流速提得很高,比如液體提高到7~10m/s(一般為6m/s);氣體提高到50~75m/ s(一般為40~50)m/s);實(shí)際上如此高的流速是用不上的。其實(shí)范圍度寬的關(guān)鍵是有較低的下限流速,以適應(yīng)測(cè)量需要。所以下限流速低的寬范圍度的流量計(jì)才是比較實(shí)用的。
壓力損失
壓力損失一般是指流量傳感器由于在流通通道中設(shè)置的靜止或活動(dòng)檢測(cè)元件或改變流動(dòng)方向,從而產(chǎn)生隨流量而變的不能恢復(fù)的壓力損失,其值有時(shí)可達(dá)數(shù)十千帕。因此,應(yīng)按管道系統(tǒng)泵送能力和流量計(jì)進(jìn)口壓力等確定很大流量的允許壓力損失來(lái)選定流量計(jì)。因選擇不當(dāng)會(huì)限制流體流動(dòng)產(chǎn)生過(guò)大壓力損失而影響流通效率。有些液體(高蒸汽壓碳?xì)湟海┻應(yīng)注意過(guò)度的壓力降可能引發(fā)氣穴現(xiàn)象和液相汽化,降低測(cè)量準(zhǔn)確度甚至損壞流量計(jì)。比如管徑大于500mm的輸水用的流量計(jì),應(yīng)考慮壓損所造成的能量損耗過(guò)大而增加的泵送費(fèi)用。據(jù)有關(guān)報(bào)道,壓力損失較大的流量計(jì)幾年來(lái)為測(cè)量付出的泵送費(fèi)用往往超過(guò)低壓損、價(jià)格較貴的流量計(jì)的購(gòu)置費(fèi)用。
輸出信號(hào)特性
流量計(jì)的輸出和顯示量可以分為:
① 流量(體積流量或質(zhì)量流量);
② 總量;
③ 平均流速;
④ 點(diǎn)流速。有些流量計(jì)輸出為模擬量(電流或電壓),另一些輸出脈沖量。模擬量輸出一般認(rèn)為適合于過(guò)程控制,比較適合于與調(diào)節(jié)閥等控制回路單元接配;脈沖量輸出比較適合于總量和高準(zhǔn)確度的流量測(cè)量。長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸脈沖量輸出則比模擬量輸出有較高的傳送準(zhǔn)確度。輸出信號(hào)的方式和幅值還應(yīng)有與其他設(shè)備相適應(yīng)的能力,比如控制接口、數(shù)據(jù)處理器、報(bào)警裝置、斷路保護(hù)回路和數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)。
響應(yīng)時(shí)間
應(yīng)用于脈動(dòng)流動(dòng)場(chǎng)合應(yīng)注意流量計(jì)對(duì)流動(dòng)階躍變化的響應(yīng)。有些使用場(chǎng)合要求流量計(jì)輸出跟隨流體流動(dòng)變化,而另一些為獲得綜合平均值要求有較慢響應(yīng)的輸出。瞬時(shí)響應(yīng)常以時(shí)間常數(shù)或響應(yīng)頻率表示,其值前者從幾毫秒到幾秒,后者在數(shù)百Hz以下。配用顯示儀表可能相當(dāng)大地延長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間。一般認(rèn)為流量計(jì)流量增加或減小時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)不對(duì)稱(chēng)會(huì)加速增加流量測(cè)量誤差。
02流體特性
在流量測(cè)量中由于各種流量計(jì)總會(huì)受到流體物性中某一種或幾種參量的影響,所以流體的物性很大程度上會(huì)影響流量計(jì)的選型。因此,所選擇的測(cè)量方法和流量計(jì)不僅要適應(yīng)被測(cè)流體的性質(zhì),還要考慮測(cè)量過(guò)程中流體物性某一參量變化對(duì)另一參量的影響。比如,溫度變化對(duì)液體粘度的影響。
流體物性方面常見(jiàn)的有密度、粘度、蒸汽壓力和其他參量。這些參量一般可以從手冊(cè)中查到,評(píng)估使用條件下流體各參量和選擇流量計(jì)的適應(yīng)性。但也會(huì)有些物性是無(wú)法查到。比如腐蝕性、結(jié)垢、堵塞、相變和混相狀態(tài)等。
流體的溫度和壓力
仔細(xì)的分析流量計(jì)內(nèi)流體的工作壓力和溫度,尤其是測(cè)量氣體時(shí)溫度壓力變化造成過(guò)大的密度變化,可能要改變所選擇的測(cè)量方法。比如,溫度和壓力影響流量測(cè)量準(zhǔn)確度等性能時(shí),要作溫度或壓力修正。另外,流量計(jì)外殼的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)和材質(zhì)也取決于流體的溫度和壓力。因此,必須確切地知道溫度和壓力的很大值和很小值。當(dāng)溫度和壓力變動(dòng)很大時(shí)更應(yīng)仔細(xì)選擇。
還應(yīng)注意在測(cè)量氣體時(shí)要確認(rèn)其體積流量值是在工況狀態(tài)下的溫度和壓力還是在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的溫度和壓力。
流體的密度
對(duì)于液體,在大部分應(yīng)用場(chǎng)合下其密度相對(duì)恒定,除非溫度變化很大而引起較大變化,一般可不進(jìn)行密度修正。在氣體應(yīng)用場(chǎng)合,流量計(jì)的范圍度和線(xiàn)性度,取決于氣體密度,,一般要知道在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下和工況狀態(tài)下的值,以便選用。也有將流動(dòng)狀態(tài)的值換算到某些公認(rèn)的參比值,這種方法在石油儲(chǔ)運(yùn)方面應(yīng)用普遍。低密度氣體對(duì)某些測(cè)量方法,特別是利用氣體動(dòng)量推動(dòng)檢測(cè)傳感器的儀表(比如渦輪流量計(jì))會(huì)比較困難。
粘度
各種液體之間粘度差別很大,且因溫度變化有顯著變化。而氣體則不同,各種氣體之間粘度差別較小,其值一般較低。且不會(huì)因溫度和壓力變化而有顯著變化。因?yàn)橐后w的粘度比氣體高得多。比如在20℃和100kPa下,水的動(dòng)力粘度為 Pa·s,而空氣的動(dòng)力粘度則為 Pa·s,所以液體一定要考慮粘度的影響,而氣體的粘度就不如液體那樣重要。
粘度對(duì)各類(lèi)流量計(jì)的影響程度不一樣,比如,對(duì)于電磁流量計(jì)、超聲流量計(jì)和科里奧利式質(zhì)量流量計(jì)的流量值是在很寬粘度范圍內(nèi),可以認(rèn)為不受液體粘度的影響;容積式流量計(jì)的誤差特性和粘度有關(guān),可能會(huì)略受影響;而浮子流量計(jì)、渦輪流量計(jì)和渦街流量計(jì),當(dāng)粘度超過(guò)某值時(shí)則影響較大以致不能使用。
有些流量計(jì)的特性用管道雷諾數(shù)作為參變量進(jìn)行描述的,而管道雷諾數(shù)是流體粘度、密度以及管道流速的函數(shù)。因此,粘度對(duì)儀表特性還是有影響的。
粘度也是判別牛頓流體或非牛頓流體的一個(gè)參數(shù),大多數(shù)流量測(cè)量方法和流量計(jì)僅適用于牛頓流體。所有氣體都是牛頓流體。大多數(shù)液體以及含有少量球形微粒的液體也是牛頓流體。只適用于牛頓流體的測(cè)量方法和流量計(jì),如果應(yīng)用于非牛頓流體時(shí)將給測(cè)量帶來(lái)影響。所以,牛頓流體是流體流量測(cè)量正常使用的重要條件。
粘度對(duì)不同類(lèi)型的流量計(jì)范圍度的影響趨勢(shì)各異,一般容積式流量計(jì)粘度增加,范圍度擴(kuò)大。而渦輪流量計(jì)和渦街流量計(jì)則相反,粘度增加,范圍度縮小。因此,在評(píng)估流量計(jì)的適應(yīng)性時(shí),應(yīng)該要掌握液體的溫度—粘度特性。
某些非牛頓流體(如鉆井泥漿、紙漿、巧克力、油漆)性質(zhì)的液體,它們的流動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜,不易判斷其屬性,當(dāng)選擇流量計(jì)時(shí)必須謹(jǐn)慎。