摘要：主要介紹差壓式流量計的工作原理和在實際應(yīng)用中常見的幾種安裝方式，針對流量計不同安裝方式和壓力引出類型產(chǎn)生零點誤差的主要原因進行分析，得出相應(yīng)的零點修正計算公式提高差壓式流量計的數(shù)據(jù)正確性。
0引言
差壓式流量計是一種在工業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用的流量計量器具，在面對不同測量對象和測量工況時需要進行安裝方式的適應(yīng)性選擇,適當(dāng)?shù)陌惭b方式可確保使用者獲得真實的流量值。在實際工作中,差壓式流量計會遇到檢修及部件更換等情況，原流量計的零點修正方法無法適用于新流量計,需要進行有針對性的零點修正，消除因維修和更換帶來的零點誤差。
1差壓式流量計的工作原理
差壓式流量計是一種測定流量的儀器，其工作原.理都是基于封閉管道中流體質(zhì)量守恒(連續(xù)性方程)和能量守恒(伯努利方程)定律。它是利用流體流經(jīng)節(jié)流裝置時所產(chǎn)生的壓力差與流量之間存在一定關(guān)系的原理,通過測量壓差來實現(xiàn)流量測定。
充滿管道的流體流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流元件時造成流束局部收縮,使管中心流體流速發(fā)生變化，其靜壓力也隨之變化。流量Q的計算公式如下。
式中:Qʋ體積流量;C為流出系數(shù);Ɛ為可膨脹系數(shù);A為節(jié)流件開孔截面積;△P為節(jié)流裝置輸出的壓差;β為直徑比;ρ1為被測流體的密度。
2差壓式流量計的壓力引出方式及優(yōu)缺點
差壓式流量計的壓力引出方式主要由差壓傳感器要求、被測介質(zhì)物化性質(zhì)決定,主要包含毛細管導(dǎo)壓和管線導(dǎo)壓2種方式,2種導(dǎo)壓方式在工業(yè)應(yīng)用上各有優(yōu)勢。
2.1毛細管導(dǎo)壓
毛細管導(dǎo)壓是一種無接觸的壓力引出方式，須在取壓點安裝導(dǎo)壓法蘭，導(dǎo)壓法蘭與毛細管的膜盒法蘭通過螺栓相連,膜片外側(cè)與被測介質(zhì)直接接觸，膜片內(nèi)側(cè)與毛細管內(nèi)部充滿硅油,硅油被密封在由膜片、毛細管和差壓傳感器壓力腔室所形成的空間內(nèi),利用液體的可壓縮性小的特點進行壓力的無損傳遞。
這種壓力引出方式被測介質(zhì)與差壓傳感器無需直接接觸，可對傳感器起到有效保護。使用者可根據(jù)被測介質(zhì)的毒性、腐蝕性、易凝固性、易結(jié)晶性和酸堿度進行膜片選擇來滿足使用要求。但使用的變送器價格昂貴,膜片使用過程中維護要求高，在設(shè)備轉(zhuǎn)運過程中需要加強對膜片的保護,膜片在受到尖銳物體觸碰.或受力不均時極易損壞，導(dǎo)致壓差值測量失真。
2.2管線導(dǎo)壓
管線導(dǎo)壓是一種接觸式的壓力引出方式，該方式下使用的變送器無特定附屬管線,要求管線直徑在8~12mm,管線長度在45m以內(nèi)。變送器高低壓腔室位置預(yù)留接口，使用時通過儀表管等管線將被測介質(zhì)引入傳感器的高低壓腔內(nèi),差壓傳感器再檢測2個腔室所產(chǎn)生的壓差。該種方式被測介質(zhì)與差壓傳感器直接接觸,在使用時需要根據(jù)被測介質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)對差壓變送器和壓力引出管線的材質(zhì)進行選擇,避免使用過程中因腐蝕、介質(zhì)結(jié)晶和介質(zhì)凝固等原因?qū)е铝髁坑嫙o法測量或差壓變送器損壞，該類型的差壓變送器價格相對便宜，且導(dǎo)壓管線敷設(shè)距離長,相比毛細管導(dǎo)壓來說靈活性強，適用范圍廣。
3差壓式流量計的安裝方式
3.1水平安裝上部引壓
節(jié)流裝置水平安裝,節(jié)流元件與管道的同軸度控制在1°誤差內(nèi)，節(jié)流元件前至少要保證有大于10倍管徑的直管段，節(jié)流元件后至少有大于5倍管徑的直管段,節(jié)流元件兩端壓力從兩端管線上部引出,差壓變送器安裝位置要高于節(jié)流元件的位置高度,導(dǎo)壓管線盡可能短(見圖1)。主要適用于所測介質(zhì)為氣體和純液體2種介質(zhì),被測介質(zhì)沿水平方向流過節(jié)流元件后形成壓差，節(jié)流元件兩端壓差從管線上部取壓點傳輸至差壓變送器的壓力腔室被測量。
3.2水平安裝底部引壓
節(jié)流裝置水平安裝,節(jié)流元件兩端壓力從兩端管線底部引出,差壓變送器安裝位置要低于節(jié)流元件的位置高度,同時也要求導(dǎo)壓管線盡可能短。主要適用于各類液體介質(zhì),被測介質(zhì)沿水平方向流過節(jié)流元件后形成壓差,介質(zhì)壓差從管線底部取壓點傳輸至差壓變送器的壓力腔室后被變送器測量。此種方式下的液體介質(zhì)可夾雜氣體,在流動過程中導(dǎo)壓管線內(nèi)的氣體會逐步析出，高低壓兩段管線內(nèi)介質(zhì)趨于穩(wěn)定后不產(chǎn)生液柱差,對流體壓差測量不產(chǎn)生影響。
3.3水平安裝斜上0°~45°引壓
節(jié)流裝置水平安裝,節(jié)流元件兩端壓力從兩端管線上部0°~45°夾角范圍內(nèi)的位置引出,導(dǎo)壓管線要求轉(zhuǎn)角位置為圓角,主要適用于蒸汽類介質(zhì)的流量測量。高溫蒸汽進入導(dǎo)壓管后遇到環(huán)境低溫時會有冷凝液體產(chǎn)生,冷凝液體會沿斜管線回流到主管流程中。因此,水平安裝狀態(tài)下從斜上0°~45°夾角范圍內(nèi)引出壓力,對蒸汽類流體流量測量最合適。
3.4垂直安裝側(cè)面引壓
節(jié)流裝置垂直安裝,流體從下往上流經(jīng)節(jié)流元件后產(chǎn)生壓差，安裝時要求差壓變送器位置要低于下端取壓點高度。主要適用于流體介質(zhì)為多相流，多相混合且比例不固定的場景時垂直流動不會在測量位置產(chǎn)生分層。例如，原油生產(chǎn)平臺的油井產(chǎn)出中包含有油、氣、水三相，在水平安裝方式下因分層的原因?qū)е滤搅鲃咏橘|(zhì)分離的情況下無法準(zhǔn)確測量,在垂直安裝過程中能夠保證多相流體始終處于混合紊流狀態(tài)，所產(chǎn)生的壓差能更真實反映實際流量。
4差壓式流量計零點誤差產(chǎn)生原因及修正方法
差壓式流量計在不同的安裝方式和引壓類型組合下適用于不同流體介質(zhì),針對不同情形下產(chǎn)生的誤差需要用不同方法進行修正。
4.1水平安裝時
差壓式流量計采用水平安裝方式時,根據(jù)流體介質(zhì)特性選擇合適的導(dǎo)壓方式可合理避免零點誤差的出現(xiàn)。尤其在選用毛細管作為導(dǎo)壓方式時,因不存在管線液柱壓力,所以無需進行修正。而采用管線作為導(dǎo)壓管時，兩側(cè)導(dǎo)壓管處于等高位，穩(wěn)定運行后兩側(cè)管線介質(zhì)趨于一致而無零點壓差存在。水平安裝時須在管線完全排空的前提下將變送器進行零點標(biāo)定，同時在導(dǎo)壓管底部設(shè)置排放閥門,定期排出導(dǎo)壓管線內(nèi)的積液、雜質(zhì)等，避免管線堵塞。
4.2垂直安裝且使用毛細管導(dǎo)壓時
差壓式流量計采用垂直安裝且使用毛細管進行導(dǎo)壓時，需要進行零點修正。如圖2所示，節(jié)流元件兩端壓力主要作用于H/L兩個導(dǎo)壓點的導(dǎo)壓法蘭膜片,毛細管導(dǎo)壓特性使得H/L的安裝位置與變送器的安裝位置均不影響在空管情況下的零點變化。在使用過程中,管線內(nèi)會充滿被測介質(zhì)，此時H/L兩個導(dǎo)壓點會受到管線內(nèi)液柱的壓力影響。相對于L導(dǎo)壓點來說,H導(dǎo)壓點在受管線內(nèi)部壓力外,還承受高度為h的被測介質(zhì)靜壓,因此在使用該變送器壓差進行流量轉(zhuǎn)換時須將液柱靜壓切除,具體切除值為:
式中:△P為最終實際壓差值;△P'為變送器測量差壓;ρ為當(dāng)前被測介質(zhì)的實際密度;g為重力加速度;h為差壓變送器導(dǎo)壓點高度差。
通過上述公式進行零點修正后，準(zhǔn)確切除了零點誤差,流量計測量的值真實可靠。
4.3垂直安裝且選用管線導(dǎo)壓時
差壓式流量計采用垂直安裝且選用管線導(dǎo)壓時，管道中的介質(zhì)會通過導(dǎo)壓點進入H/L兩端的導(dǎo)壓管,此時要求差壓變送器安裝位置要低于H端或與H端同高,因差壓變送器在安裝位置介于H和L導(dǎo)壓點之間或高于L端位置時會出現(xiàn)兩側(cè)導(dǎo)壓管內(nèi)填充的介質(zhì)形態(tài)不一致,從而導(dǎo)致安裝后無法使用公式進行有效的零點修正。
以變送器安裝位置與H端同高為例(見圖3)，在H端變送器同高且排空總管的情況下,H端不受導(dǎo)壓管內(nèi)部介質(zhì)的液柱靜壓影響,在L端則因?qū)汗軓母咛幰恋吞?在介質(zhì)流動過程中導(dǎo)壓管內(nèi)部被流體介質(zhì)逐漸充滿，且相對主管內(nèi)流動的介質(zhì)來說，導(dǎo)壓管內(nèi)部的介質(zhì)是處于相對靜置的狀態(tài)，在多相流情況下進行三相分離，直至管線內(nèi)介質(zhì)物理性質(zhì)趨于穩(wěn)定。因此在使用管線導(dǎo)壓時，差壓變送器在排空主管線內(nèi)介質(zhì)的情況下,H端壓力為0,L端則到受管內(nèi)液柱的壓力影響,產(chǎn)生ρ1gh的液柱靜壓,因此在空管情況下差壓變送器的壓力為:
式中:△P為空管情況下變送器差壓;ρ1為導(dǎo)壓管內(nèi)穩(wěn)定后密度;g為重力加速度;h為差壓變送器H/L導(dǎo)壓點的高度差。
在將流體導(dǎo)入主管線時，介質(zhì)在主管線中自下而上流動,H導(dǎo)壓點除受管線內(nèi)部介質(zhì)攜帶的壓力外，還承受主管線內(nèi)高度為h的被測液柱靜壓。此時,在不考慮L端液柱靜壓時,實際壓差值為測量壓差和主管線液柱靜壓之差,與毛細管的導(dǎo)壓方式相同。再將L端的導(dǎo)壓管內(nèi)液柱壓力考慮進計算公式,實際壓力為:
式中:△P為最終實際壓差值;△P´為變送器測量壓差;ρ為當(dāng)前被測介質(zhì)的實際密度;ρ1為導(dǎo)壓管內(nèi)穩(wěn)定后密度;g為重力加速度;h為差壓變送器導(dǎo)壓點高度差。由此可以得出，同為垂直安裝的流量計在使用不同導(dǎo)壓類別時進行的修正方式存在區(qū)別。
5結(jié)束語
差壓式流量計的關(guān)鍵參數(shù)就是節(jié)流裝置前后的壓差值,差壓變送器的零點修正不正確，會導(dǎo)致測量值出現(xiàn)安裝誤差,無法通過多次測量來消除。可在安裝時根據(jù)節(jié)流元件安裝方式、現(xiàn)場導(dǎo)壓方式、變送器安裝位置進行修正，修正后的壓差值使用轉(zhuǎn)換公式計算得到正確流量值。
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