旋進(jìn)旋渦流量計(jì)進(jìn)氣道堵塞和磨損對(duì)計(jì)量誤差的影響

1問題的提出旋進(jìn)旋渦流量計(jì)(以下簡(jiǎn)稱流量計(jì))作為一種高精度的氣體流量計(jì)量?jī)x表，與其它流量計(jì)相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確度高，量程比寬，安裝使用方便，不受介質(zhì)密度和粘度影響并可直接讀數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。因此，近年來(lái)，被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于油氣田天然氣的計(jì)量中。然而，隨著該流量計(jì)在油田天然氣計(jì)量中的應(yīng)用，逐漸產(chǎn)生了一些問題。例如，由于實(shí)際生產(chǎn)計(jì)量中天然氣的成分不純，往往夾雜著一些雜質(zhì)(如原油、沙礫等)，容易造成流量計(jì)進(jìn)氣道的堵塞和磨損，從而影響流量計(jì)的計(jì)量誤差。如果流量計(jì)在兩次檢定的周期內(nèi)發(fā)生這些故障，人們往往搞不清楚這些故障對(duì)流量計(jì)計(jì)量誤差的影響究竟有多大，到底是正誤差還是負(fù)誤差，不利于準(zhǔn)確分析誤差產(chǎn)生的原因，正確判斷并排除故障。因此，本文作者試圖模擬流量計(jì)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的使用情況，利用實(shí)驗(yàn)的方法，確定流量計(jì)在不同狀況下的計(jì)量誤差，為實(shí)際生產(chǎn)提供一定的參考依據(jù)。2實(shí)驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的結(jié)構(gòu)主要由殼體1、旋渦發(fā)生器2、壓電傳感器3、出口導(dǎo)流體4以及積算儀5等部件組成(見圖1)。其工作原理是:當(dāng)沿著軸向的氣體進(jìn)人流量計(jì)人口時(shí)，旋渦發(fā)生器的螺旋形葉片強(qiáng)迫氣流進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，于是在旋渦發(fā)生器中心產(chǎn)生旋渦流，旋渦流在文丘利管中旋進(jìn)，到達(dá)收縮段突然節(jié)流使旋渦流加速，當(dāng)旋渦流進(jìn)人擴(kuò)散段后，因回流作用強(qiáng)迫進(jìn)行旋進(jìn)式二次旋轉(zhuǎn)。在某一流量范圍內(nèi)，旋渦流的旋轉(zhuǎn)頻率與介質(zhì)流速成正比，并為線性。壓電傳感器檢測(cè)的微弱電荷信號(hào)經(jīng)前置放大、濾波、整形后，變成頻率與流體流速成正比的脈沖信號(hào)，最后送流量積算儀進(jìn)行計(jì)數(shù)處理。
多數(shù)流量討一的旋渦發(fā)生器是鋁制材料，容易被腐蝕和磨損，同時(shí)，由于旋渦發(fā)生器的進(jìn)氣道比較狹窄，在實(shí)際計(jì)量中容易被雜質(zhì)堵塞。因此，根據(jù)這種特點(diǎn)以及實(shí)際運(yùn)行中容易發(fā)生的故障，我們?cè)O(shè)計(jì)了如下兩種實(shí)驗(yàn)方案:其一，選擇一臺(tái)檢定合格的新流量計(jì)，將其安裝在鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上，調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥，依據(jù)《速度式流量計(jì)檢定規(guī)程》( JJG198一94)在大流量下重復(fù)檢定三次，計(jì)算出該流量點(diǎn)的平均儀表系數(shù)Ko。然后用Gl香糖堵塞住旋渦發(fā)生器的一個(gè)進(jìn)氣道，在不改變流量調(diào)節(jié)閥狀態(tài)的情況下，對(duì)該流量計(jì)重復(fù)檢定三次，計(jì)算出該流量點(diǎn)的平均儀表系數(shù)K1、同樣的情況，分別堵塞旋渦發(fā)生器的兩個(gè)、三個(gè)直至五個(gè)進(jìn)氣道(即只剩下1個(gè)進(jìn)氣道不堵)進(jìn)行檢定，求出對(duì)應(yīng)的儀表系數(shù)Ki.(具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1)
其二，選擇一臺(tái)檢定合格的新流量計(jì)，調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥在最大和最小流量點(diǎn)下分別求出其儀表系數(shù)Ko，然后將流量計(jì)卸下、拆開，用手動(dòng)砂輪機(jī)將旋渦發(fā)生器進(jìn)氣道的每個(gè)葉片磨去1 mm，盡量保持流量調(diào)節(jié)閥的開口狀態(tài)與原始狀態(tài)一致，對(duì)流量計(jì)分別在大流量和小流量點(diǎn)進(jìn)行檢定，求出該狀態(tài)下的儀表系數(shù)K,，同樣的情況，分別將旋渦發(fā)生器的進(jìn)氣道葉片磨去2一Smm再進(jìn)行檢定，求出對(duì)應(yīng)的儀表系數(shù)Ki.(具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2)

表1、表2中的儀表系數(shù)和線性度的計(jì)算參見《速度式流量計(jì)檢定規(guī)程》( JJG198一94)中對(duì)流量計(jì)的儀表系數(shù)和線性度的計(jì)算方法。相對(duì)誤差的計(jì)算則是利用公式逐步推導(dǎo)出來(lái)的。假設(shè)流量計(jì)在旋渦發(fā)生器堵塞或磨損后的某次檢定中所發(fā)出的脈沖數(shù)為N，根據(jù)檢定規(guī)程的計(jì)算方法可以求出這時(shí)的儀表系數(shù)K}，由于鐘罩內(nèi)的氣體溫度和氣體壓力與流量計(jì)處的溫度、壓力差別不大，在不考慮溫度壓力修正的情況下得出公式(1)
式中v為鐘罩的標(biāo)準(zhǔn)體積。同時(shí)，由于流量計(jì)內(nèi)所設(shè)置的儀表系數(shù)為原始狀態(tài)的儀表系數(shù)K0，根據(jù)流量計(jì)積算儀的工作原理可以得出公式(2):
利用公式(4)可以求出改變旋渦發(fā)生器后的梅次相對(duì)誤差。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析從表1的數(shù)據(jù)中可以看出，當(dāng)逐個(gè)堵塞旋渦發(fā)生器的進(jìn)氣道時(shí)，由于流量計(jì)的有效流通面積逐漸變小，壓力損失增大，其流量值越來(lái)越小。同時(shí)，還可以看出儀表系數(shù)越來(lái)越大(堵塞5個(gè)進(jìn)氣道情況除外)，表明堵塞個(gè)別進(jìn)氣道后，旋渦流的旋轉(zhuǎn)頻率加快，壓電傳感器發(fā)出的脈沖數(shù)增多，流量計(jì)的顯示值也比實(shí)際數(shù)值大，從而造成正相對(duì)誤差越來(lái)越大。當(dāng)堵塞5個(gè)進(jìn)氣道，只剩下1個(gè)進(jìn)氣道時(shí)，由于氣流通過(guò)這個(gè)進(jìn)氣道后不能形成完整的旋渦流，致使旋渦流的旋轉(zhuǎn)頻率變慢，造成負(fù)相對(duì)誤差。從表2的數(shù)據(jù)中可以看出，隨著進(jìn)氣道每個(gè)葉片磨損程度的加深，氣流通過(guò)磨損了的進(jìn)氣道后不能形成完整的旋渦流，致使旋渦流的旋轉(zhuǎn)頻率逐漸變慢，壓電傳感器發(fā)出的脈沖數(shù)減少，流量計(jì)的顯示值也比實(shí)際數(shù)值小，造成負(fù)相對(duì)誤差越來(lái)越大。通過(guò)對(duì)表2中最后一組數(shù)據(jù)的分析，可以看出，當(dāng)進(jìn)氣道的入口邊緣被磨損后，儀表系數(shù)和相對(duì)誤差都發(fā)生廠較大的變化，這說(shuō)明旋渦流的產(chǎn)生主要依靠進(jìn)氣道的入口形狀。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以得出，在實(shí)際生產(chǎn)計(jì)量過(guò)程中，如果發(fā)生堵塞兩個(gè)以上進(jìn)氣道的情況(或者進(jìn)氣道被磨損1 mm以上)，都將會(huì)造成10%以上的正(或負(fù))相對(duì)誤差，這種計(jì)量誤差即使在計(jì)量站的一級(jí)計(jì)量中也是不允許的。因此，在流量計(jì)的使用過(guò)程中，應(yīng)該嚴(yán)格按照有關(guān)要求安裝使用，定期拆卸、清洗過(guò)濾器，發(fā)現(xiàn)計(jì)量數(shù)據(jù)異常，要及時(shí)清洗或更換流量計(jì)的旋渦發(fā)生器，并送檢定機(jī)構(gòu)檢定后再使用。另外，本實(shí)驗(yàn)只是一個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方法和過(guò)程還存在一些不足之處，例如，流量計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)使用發(fā)生堵塞時(shí)，會(huì)不會(huì)是只將一個(gè)進(jìn)氣道完全堵塞，而其它的進(jìn)氣道內(nèi)沒有雜質(zhì);旋渦發(fā)生器在什么情況下，使用多長(zhǎng)時(shí)間會(huì)被磨損1mm等等。因此，本實(shí)驗(yàn)只能定性地得出一些結(jié)論，而不能定量地進(jìn)行分析。