1問題的提出旋進旋渦流量計(以下簡稱流量計)作為一種高精度的氣體流量計量儀表,與其它流量計相比,具有結(jié)構(gòu)緊湊,操作簡單,準確度高,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。因此,近年來,被越來越廣泛地應(yīng)用于油氣田天然氣的計量中。然而,隨著該流量計在油田天然氣計量中的應(yīng)用,逐漸產(chǎn)生了一些問題。例如,由于實際生產(chǎn)計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),容易造成流量計進氣道的堵塞和磨損,從而影響流量計的計量誤差。如果流量計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流量計計量誤差的影響究竟有多大,到底是正誤差還是負誤差,不利于準確分析誤差產(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在生產(chǎn)現(xiàn)場的使用情況,利用實驗的方法,確定流量計在不同狀況下的計量誤差,為實際生產(chǎn)提供一定的參考依據(jù)。2實驗方法及數(shù)據(jù)旋進旋渦流量計的結(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:當沿著軸向的氣體進人流量計人口時,旋渦發(fā)生器的螺旋形葉片強迫氣流進行旋轉(zhuǎn)運動,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,到達收縮段突然節(jié)流使旋渦流加速,當旋渦流進人擴散段后,因回流作用強迫進行旋進式二次旋轉(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。壓電傳感器檢測的微弱電荷信號經(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,最后送流量積算儀進行計數(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,由于旋渦發(fā)生器的進氣道比較狹窄,在實際計量中容易被雜質(zhì)堵塞。因此,根據(jù)這種特點以及實際運行中容易發(fā)生的故障,我們設(shè)計了如下兩種實驗方案:其一,選擇一臺檢定合格的新流量計,將其安裝在鐘罩式氣體流量標準裝置上,調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥,依據(jù)《速度式流量計檢定規(guī)程》( JJG198一94)在大流量下重復(fù)檢定三次,計算出該流量點的平均儀表系數(shù)Ko。然后用Gl香糖堵塞住旋渦發(fā)生器的一個進氣道,在不改變流量調(diào)節(jié)閥狀態(tài)的情況下,對該流量計重復(fù)檢定三次,計算出該流量點的平均儀表系數(shù)K1、同樣的情況,分別堵塞旋渦發(fā)生器的兩個、三個直至五個進氣道(即只剩下1個進氣道不堵)進行檢定,求出對應(yīng)的儀表系數(shù)Ki.(具體實驗數(shù)據(jù)見表1)
其二,選擇一臺檢定合格的新流量計,調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥在最大和最小流量點下分別求出其儀表系數(shù)Ko,然后將流量計卸下、拆開,用手動砂輪機將旋渦發(fā)生器進氣道的每個葉片磨去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,對流量計分別在大流量和小流量點進行檢定,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)生器的進氣道葉片磨去2一Smm再進行檢定,求出對應(yīng)的儀表系數(shù)Ki.(具體實驗數(shù)據(jù)見表2)
表1、表2中的儀表系數(shù)和線性度的計算參見《速度式流量計檢定規(guī)程》( JJG198一94)中對流量計的儀表系數(shù)和線性度的計算方法。相對誤差的計算則是利用公式逐步推導(dǎo)出來的。假設(shè)流量計在旋渦發(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)程的計算方法可以求出這時的儀表系數(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為鐘罩的標準體積。同時,由于流量計內(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)生器后的梅次相對誤差。3實驗結(jié)果的分析從表1的數(shù)據(jù)中可以看出,當逐個堵塞旋渦發(fā)生器的進氣道時,由于流量計的有效流通面積逐漸變小,壓力損失增大,其流量值越來越小。同時,還可以看出儀表系數(shù)越來越大(堵塞5個進氣道情況除外),表明堵塞個別進氣道后,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,流量計的顯示值也比實際數(shù)值大,從而造成正相對誤差越來越大。當堵塞5個進氣道,只剩下1個進氣道時,由于氣流通過這個進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,造成負相對誤差。從表2的數(shù)據(jù)中可以看出,隨著進氣道每個葉片磨損程度的加深,氣流通過磨損了的進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,流量計的顯示值也比實際數(shù)值小,造成負相對誤差越來越大。通過對表2中最后一組數(shù)據(jù)的分析,可以看出,當進氣道的入口邊緣被磨損后,儀表系數(shù)和相對誤差都發(fā)生廠較大的變化,這說明旋渦流的產(chǎn)生主要依靠進氣道的入口形狀。通過實驗可以得出,在實際生產(chǎn)計量過程中,如果發(fā)生堵塞兩個以上進氣道的情況(或者進氣道被磨損1 mm以上),都將會造成10%以上的正(或負)相對誤差,這種計量誤差即使在計量站的一級計量中也是不允許的。因此,在流量計的使用過程中,應(yīng)該嚴格按照有關(guān)要求安裝使用,定期拆卸、清洗過濾器,發(fā)現(xiàn)計量數(shù)據(jù)異常,要及時清洗或更換流量計的旋渦發(fā)生器,并送檢定機構(gòu)檢定后再使用。另外,本實驗只是一個模擬實驗,實驗方法和過程還存在一些不足之處,例如,流量計在現(xiàn)場使用發(fā)生堵塞時,會不會是只將一個進氣道完全堵塞,而其它的進氣道內(nèi)沒有雜質(zhì);旋渦發(fā)生器在什么情況下,使用多長時間會被磨損1mm等等。因此,本實驗只能定性地得出一些結(jié)論,而不能定量地進行分析。