1953年出現(xiàn)的早期螺旋葉片渦輪流量計主要用于航空飛行器內(nèi)部燃料油的傳輸消耗計量。20世紀60年代中期,螺旋渦輪流量計開始進入歐洲油氣工業(yè)計量,在北海嚴酷環(huán)境下表現(xiàn)出良好的原油計量性能。 1994年美國引入雙螺旋渦輪流量計,2000年API頒布MPMS 5.3 《用渦輪流量計計量液態(tài)烴》,對包括螺旋渦輪在內(nèi)的渦輪流量計使用進行規(guī)范。

  傳統(tǒng)渦輪流量計雖然具有良好的測量精度和響應(yīng)特性,但對介質(zhì)黏度、溫度和壓力較敏感,難以保持在多變條件下的長期穩(wěn)定性。經(jīng)過不斷發(fā)展和完善,螺旋渦輪流量計克服了上述缺點,將渦輪流量計適用黏度擴展至高黏原油,成為一項應(yīng)用前景廣闊的新型液態(tài)烴流量計。該流量計采用一體化車制的螺旋形葉片,既保持了傳統(tǒng)渦輪流量計精度高、壓降低、響應(yīng)快、質(zhì)量輕、體積小以及維護安裝方便等諸多優(yōu)點,又具有了葉片結(jié)構(gòu)堅固、適應(yīng)黏度范圍大、長期穩(wěn)定性好等新特點。

  目前,螺旋渦輪流量計主要有法國Faure-Her- man HELIFLUTMTZN型雙螺旋渦輪流量計、 美國Emerson Smith公司生產(chǎn)的MV系列螺旋渦輪流量計和其旗下Daniel公司生產(chǎn)的1500系列螺旋渦輪流量計等,主要用于石油產(chǎn)品管輸計量、油輪及海上平臺原油計量和油庫管理等,其中HELIFLUTMTZN型雙螺旋渦輪流量計標稱長期穩(wěn)定性大于5年。幾種典型液態(tài)烴貿(mào)易交接用螺旋渦輪流量計參數(shù)見表1。

  螺旋型與傳統(tǒng)型渦輪流量計明顯不同之處是, 螺旋渦輪流量計轉(zhuǎn)子上只有2個螺旋型葉片,而不是傳統(tǒng)型的多葉片型式,如圖1所示。螺旋渦輪流量計在測量高黏性原油時,可減少原油在轉(zhuǎn)子界面層的積滯。口徑為8 in (1 in=2.54 cm) 的傳統(tǒng)型和螺旋渦輪流量計轉(zhuǎn)子,當轉(zhuǎn)子界面層厚度都增加0.001 in時,會導(dǎo)致傳統(tǒng)型渦輪流量計流動剖面面積產(chǎn)生0.3%的變化,螺旋渦輪流量計只產(chǎn)生0.1% 的變化,即傳統(tǒng)型受影響程度是螺旋型的3倍。流動剖面面積的改變直接影響流體通過流量計的速度,進而影響流量計的準確度。另外,螺旋型轉(zhuǎn)子葉片的形狀、安置角度等,也可以改善轉(zhuǎn)子葉片周圍的流動狀態(tài),降低儀表對流體黏度的敏感性,提高儀表穩(wěn)定性和使用年限。螺旋渦輪流量計拓展了傳統(tǒng)型渦輪流量計的測量范圍,對原油計量有更好的適應(yīng)性。

  與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比,螺旋渦輪流量計結(jié)構(gòu)更加簡單,布局更加合理,其應(yīng)用范圍已覆蓋部分容積式流量計的***佳黏度范圍[1],如圖2所示。而且它只有一個可動部件,并采用高強度碳化鎢作軸承,采用鈦或鋁作轉(zhuǎn)子,可實現(xiàn)長期的穩(wěn)定性和可靠性。 根據(jù)Faure Herman提供的資料,雙螺旋渦輪流量計在國外原油計量應(yīng)用中,曾連續(xù)使用7年流量計系數(shù)幾乎沒有變化。

  2004年2月至5月,大慶油田工程有限公司曾對法國Faureman Herman公司一臺配有標準直管段的TZN100-300型螺旋渦輪流量計進行實驗室性能測試。 該臺流量計口徑為DN100 mm, 計量準確度± 0.15%,重復(fù)性優(yōu)于0.02%,流量范圍30~300 m3/h。 測試內(nèi)容包括水裝置測試和原油測試兩部分,原油測試依據(jù)美國石油協(xié)會標準API MPMS5.3進行[2]。

  水裝置測試溫度約為10 ℃,表壓約為0.3 MPa, 密度約為999.7 kg/m3,黏度約為1.31 c St,共測試4個流量點,每個流量點測3次,測試數(shù)據(jù)見表2。

  原油測試油溫約為70 ℃,表壓約0.45 MPa,密度約980.0 kg/m3, 黏度約25 c St, 共測試5個流量點,每個流量點測3次,測試數(shù)據(jù)見表3。

  TZN100-300螺旋渦輪流量計以水和原油為介質(zhì)進行9組測試,重復(fù)性誤差均不超過0.02%,測試誤差不超過±0.2%,如圖3所示。

  圖3中淺灰色區(qū)域為0.2級流量計的K系數(shù)允許波動范圍。從圖3及測試數(shù)據(jù)中可以看出,在以原油和水為介質(zhì)開展的流量測試范圍內(nèi),該流量計測試誤差及重復(fù)性均符合0.2級測量準確度要求, 原油測得的線性度優(yōu)于水。

  以水為介質(zhì)獲得的平均K系數(shù)為1 617.56 N·m-3, 較以原油為介質(zhì)獲得的平均K系數(shù)(1 597.71 N·m-3) 正向相差19.85 N · m- 3, 約為平均K系數(shù)的1.23%。可見,介質(zhì)黏度依然對流量計K系數(shù)影響較大。

  2004年,公司購置一臺TZN100-200型螺旋渦輪流量計作為標準表,用于海上油輪的體積管檢定。該流量計口徑為DN100 mm,計量準確度±0.15%, 重復(fù)性優(yōu)于0.02%,流量范圍20~200 m3/h。

  在檢定海上油輪船載體積管時,需在檢定前后,利用活塞式體積管以現(xiàn)場原油為介質(zhì)檢定兩次渦輪流量計,取兩次K系數(shù)平均值。在檢定船載體積管時,將船載體積管與渦輪流量計串聯(lián),記錄體積管運行一周期渦輪流量計所產(chǎn)生的脈沖數(shù),利用此脈沖數(shù)與K系數(shù)平均值的乘積算出船載體積管的標準體積,將標準量值傳遞給體積管。

  該流量計自投用3年來,共完成7次船載體積管的檢定,檢定數(shù)據(jù)見表4。

  TZN100-200螺旋渦輪流量計作為船載體積管檢定用的標準表,在2005年至2007年14次檢定中,重復(fù)性均不超過0.02%,顯示出良好的穩(wěn)定性。

  從對TZN型螺旋渦輪流量計的實驗室測試和現(xiàn)場使用測試情況來看,螺旋渦輪流量計具有較強的穩(wěn)定性和可靠性,較傳統(tǒng)渦輪流量計對介質(zhì)的黏度不敏感,在不同介質(zhì)測試中的重復(fù)性極佳,在原油測試中具有較好的線性度,能夠滿足包括原油在內(nèi)的液態(tài)烴貿(mào)易計量的要求。