摘要：本文主要介紹一種輸油管線液體渦輪流量計，該流量計主要承擔管線系統(tǒng)流量的計量，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行?，為輸油調度提供依據(jù)，同時還可以作為泄漏監(jiān)測的輔助設備。該流量計具有準確度高、重復性好、線性度優(yōu)、適應性強、工作壓力高及成本低等特點。
長期以來，如何保證輸油管線系統(tǒng)中流量計量值的準確度，是管線系統(tǒng)一直探討的課題。隨著信息化的發(fā)展，對輸油管線系統(tǒng)的流量測量提出了更高的要求。
我們研制的流量計主要用于輸油管線系統(tǒng)，輸送的介質一般為柴油、汽油和航空煤油等輕質油品，綜合考慮各種因素采用渦輪流量計作為輸油管線系統(tǒng)的配套設備。其主要性能如下：
1)額定壓力：4.0MPa；長度：600mm；流量范圍：50m3/h～250m3/h；壓降：在***大流量下壓力損失小于40kPa(以水為測試介質時)；總質量：小于40kg。
2)防爆等級為dIIBT5，能在-41℃～+46℃環(huán)境下正常工作。
3)表頭同時顯示瞬時流量和累積流量，并可切換顯示總累積流量、批累積量、瞬時流量及介質溫度，讀數(shù)方便，清晰直觀。
4)配備RS-485通訊接口，傳輸距離不小于900m。
5)儀表系數(shù)應用多段非線性修正，根據(jù)不同流量點對應的儀表系數(shù)，插值計算出流量計的儀表系數(shù)。
6)溫度補償功能：基準溫度20℃，不同的油品采用不同溫度體積系數(shù)進行補償。
7)計量精度：0.2級。
1、渦輪流量計的設計
液體渦輪流量計由渦輪流量傳感器和流量積算儀組成。結構圖如圖1所示。
1.1渦輪流量傳感器
渦輪流量傳感器是渦輪流量計的基本單元，主要由整流器、導流體、渦輪、感應線圈、槽頭接頭、提手等組成。它基于動力矩平衡原理，當流體流經傳感器時，在整流器和導流體作用下得到整流并加速。由于渦輪葉片與流體流向成一定角度，在加速流體的作用下，葉輪產生轉動力矩，克服摩擦力矩和流體阻力矩后，渦輪開始旋轉。在一定流量范圍內，渦輪轉速與流體體積流量成正比。葉輪旋轉切割磁力線，周期性地改變線圈中的磁通量，使線圈兩端感應出與流體體積流量成正比的脈沖信號，該信號經放大、濾波、整形后送入流量積算儀。
1.1.1渦輪
渦輪由導磁不銹鋼材料制成，裝有螺旋葉片，葉片數(shù)為6片，葉片傾角為35°，葉片與內殼間的間隙為0.8mm。
1.1.2整流器
渦輪流量計特性與管線內的速度分布有很大的關系，因此保證進入流量計的流體具有均勻的速度分布，是提高計量的準確性一個重要的前提條件。因此研制的渦輪流量計內置了整流器。整流器由一束細不銹鋼管組成，整流束的長度B=100mm：整流束管子的數(shù)目n=42。通過增加整流器，可以減少流量計前后直管段的長度，提高計量精度，減小體積和重量。
1.2流量積算儀
流量積算儀作為流量計的計算顯示部分，采用高性能微功耗的集成芯片，配有脈沖輸出、4mA～20mA模擬信號輸出和 RS-485通訊接口三種輸出方式，內置高容量3.6V鋰電池供電，并內置溫度傳感器。積算儀接收傳感器的信號，并進行運算處理，就地顯示于顯示窗口上。其主要特點如下：
1)采用高性能微功耗的集成芯片，整機多功能，功耗低。
2)可切換顯示總累積流量、批累積量、瞬時流量及介質溫度，清晰直觀，讀數(shù)方便。
3)配有脈沖輸出，4mA～20mA模擬信號輸出，RS-485通訊接口。
4)內置高容量3.6V鋰電池供電，壽命長，更換方便，電池壽命可達兩年以上。
5)軟件中采用了多段非線性修正，把生產過程中由于加工精度造成的儀表誤差通過軟件計算修正到標準值以內。
6)內置式溫度傳感器，可以在線補償由于溫度引起的變化量。
7)在軟件包中內置了汽油、噴氣燃料和柴油的體積膨脹率 ，通過設置的切換開關，可對不同油品進行溫度補償。
1.2.1溫度補償
流體的體積隨溫度的變化而變化，一般來說，溫度升高，體積膨脹，流體的這種屬性稱為熱膨脹性，用熱膨脹率表示。不同流體具有不同的熱膨脹率。
以20℃為基準進行換算，計算公式：
V20=Vt[1-f(t-20)]
式中：V20為油品20℃體積；
Vt為油品t℃體積；
f為油品體積溫度系數(shù)；t為輸油實際溫度。
下面通過示例，計算不同介質當溫度每升高1℃時的體積變化率。
對于柴油，當密度為0.83×103kg/m3時，溫度體積系數(shù)為 0.00084/℃，當溫度升高1℃時，體積變化率為0.84‰，若溫度變化10℃的話，將會引起0.84%的計量誤差。
對于噴氣燃料，當密度為0.780×103kg/m3時，溫度體積系數(shù)為0.00098/℃，當溫度升高1℃時，體積變化率為0.981‰，若溫度變化10℃的話，將會引起0.981%的計量誤差。
對于汽油，當密度為0.710×103kg/m3時，溫度體積系數(shù)為 0.00123/℃，當溫度升高1℃時，體積變化率為1.232‰，若溫度變化10℃的話，將會引起1.232%的計量誤差。
從計算結果可看出，當輸送汽油時，溫度對體積的影響很大，當溫度變化10℃時，會引起1.232%的計量誤差，而一般流量計的計量度都可達到0.5%，只從提高儀表的精度出發(fā)，而不考慮被測介質溫度的變化是不準確的，不能滿足計量交接的要求。溫度補償?shù)哪康木褪菍崪y油品的流量值轉換成可代計量交接的標準溫度條件(以20℃為基準)下的流量值。
通過在渦輪流量計內置高精度的Pt1000熱電偶，可測量輸送介質的溫度，流量積算儀可以根據(jù)測得的溫度進行(每間隔4s)溫度補償，從而提高計量準確度。
2、渦輪流量計的標定，確定流量計儀表系數(shù)及度分析
渦輪流量計屬于速度式流量計，在一定的流量范圍內，對一定的流體介質粘度，渦輪的旋轉角速度與流體的流速成正比。渦輪流量計輸出的脈沖頻率與通過流量計的流量成正比，其比例系數(shù)K稱為流量計的儀表系數(shù)。用公式表示為 K=f/qv。式中f為渦輪流量計的脈沖頻率，qv為通過流量計的流量。
該流量計采用活塞式液體體積管進行檢定。體積管型號為 JHYG-150，流量范圍：0.56m3/h～560m3/h、準確度為0.03 %。試驗介質為輕柴油。根據(jù)規(guī)程要求，在流量25m3/h～250m3/h的范圍內進行檢定，對每個檢定點進行9次檢定，檢定時記錄每個檢定點的條件。
對不同流量工況下的檢定結果進行分析，流量計的線性度、重復性、精度分別為0.152%、0.031%、0.158%。
智能液體渦輪流量計用途：
SC－LWGY智能液體渦輪流量計(渦輪流量傳感器與顯示儀表配套組成渦輪流量計）。傳感器具有精度高，重復性好，壽命長操作簡單等特點?？蓮V泛應用于石油，化工，冶金，造紙等行業(yè)測量液體的體積瞬時流量和體積總量。
智能液體渦輪流量計特點：
★ 壓力損失小。
★ 具有較高的抗電磁干擾和抗震動能力，性能可靠工作壽命長。
★ 采用先進的超低功耗單片微機技術，整機功能強，功耗低，性能優(yōu)越。具有非線性精度補償功能的智能流量顯示器。修正公式精度優(yōu)于±0.02%。
★ 儀表系數(shù)可由按鍵在線設置，并可顯示在液晶屏上，液晶屏直觀清晰，可靠性高。
★ 采用EEPROM對累積流量、儀表系數(shù)進行掉電保護。保護時間大于10年。
液體渦輪流量計主要技術參數(shù):
★ 流量計規(guī)格，基本參數(shù)和性能指標（見表二）
★ 準確度：0.5級、1.0級；
★ 使用條件：
1、 環(huán)境溫度-20℃～50℃;
3、 被測介質溫度：-20℃～120℃;
4、 大氣壓力：86Kpa～106Kpa;
5、 防爆等級：ibⅡBT4.
★ 信號傳輸距離：傳感器至顯示器的距離可達1000m。
液體渦輪流量計電氣特性：
1、 顯示方式：
（1）LWGY 遠傳顯示：脈沖輸出（配顯示儀表）；
（2）LWY 現(xiàn)場顯示：液晶顯示累積流量，單位（m³）
液晶顯示瞬時流量，單位（m³/h）
（3）LWGB 渦輪流量變送器：（配顯示儀表）。
2、輸出功能：
（1）LWGY 脈沖輸出，p-p值由供電電源確定；
（2）LWY 可帶脈沖輸出或4~20mA兩線制電流輸出；
（3）LWGB 4~20mA兩線制電流輸出。
3、供電電源：
（1）LWGY：DC5~24V；
（2）LWY：3V鋰電池安裝于儀表內部可連續(xù)使用3~5年；
（3）LWGB：DC24V。
儀表結構及安裝方式：
1、 儀表安裝采用法蘭連接、螺紋連接及夾裝式；
2、 安裝時液體流動方向應與傳感器外殼上指示流向的箭頭方向一致，且上游直管段應≥6DS，下游直管段應≥5DS（DS為被測管道實測內徑）。
3、傳感器應遠離外界磁場，如不能避免，應采取必要的措施；
4、為了檢修時不至影響液體的正常輸送，應在傳感器兩端的直管段外安裝旁通管道（如圖四）；
5、傳感器露天安裝時，請做好放大器插頭的防水處理；
6、傳感器與顯示儀表的接線，應根據(jù)放大器的電源來選擇接線方式，詳見有關“使用說明書”。
型譜規(guī)格及說明:
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型譜規(guī)格 |
說明 |
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SC- |
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渦輪流量計 |
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介質 |
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S |
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水 |
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Q |
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氣 |
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Y |
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油 |
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介質壓力 |
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1 |
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低壓和常壓≤2.5MPa |
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2 |
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中壓≤6.4MPa |
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3 |
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高壓≤32MPa |
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介質溫度 |
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1 |
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常溫-20℃~55℃ |
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2 |
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中溫-20℃~120℃ |
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3 |
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高溫-20℃~180℃ |
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防爆等級 |
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1 |
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普通型 |
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2 |
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隔爆型 |
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3 |
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本安型 |
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輸出方式 |
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0 |
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無輸出 |
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1 |
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頻率輸出 |
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2 |
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4-20mA輸出 |
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3 |
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1~5V輸出 |
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顯示方式 |
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0 |
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無顯示 |
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1 |
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就地顯示 |
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口徑 |
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-010 |
Φ10 |
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-015 |
Φ15 |
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-025 |
Φ25 |
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… |
… |
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-200 |
Φ200
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3、結論
設計完成后的DN150渦輪流量計進行了140小時使用試驗，試驗表明，該流量計具有工作可靠、性能穩(wěn)定，展開撤收方便，操作簡單，讀數(shù)清晰、直觀的特點，并且與DNl50輸油管線系統(tǒng)具有良好的匹配性。其主要特點在于：
1)DN150渦輪流量計將整流器與流量計集成在一起，消除了流量計上游管件對流動狀態(tài)的影響，提高了計量精度，而且結構緊湊，體積小、重量輕，與同流量、同額定壓力的容積式流量計相比，其重量只相當于容積式流量計1/20。
2)DN150渦輪流量計采用了多段非線性修正，對非檢定點的儀表系數(shù)進行插值運算，運算時對不同工況下采用不同的儀表系數(shù)，提高了計量的準確性。
3)DN150渦輪流量計內置溫度傳感器，可以在線補償由于溫度引起的變化量，提高計量準確度。
