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影响涡轮流量计测量精度的主要因素介绍

涡轮流量计只有在应用合理的条件下,才能在其整段量程上保证标称精度。因此,必须了解如何估算各种因素对流量计性能的影响。对精度要求较高的场合尤其重要。
最常用的流量传感器大概要算是轴流式涡轮流量计了。它能发生与流量成正比的频率信号;体积小、结构简单、精度高、量程宽、响应快、而且压降也比较小,其转子的转速与体积流量成正比,且在20:1的量程上能达到±0.25%的精度和±0.05%的复现性。但这只能在所有影响流量计性能的干扰因素得以控制的情况下才成立。
涡轮流量计制造厂提供的标定系数通常是以水为基准的。条件是粘度为1mPa·s,比重为1.0。另外,在标定时也尽量满足其它理想条件,如流速稳定、不夹带气体、无污物、水温接近环境温度,并维持足够高的管道压力以避免在最大流量时出现气穴。还有仪表在标定时多采用水平位置。
然而,在真正的现场应用中却存在着许多影响流量计性能的重要因素。其中包括粘度和密度的变化,上游及下游管道的影响、夹带的气体、污浊物、液体压力、气穴作用、液体温度及仪表的安装方位等等。
1、粘度/密度影响程
介质的粘度是涡轮流量计应用中的一个至关重要的参数。随着粘度的增大,整个量程的小流量段要比大流量段受到更大的影响。根据经验,如果粘度以m²/s(108cst)为单位,在保持流量计性能的前提下,最大允许粘度为该流量计通径的2.5×10-6倍。例如,有一台4寸的流量计,若维持其线性度在±0.5%的范围内,则允许介质粘度可以大到1×10-5m²/s(10cst)。尽管涡轮流量计的线性度随着粘度的增大而变糟,但其复现性却保持不变。这意味着若配上智能显示仪或计算机系统,涡轮流量计还有可扩展的应用余地。
液体涡轮流量计量程的小流量段性能还受介质密度的影响。当比重小于0.70时,仪表量程将会减小到其标称量程乘以比重的平方根。这里提供的仅是一种粗略的估算方法,但对液烃的流量计量仪表选型却有很重要的指导意义。它们的比重大都在0.50~0.80之间,粘度也很小,最适宜用涡轮量计计量。例如有一台1寸涡轮流量计,其规格中给出的线性量程为1.5~15m³/h,即10:1.当用于计量比重为0.50的介质时,其线性量程将减小到7:1。若还要求10:1的线性量程,则需要提供一台稍加修改的流量计,有时量程也得迁移。
2、入口条件对精度至关重要
在标定流量计时,通常使其入口流束处于充分的紊流状态且无涡流。这样的理想状态需设置较长的直管段。而在实际应用中,流量计有时不得不安装在靠近泵、变径短节、弯头及阀之类的管接件附近,这些东西都会干扰流量计入口流束的状态,从而影响流量计的精度。
根据流量计的设计要求和所能提供的管段内侧直度,多数厂家都推荐流量计上游侧设10D到20D的直管段、下游侧设5D的直管段以保证其性能(D为流量计通径)。
以10D到20D上游直管段为准则而产生的安装误差通常远小于±1%。当然这不包括上游侧含有小口径闸阀及二个以上90°弯头的场合,如有严重的涡轮产生,则必须在流量计的上游侧装整流器,对于这种应用,只有把整流器与流量计作为一个整体一起进行标定才能达到最佳精度。因为这样可以消除由整流器本身引起的平均标定系数偏差。
对要求精度极高的关键环节,如管道密闭传输的精炼产品,消除安装误差的最佳方法是用流量计标定装置去标定安装就位的流量计。
3、除气器解决二相流问题
经验表明,通过涡轮流量计标定装置可以看出既使标定液中夹带很少量的空气也会导致被标流量计K系数上升几个百分点。具体关于水中游离状空气影响仪表性能的问题,英国国家工程实验所对此作出了定量的验证。他们对12台规格不同的涡轮流量计进行了考证。数据表明,当水中的气体体积含量仅为2%时,大多数流量计的记录综合误差在1%~10%左右。
不可置疑,精确的计量必须安装除气器,确保被测液体中不含夹带空气或天然气。当管道压力低至产生气穴时也会出现二相流;这是含气相流体的又一种形式。通常规定一个最小下游压力。记为Pmin而且Pmin=A(△p)+Bpo式中△p是流量计上的压力降,p是被测液体的蒸汽压,A及B由实验确定。作一般性计算时,取A=2、B=1.3就足够了。
4、过滤器对付污浊物问题
涡轮流量计轴承磨损的主要原因来自工艺介质中坚硬的磨蚀性颗粒。另外,颗粒还会堵塞轴承,尤其是滚珠轴承。解决流体中固体污浊物的方法就是在流量计上游侧设置过滤器。其滤芯目数及大小与流量计口径有关,具体配置可见有关标准(如美国仪表协会标 准的RP.31.1号出版物)。当然,现在有一种碳化钨制成的套筒式轴承特别坚硬(洛氏硬度达A90~A92),成功地应用于含沙、铁锈及其它固体颗粒污浊物的工艺流体计量中。据报告记载已有用于含沙原油计量达数年之久的这种轴承。经验还表明这种轴承也可用于非润滑性流体,如氨及轻烃的计量中,这种场合实质上属于干磨擦。但这并不是说就不需要装备过滤器了,因为还有一个塞卡流量计叶轮的问题。
有的流量计在不工作时会出现干沽,这又带来一个在轴承上形成胶质、清漆或其它沉淀物的可能性。在重新启用这样的流量计时,这些沉淀物会在起初一段较短的时间里影响其量程小流量段的性能。如工艺介质中含有这类不可过滤的污染物,则应保持这段装有流量计的管子始终充满液体。
5、尺寸变化的影响
用重量单位来表示流量就得知道介质的温度,并算出密度,或用密度计直接读取密度值。
温度变化会改变流量计转子和壳体的尺寸,从而也的确会影响其K系数。计算热膨胀影响的近似公式为△K/K=-3β(T-To)。式中△K/K是K系数变化率,β是流量计壳体的膨胀系数,To是标定时液体的温度,T是工况下液体的温度。
6、安装方位对标定值的影响
当仪表在现场管道中的安装方位与标定时的相同时,精度最高。按流量计安装方位的不同,其轴承上的负荷也不同,这是造成K系数不同的主要原因。因为这种负荷上的变化改变了转子上的磨擦阻力矩。在仪表的下三分之一段量程上这种影响最明显。所造成的误差的大小和正负完全取决于所用流量计的具体规格。作为结论,这里阐明 一下,尽管我们讨论了许多关于涡轮流量计的局限性,但比起其它类型的流量计它并不算多的。它仍不失为一种被许多应用所选中的流量计,尤其是要求精度较高的场合。还有一些涡轮流量计的特性这里没有考虑。如超量程、 反向流、高压的影响;小规格流量计流体润滑性 的影响;流束状态波动的影响;加速度及振动的影响。 因为所有这些影响只涉及某些特殊的应用场合。