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流量的計量, 并將數據傳輸到控制中心, 為輸油調度提供依據, 同時還可以作為泄漏監測的輔助設備。 該流量計具有準確度高、重復性好、線性度優、適應性強、工作壓力高及成本低等特點。

0、引言：長期以來, 如何保證輸油管線系統中流量計量值的準確度 ,是管線系統一直探討的課題 。隨著信息化的發展 ,對輸油管線系統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 ,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的配套設備。其主要性能如下:
1)額定壓力 :4.0M Pa ;長度 :600mm ;流量范圍 :50m3/h ～ 250m3/h ;壓降:在***大流量下壓力損失小于 40k Pa(以水為測試介質時);總質量:小于 40kg 。
2)防爆等級為 d I IBT 5 , 能在 -41 ℃～ +46 ℃環境下正常工作。
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)儀表系數應用多段非線性修正 , 根據不同流量點對應的儀表系數 ,插值計算出流量計的儀表系數。
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殼體 ;②槽頭接頭 ;③整流器 ;④導流體 ;⑤提手 ;⑥長軸 ;⑦渦輪 ;⑧積算儀 ;⑨支腳 圖1 渦輪流量計結構圖

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 、4m A ～20m A 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,讀數方便。
   3)配有脈沖輸出 , 4m A ～ 20m A 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 =V t[ 1 -f (t -20)]式中 :V20為油品 20 ℃體積;V t 為油品 t ℃體積 ;f 為油品體積溫度系數 ;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 , 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。溫度補償的目的就是將實測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 K 稱為流量計的儀表系數。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 。根據規程要求, 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 %。

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、性能穩定 ,展開撤收方便 ,操作簡單,讀數清晰、直觀的特點,并且與 DNl50 輸油管線系統具有良好的匹配性 。其主要特點在于 :
  1)DN 150 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)DN 150 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進行插值運算 ,運算時對不同工況下采用不同的儀表系數, 提高了計量的準確性。
  3)DN 150 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 。