螺旋渦輪流量計用于液態烴貿易計量
摘要：傳統渦輪流量計雖然具有良好的測量精度和響應特性,但對介質黏度、溫度和壓力較敏感,難以保持在多變條件下的長期穩定性。螺旋流量計采用一體化車制的螺旋形葉片,既保持了傳統渦輪流量計精度高、壓降低、響應快、質量輕、體積小以及維護安裝方便等諸多優點,又具有葉片結構堅固、適應黏度范圍大、長期穩定性好等新特點。該流量計在實驗室測試和現場使用測試中,表現出了良好的計量特性;在不同介質測試中的重復性極佳,在原油測試中具有較好的線性度,能夠滿足包括原油在內的液態烴貿易計量的要求。
引言
1953年出現的早期螺旋葉片渦輪流量計主要用于航空飛行器內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計量,在北海嚴酷環境下表現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烴》,對包括螺旋渦輪在內的渦輪流量計使用進行規范。
傳統渦輪流量計雖然具有良好的測量精度和響應特性,但對介質黏度、溫度和壓力較敏感,難以保持在多變條件下的長期穩定性。經過不斷發展和完善,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,成為一項應用前景廣闊的新型液態烴流量計。該流量計采用一體化車制的螺旋形葉片,既保持了傳統渦輪流量計精度高、壓降低、響應快、質量輕、體積小以及維護安裝方便等諸多優點,又具有了葉片結構堅固、適應黏度范圍大、長期穩定性好等新特點。
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公司生產的MV系列螺旋渦輪流量計和其旗下Daniel公司生產的1500系列螺旋渦輪流量計等,主要用于石油產品管輸計量、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定性大于5年。幾種典型液態烴貿易交接用螺旋渦輪流量計參數見表1。
表1典型液態烴貿易交接用螺旋渦輪流量計參數
1、新技術特點及優勢：
螺旋型與傳統型渦輪流量計明顯不同之處是, 螺旋渦輪流量計轉子上只有2個螺旋型葉片,而不是傳統型的多葉片型式,如圖1所示。螺旋渦輪流量計在測量高黏性原油時,可減少原油在轉子界面層的積滯。口徑為8 in (1 in=2.54 cm) 的傳統型和螺旋渦輪流量計轉子,當轉子界面層厚度都增加0.001 in時,會導致傳統型渦輪流量計流動剖面面積產生0.3%的變化,螺旋渦輪流量計只產生0.1% 的變化,即傳統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,螺旋型轉子葉片的形狀、安置角度等,也可以改善轉子葉片周圍的流動狀態,降低儀表對流體黏度的敏感性,提高儀表穩定性和使用年限。螺旋渦輪流量計拓展了傳統型渦輪流量計的測量范圍,對原油計量有更好的適應性。
與傳統結構相比,螺旋渦輪流量計結構更加簡單,布局更加合理,其應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,采用鈦或鋁作轉子,可實現長期的穩定性和可靠性。 根據Faure Herman提供的資料,雙螺旋渦輪流量計在國外原油計量應用中,曾連續使用7年流量計系數幾乎沒有變化。
圖1傳統式與螺旋式渦輪流量計結構對比
圖2API MPMS 5.1的渦輪流量計適用黏度范圍
2、TZN100-300螺旋渦輪流量計性能：
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%,重復性優于0.02%,流量范圍30~300 m3/h。 測試內容包括水裝置測試和原油測試兩部分,原油測試依據美國石油協會標準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,測試數據見表2。
表2TZN100-300渦輪流量計水裝置測試數據
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,測試數據見表3。
TZN100-300螺旋渦輪流量計以水和原油為介質進行9組測試,重復性誤差均不超過0.02%,測試誤差不超過±0.2%,如圖3所示。
圖3中淺灰色區域為0.2級流量計的K系數允許波動范圍。從圖3及測試數據中可以看出,在以原油和水為介質開展的流量測試范圍內,該流量計測試誤差及重復性均符合0.2級測量準確度要求, 原油測得的線性度優于水。
表3TZN100-300渦輪流量計原油測試數據
圖3TZN100-300水和原油測試K系數分布
以水為介質獲得的平均K系數為1 617.56 N·m-3, 較以原油為介質獲得的平均K系數(1 597.71 N·m-3) 正向相差19.85 N · m- 3, 約為平均K系數的1.23%。可見,介質黏度依然對流量計K系數影響較大。
3、現場使用測試：
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%, 重復性優于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場原油為介質檢定兩次渦輪流量計,取兩次K系數平均值。在檢定船載體積管時,將船載體積管與渦輪流量計串聯,記錄體積管運行一周期渦輪流量計所產生的脈沖數,利用此脈沖數與K系數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,檢定數據見表4。
表 4 TZN100-200 渦輪流量計現場檢定數據
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,重復性均不超過0.02%,顯示出良好的穩定性。
4、結論：
從對TZN型螺旋渦輪流量計的實驗室測試和現場使用測試情況來看,螺旋渦輪流量計具有較強的穩定性和可靠性,較傳統渦輪流量計對介質的黏度不敏感,在不同介質測試中的重復性極佳,在原油測試中具有較好的線性度,能夠滿足包括原油在內的液態烴貿易計量的要求。