V 錐形流量計在浮式液化天然氣上的運用

肖 鵬

惠生（南通）重工有限公司 江蘇南通 226000

V 錐流量計具備錐形管的特殊結構，能夠對流經錐體的流體速度分布梯度進行調整，消除漩渦二次流，降低V 錐流量計前后直管段的要求。V 錐流量計安裝成本低、量程比寬、信號穩定、值范圍寬。

1 V錐流量計的工作原理和結構特點

1.1 V錐流量計的工作原理

V 錐流量計作為1 種差壓式流量計，其基本理論是可以在密閉管道中進行能量相互轉換的伯努利原理。結合流動連續性原理，可以推斷在穩定流場情況下，管道中的流速與錐體前后差壓的平方根呈正比例函數關系。測得錐體上下游的壓力得出差壓即可實現流量測量。V 錐流量計結構見圖1。

圖1 V錐流量計結構

體積流量與差壓的關系由下式確定如式（1）所示。

式中：D——工況下測量管的內徑，m；

1.2 V錐流量計與其他節流裝置的比較

V 錐流量計將“流體收縮到管道中心”的概念改變為“收縮到管道的內邊壁”。當流體流經錐體與測量管道之間的環形通道時，流體逐漸向管內壁平滑收縮，錐體前后產生差壓，實現流量測量。錐體在管線中心位置的測壓點的流量速度剖面最佳，可以在不考慮上游流動狀況的情況下，獲得高精度、高可靠的流量測量。

孔板采用“中心突然收縮式”的節流方式。流體流經節流件時，未對速度割面進行整形，在管道中心線附近突然性的形成局部收縮。孔板是帶有同心或偏心圓形開孔的一塊金屬薄板。當流體流經圓形開孔時，管道橫截面積的突然減小使流體局部收縮，在孔板下游形成幅度較大的漩渦。因為測壓點需要位于流體流場較穩定的區域以保證其測量精度和重復性，在安裝時對直管段長度要求（一般前10D、后5D）。另外，漩渦會造成差壓信號中的噪聲增大，量程比縮小，測量精度降低，由能量守恒可知，漩渦會增大壓損?？装宓慕Y構特點還會使孔板前極易積污，對內孔銳角線磨損從而難以保證精度，使流出系數不穩定。

文丘里管采用“中心逐漸收縮式”的節流方式。即流體流經節流件時，在收縮段逐漸收縮后，才會流經管道中心線附近的喉道，通過擴散段逐漸擴大的管道流出。文丘里管先逐漸收縮而后逐漸擴大的特點，能夠對流體速度分布梯度有效整流，壓損較小，流出系數接近1。但是文丘里管在使用過程中喉部的磨損嚴重，無法長期保持測量精度。而且文丘里管漸縮漸擴的結構特點，對上下游直管段具有要求，在測量濕氣體、冷凝物以及固液兩相介質的流量時容易被堵塞。

孔板、文丘里管等老式差壓式流量計由于其結構上的缺陷，無法滿足FLNG 領域流量測量的需求。而V錐流量計是對傳統節流式流量計改進完善后的器件，其結構特點不僅解決已有差壓式流量計的缺陷，而且還有其他測量原理的流量計不具備的優點。

2 V錐流量計的性能特點

2.1 V錐流量計的優勢

流體在接近V 錐體流動時產生扁平的流態分布，V 錐流量計可以比其他差壓流量計更接近上游擾動處工作。V 錐流量計的建議安裝距離為上游直管段直徑的0～3 倍和下游直管段直徑的0～1 倍。單個或雙個彎頭在同一平面或接近儀表上游時，V 錐流量計仍然可以產生扁平流態。當不同流態接近錐體時，始終會產生一個可預測的流態,保證儀表精確的測量。

V 錐一次元件的精度可以達到±0.5%。V 錐一次元件的重復性高達0.1%。可以測量較低雷諾數范圍（Re≥8000）的流量。典型V 錐流量計的量程比為10∶1。選擇合適的參數時，可以達到更高的量程。

錐體的輪廓形狀將流體方向限制為朝向管道的內邊壁，不清潔的流體不會對錐體邊界層產生沖擊，并且不易磨損邊緣。其β 值長期不變，流量計不需要重復標定，具有長期的精度穩定性。

流體在流經節流件時，會產生“卡曼旋渦”現象，在流量穩定條件下，對差壓檢測產生干擾而形成“信號波動”?？装辶髁坑嫊诳装逑掠翁幮纬蓽u流，呈高幅低頻的孔板信號，影響流量計的讀數。而V 錐流量計的結構是邊壁逐漸收縮節流，與錐體后部產生的干擾流大小相同方向相反而相互抵消，對信號擾動很小，在低壓流場也能夠呈現高頻低幅的壓力脈動，且噪聲小、信號穩定。

V 錐流量計可以在低差壓力下正常運行，永久壓力損失低。V 錐流量計的結構特點允許有很寬的比范圍。標準的比范圍為0.45、0.55、0.65、0.75 和0.85。

V 錐流量計“掠過型”的設計理念，會對流體中的殘渣、凝結物或顆粒形成吹掃沖刷作用，因此可以保持錐體長期清潔。

上述短渦流使V 錐下游的流體完全混合，在很多需要即時和完全混合的應用中，V 錐常被用作靜態混合器。

2.2 V錐流量計的局限性

V 錐流量計檢測元件是錐體，流量計的流出系數受錐角大小、下游取壓口位置、錐體最大截面處軸向長度等參數的直接影響，但是目前各個廠家尚未形成統一規范，V 錐流量計仍需遵循逐臺實流標定的原則。但是標準節流裝置（標準孔板、標準噴嘴和標準文丘里管）能夠達到國際標準ISO- 5167，按照國際標準進行設計、制造、安裝和使用。

錐體的結構特點使得其無法滿足雙向流的流量測量要求。與標準節流裝置相比，V 錐流量計用料更多，加工工藝要求嚴格，逐臺標定費用高，使其售價較高。但綜合考慮并權衡節流裝置購買價及安裝費用、維護費用、因壓損造成的能量損失等因素，V 錐流量計的總體費用是更合理的。

3 V錐流量計在FLNG裝置上的應用優勢

陸上工廠擁有大量空間，對儀表占地要求不高，但是在空間擁擠的海上，需要盡可能地減少空間的使用。FLNG 裝置設計緊湊，實際工作環境還涉及顛簸、腐蝕等諸多問題，因此甲板上的生產裝置詳細設計與陸地同規模工廠的設計完全不同。V 錐流量計只需極短的直管段就能取得精確的測量值，其直管段要求如下：

（1）氣體測量，雷諾數范圍（Re）>200000，V 錐流量計測量氣體的上游和下游的最小直管長度見表1。若≥0.65，表中的直管段長度需要增加1D。

表1 V錐流量計測量氣體的上游和下游的最小直管長度

（2）液體測量，雷諾數范圍（Re）>200000，V 錐流量計測量液體的上游和下游的最小直管長度見表2。若≥0.65，表中的直管段長度需要增加1D。

表2 V錐流量計測量液體的上游和下游的最小直管長度

V 錐流量計的使用流體非常廣泛，低、高流速的流體均可以準確測量；V 錐流量計規格齊全，適用口徑DN15（1/ 2”）～DN3000（120”），公稱壓力0～2500lb，工作溫度- 200～800℃；且安裝方式靈活，可以選擇管道法蘭式、直接焊接式、方管式安裝。V 錐流量計在惠生海工為Exmar 以EPCIC 模式總承包建設的FLNG（設計液化能力約50 萬t/ a 的LNG）中得到了成功應用，在惠生海工的FLNG 標準化項目（設計液化能力300 萬t/ a 的LNG）也有選型應用。

需要將液體和氣體流量計放在近海平臺、浮式生產儲油和卸油的船、海底裝置這些場所時，具有自調節功能的V 錐近海流量計所需要的運行直管段比其他流量計少70%，可以產生不動產和安裝成本方面的巨大節省，節省的成本能夠超過儀表本身的成本。

4 結語

V 錐流量計具有高精度、自清潔功能、實用性強、運行穩定可靠、長期穩定性好等優勢，極大地方便了生產，滿足生產計量的需要。且V 錐流量計的結構決定其不需要長的運行直管段或者流量調節儀表，安裝條件的局限少，在空間緊缺的FLNG 裝置上是流量測量儀表選型的重要參考因素。