差壓式流量計零點修正方法分析

林 謀

中海石油(中國)有限公司湛江分公司,廣東 湛江 524057

0 引言

差壓式流量計是一種在工業領域被廣泛應用的流量計量器具,在面對不同測量對象和測量工況時需要進行安裝方式的適應性選擇,適當的安裝方式可確保使用者獲得真實的流量值。在實際工作中,差壓式流量計會遇到檢修及部件更換等情況,原流量計的零點修正方法無法適用于新流量計,需要進行有針對性的零點修正,消除因維修和更換帶來的零點誤差。

1 差壓式流量計的工作原理

差壓式流量計是一種測定流量的儀器,其工作原理都是基于封閉管道中流體質量守恒(連續性方程)和能量守恒(伯努利方程)定律。它是利用流體流經節流裝置時所產生的壓力差與流量之間存在一定關系的原理,通過測量壓差來實現流量測定。

充滿管道的流體流經管道內的節流元件時造成流束局部收縮,使管中心流體流速發生變化,其靜壓力也隨之變化。流量Q的計算公式[1]如下。

(1)

式中:Qv體積流量;C為流出系數;ε為可膨脹系數;A為節流件開孔截面積;ΔP為節流裝置輸出的壓差;β為直徑比;ρ1為被測流體的密度。

2 差壓式流量計的壓力引出方式及優缺點

差壓式流量計的壓力引出方式主要由差壓傳感器要求、被測介質物化性質決定,主要包含毛細管導壓和管線導壓2種方式,2種導壓方式在工業應用上各有優勢。

2.1 毛細管導壓

毛細管導壓是一種無接觸的壓力引出方式,須在取壓點安裝導壓法蘭,導壓法蘭與毛細管的膜盒法蘭通過螺栓相連,膜片外側與被測介質直接接觸,膜片內側與毛細管內部充滿硅油,硅油被密封在由膜片、毛細管和差壓傳感器壓力腔室所形成的空間內,利用液體的可壓縮性小的特點進行壓力的無損傳遞。

這種壓力引出方式被測介質與差壓傳感器無需直接接觸,可對傳感器起到有效保護。使用者可根據被測介質的毒性、腐蝕性、易凝固性、易結晶性和酸堿度進行膜片選擇來滿足使用要求。但使用的變送器價格昂貴,膜片使用過程中維護要求高,在設備轉運過程中需要加強對膜片的保護,膜片在受到尖銳物體觸碰或受力不均時極易損壞,導致壓差值測量失真。

2.2 管線導壓

管線導壓是一種接觸式的壓力引出方式,該方式下使用的變送器無特定附屬管線,要求管線直徑在8～12 mm,管線長度在45 m以內。變送器高低壓腔室位置預留接口,使用時通過儀表管等管線將被測介質引入傳感器的高低壓腔內,差壓傳感器再檢測2個腔室所產生的壓差。該種方式被測介質與差壓傳感器直接接觸,在使用時需要根據被測介質的物理、化學性質對差壓變送器和壓力引出管線的材質進行選擇,避免使用過程中因腐蝕、介質結晶和介質凝固等原因導致流量計無法測量或差壓變送器損壞,該類型的差壓變送器價格相對便宜,且導壓管線敷設距離長,相比毛細管導壓來說靈活性強,適用范圍廣。

3 差壓式流量計的安裝方式

3.1 水平安裝上部引壓

節流裝置水平安裝,節流元件與管道的同軸度控制在1°誤差內,節流元件前至少要保證有大于10倍管徑的直管段,節流元件后至少有大于5倍管徑的直管段,節流元件兩端壓力從兩端管線上部引出,差壓變送器安裝位置要高于節流元件的位置高度,導壓管線盡可能短(見圖1)。主要適用于所測介質為氣體和純液體2種介質,被測介質沿水平方向流過節流元件后形成壓差,節流元件兩端壓差從管線上部取壓點傳輸至差壓變送器的壓力腔室被測量。

1—高壓取壓口;2—節流元件;3—低壓取壓口;4—差壓變送器。

3.2 水平安裝底部引壓

節流裝置水平安裝,節流元件兩端壓力從兩端管線底部引出,差壓變送器安裝位置要低于節流元件的位置高度,同時也要求導壓管線盡可能短。主要適用于各類液體介質,被測介質沿水平方向流過節流元件后形成壓差,介質壓差從管線底部取壓點傳輸至差壓變送器的壓力腔室后被變送器測量。此種方式下的液體介質可夾雜氣體,在流動過程中導壓管線內的氣體會逐步析出,高低壓兩段管線內介質趨于穩定后不產生液柱差,對流體壓差測量不產生影響。

3.3 水平安裝斜上0°～45°引壓

節流裝置水平安裝,節流元件兩端壓力從兩端管線上部0°～45°夾角范圍內的位置引出,導壓管線要求轉角位置為圓角,主要適用于蒸汽類介質的流量測量。高溫蒸汽進入導壓管后遇到環境低溫時會有冷凝液體產生,冷凝液體會沿斜管線回流到主管流程中[2]。因此,水平安裝狀態下從斜上0°～45°夾角范圍內引出壓力,對蒸汽類流體流量測量最合適。

3.4 垂直安裝側面引壓

節流裝置垂直安裝,流體從下往上流經節流元件后產生壓差,安裝時要求差壓變送器位置要低于下端取壓點高度。主要適用于流體介質為多相流,多相混合且比例不固定的場景時垂直流動不會在測量位置產生分層。例如原油生產平臺的油井產出中包含有油、氣、水三相,在水平安裝方式下因分層的原因導致水平流動介質分離的情況下無法準確測量,在垂直安裝過程中能夠保證多相流體始終處于混合紊流狀態,所產生的壓差能更真實反映實際流量[3]。

4 差壓式流量計零點誤差產生原因及修正方法

差壓式流量計在不同的安裝方式和引壓類型組合下適用于不同流體介質,針對不同情形下產生的誤差需要用不同方法進行修正。

4.1 水平安裝時

差壓式流量計采用水平安裝方式時,根據流體介質特性選擇合適的導壓方式可合理避免零點誤差的出現。尤其在選用毛細管作為導壓方式時,因不存在管線液柱壓力,所以無需進行修正。而采用管線作為導壓管時,兩側導壓管處于等高位,穩定運行后兩側管線介質趨于一致而無零點壓差存在。水平安裝時須在管線完全排空的前提下將變送器進行零點標定,同時在導壓管底部設置排放閥門,定期排出導壓管線內的積液、雜質等,避免管線堵塞。

4.2 垂直安裝且使用毛細管導壓時

差壓式流量計采用垂直安裝且使用毛細管進行導壓時,需要進行零點修正。如圖2所示,節流元件兩端壓力主要作用于H/L兩個導壓點的導壓法蘭膜片,毛細管導壓特性使得H/L的安裝位置與變送器的安裝位置均不影響在空管情況下的零點變化。在使用過程中,管線內會充滿被測介質,此時H/L兩個導壓點會受到管線內液柱的壓力影響。相對于L導壓點來說,H導壓點在受管線內部壓力外,還承受高度為h的被測介質靜壓,因此在使用該變送器壓差進行流量轉換時須將液柱靜壓切除,具體切除值為:

圖2 垂直安裝且使用毛細管導壓示意圖

ΔP=ΔP′-ρgh

(2)

式中:ΔP為最終實際壓差值;ΔP′為變送器測量差壓;ρ為當前被測介質的實際密度;g為重力加速度;h為差壓變送器導壓點高度差。

通過上述公式進行零點修正后,準確切除了零點誤差,流量計測量的值真實可靠。

4.3 垂直安裝且選用管線導壓時

差壓式流量計采用垂直安裝且選用管線導壓時,管道中的介質會通過導壓點進入H/L兩端的導壓管,此時要求差壓變送器安裝位置要低于H端或與H端同高,因差壓變送器在安裝位置介于H和L導壓點之間或高于L端位置時會出現兩側導壓管內填充的介質形態不一致,從而導致安裝后無法使用公式進行有效的零點修正。

以變送器安裝位置與H端同高為例(見圖3),在H端變送器同高且排空總管的情況下,H端不受導壓管內部介質的液柱靜壓影響,在L端則因導壓管從高處引至低處,在介質流動過程中導壓管內部被流體介質逐漸充滿,且相對主管內流動的介質來說,導壓管內部的介質是處于相對靜置的狀態,在多相流情況下進行三相分離,直至管線內介質物理性質趨于穩定。因此在使用管線導壓時,差壓變送器在排空主管線內介質的情況下,H端壓力為0,L端則到受管內液柱的壓力影響,產生ρ1gh的液柱靜壓,因此在空管情況下差壓變送器的壓力為:

圖3 垂直安裝且選用管線導壓示意圖

ΔP1=-ρ1gh

(3)

式中:ΔP1為空管情況下變送器差壓;ρ1為導壓管內穩定后密度;g為重力加速度;h為差壓變送器H/L導壓點的高度差。

在將流體導入主管線時,介質在主管線中自下而上流動,H導壓點除受管線內部介質攜帶的壓力外,還承受主管線內高度為h的被測液柱靜壓。此時,在不考慮L端液柱靜壓時,實際壓差值為測量壓差和主管線液柱靜壓之差,與毛細管的導壓方式相同。再將L端的導壓管內液柱壓力考慮進計算公式,實際壓力為:

ΔP=ΔP′-ρgh+ΔP1=ΔP′-ρgh-ρ1gh

(4)

式中:ΔP為最終實際壓差值;ΔP′為變送器測量壓差;ρ為當前被測介質的實際密度;ρ1為導壓管內穩定后密度;g為重力加速度;h為差壓變送器導壓點高度差。由此可以得出,同為垂直安裝的流量計在使用不同導壓類別時進行的修正方式存在區別。

5 結束語

差壓式流量計的關鍵參數就是節流裝置前后的壓差值,差壓變送器的零點修正不正確,會導致測量值出現安裝誤差,無法通過多次測量來消除。可在安裝時根據節流元件安裝方式、現場導壓方式、變送器安裝位置進行修正,修正后的壓差值使用轉換公式計算得到準確流量值。