薄膜型LNG 船用差壓式流量計選型與應用

邱斌，李紅波，董建平

（滬東中華造船（集團）有限公司，上海 200120）

薄膜型LNG 運輸船是將液態天然氣在-163℃左右，接近大氣壓的貨艙環境下進行遠距離運輸的船舶，在運輸和轉駁過程中通常采用流量計對LNG 的流量進行測量。

根據工作原理，流量計主要分為差壓式流量計、節流式流量計、渦輪式流量計、容積式流量計、電磁流量計和旋渦式流量計[1]。鑒于LNG 的低溫特性，LNG 運輸船通常是選用差壓式流量計進行流量測量。

差壓式流量計是通過流體流經節流裝置時所產生的壓力差與流量之間的關系來進行流量測量的，具有結構簡單、重復性高、性能可靠等優點，在石油、化工、供熱、供水、冶金、電力等領域的測量和過程控制都有廣泛的應用。

本文通過對比分析幾種差壓式流量計的工作原理和性能特點，結合LNG 船低溫管重點區域的布置特點及測量要求，形成一套LNG 船重點區域的流量計應用與選型方案。

1 差壓式流量計分類與對比

1.1 差壓式流量計概述

差壓式流量計在組成上主要包括一次裝置和二次裝置，一次裝置為檢測件，二次裝置為各類顯示儀表。通常以檢測件的形式對差壓式流量計進行分類，包括：孔板流量計、文丘里流量計、均速流量計、V 錐流量計、彎管流量計等。代表廠家主要有Emerson、Veris、Samil和Daeyang 等。

1.1.1 文丘里式流量計

文丘里式流量計一般包括文丘里管和壓差變送器，具有壓力損失小、受磁場影響小、適用溫度范圍極廣、結構簡單、造價便宜等優點。

對于文丘里式流量計，其壓降和質量流量計算公式如下：

式中：q，質量流量；C，流量系數；F0，喉部面積；，進口工質密度；，進口與喉部之間的壓差；，孔徑比。

1.1.2 孔板流量計

孔板流量計包括節流裝置（孔板）、差壓變送器和顯示儀表三部分組成，管道內的流體在流動到孔板處時，靠近管壁處的流體向管道中心加速，從而造成靜壓力下降，形成壓差，其值隨著流量的增大而增大。如圖1-1所示，由于慣性原作用，流束的最小截面位置在截面2處，此處流速最大，壓力最低；經過截面2 后，流束擴大，在截面3 處時，流速又恢復到了之前的速度，但壓力并不能恢復，截面1 和截面3 的壓力差值，稱為壓力損失。

圖1-1 流體流經孔板截面情況

1.1.3 均速式流量計

均速式流量計是基于早期皮托管測速原理發展起來的一種新型流量計產品，具有永久性壓損小、節能量大、結構簡單、成本較低、準確度高、性能穩定等優點。

不同于常規的差壓式流量計，均速式流量計的測量壓差為平均總壓和平均靜壓之間的差值，得到其流量計算公式如下：

1.1.4 V 錐型流量計

V 錐型流量計量程比約為15，具有長期精度高、重復性好、耐磨損、測量范圍廣、安裝要求低等優點；整流效果較好，工作溫度最高可達700℃，最大壓力達10.5MPa，其測量性能主要受到尾部流場的影響。

V 錐型流量計主要包括在測量管中的V 錐及其固定架。當流體通過V 錐時，會造成局部收縮，流速增加，因此V 錐前后將產生一定的壓力差。將流量計內的測壓裝置分別安裝在V 錐前后，以此得到壓力差值，從而計算流體流量。

1.2 差壓式流量計技術對比

不同類型差壓流量計的特性對比如表1-1 所示。

表1-1 主要差壓式流量計及其特點

其中，流量計的量程比是最大測量范圍和最小測量范圍之比，量程比越大，調整容錯就越大，不需要更換儀表；重復性是指在相同的條件下，可重復性的產生相同的結果，是判定流量計準確度的必要條件；永久性壓損是指流體在流經節流裝置后無法恢復的壓力值。

2 LNG 船用差壓式流量計工作原理

主要以LNG 船用的多孔式孔板流量計、阿牛巴流量計、威力巴流量計和艾伯特流量計為研究載體，對其布置要求、工作原理和性能特點進行探討分析。

2.1 多孔式孔板流量計工作原理

多孔式孔板流量計是由標準孔板流量計發展起來的一種新型流量計，除了擁有孔板流量計的結構簡單、安全可靠等優勢，還具有渦流少、壓損小等優點，其量程比約為4∶1，直管段最低要求上游約為3 D（管道直徑），下游為0.5 D。

2.1.1 永久性壓損

根據壓力損失計算公式[2]，得到多孔式孔板流量計壓力損失如下：

根據國標ISO5167-1-2003[3]壓力損失系數計算公式如下：

計算得到多孔式孔板流量計永久性壓損約為60%，而針對同一種等效直徑比和多孔板厚度的情況，中心孔徑稍大的非等徑多孔板的壓力損失系數較小。同時，適當增加孔數，對多孔式孔板流量計的性能也會有較大的提高。

2.1.2 流出系數

目前還沒有適用于多孔式孔板流量計的流出系數計算公式，利用數值模擬得到，其流出系數大約為0.8～0.96，其主要影響因素包括開孔直徑、孔距、孔板厚度和雷諾數等。和開孔率相當的標準孔板相比，多孔板流量計的流出系數更大，流場更加穩定，臨界雷諾數更低，對上游旋流的抗干擾能力也更強。

2.2 T 型阿牛巴流量計工作原理

阿牛巴流量計，是一種典型的均速流量計，主要應用于高爐煤氣、壓縮空氣、蒸汽等的流量測量。T 型阿牛巴流量計屬于第五代新型阿牛巴流量計，其巴體采用T 型設計，其量程比約為10：1，直管段最低要求上游約為8D，下游約為4D，測量精度達到±0.75%，重復性達±0.1%，具有防堵性能極優，壓損小，高精度，高重復性，高強度，高取樣率，獲得壓差信號強等優點。

T 型阿牛巴流量計工作原理圖如圖2-1 所示。

圖2-1 多孔式孔板流量計

圖2-2 T 型阿牛巴流量計工作原理圖

圖2-3 威力巴流量計工作原理圖

2.2.1 永久性壓損

T 型阿牛巴流量計永久性壓損小，由式（2-1）及（2-2）計算得到，T 型阿牛巴流量計壓力損失系數約為2%～15%。

2.2.2 流量系數

阿牛巴流量系數計算公式表示如下[4]：

式中：c1、c2，試驗常數；B，阻塞比。

計算表明，T 型阿牛巴流量計的流量系數是恒定的，無論雷諾數為多少，其流量系數K 總是在0.75 范圍內，因此在各種流體狀況中，該類型流量計都能保持較高的測量精度。

2.3 威力巴流量計工作原理

威力巴流量計是一種新型的均速流量計，采用一體化設計，測量頭采用子彈頭線形結構，其低壓取壓孔位于探頭兩側，在流體分離點和紊流尾流區之前。具有測量精度高、性能穩定、重復性好、信號強、防堵性好、應用范圍廣、選型簡單等優勢。其量程比可達10∶1，直管段最低要求上游約為7D，下游約為3D，測量精度達±1.0%，重復性達±0.1%。

2.3.1 永久性壓損

威力巴流量計的壓力損失計算公式表示如下：

式中：Q，體積流量；T，基礎溫度，為0℃；Pb，基礎壓力；P，大氣壓力；C，流體常數。

由式（2-2）計算得到，威力巴流量計壓力損失系數壓力損失系數約為3%。

2.3.2 流量系數

威力巴流量計無需通過標定來確定其流量系數，其計算公式為：

式中：cb，阻滯系數；cv，直徑比，等于測量頭孔徑與管道內徑的比值；，邊界層系數。

實驗數據表明，威力巴流量計的流量系數是獨立于雷諾數的常數，其值大約為0.72 左右。

2.4 艾伯特流量計工作原理

艾伯特流量計是一種新型獨特的差壓式一次流量計，集噴嘴流量計和均速流量計特點于一身，相比于單一差壓流量計，其工作量程更大、具有差壓高、量程比高等優點，并且可以無需直管段，適用于直管段及其有限的情況。

艾伯特流量計采用環形噴嘴設計和均速管組成，擁有獨特的流量系數，測量精度可達±0.50%。其量程比可達65∶1 左右，直管段最低要求上下游皆為0 D，相比于普通的孔板、V 錐型、均速流量計優勢明顯。

2.4.1 永久性壓損

艾伯特流量計的壓損小，壓力損失計算原理與威力巴流量計類似，其壓力損失系數約為35%。

2.4.2 流量系數

艾伯特流量計的流量系數為獨立于雷諾數的常數，其理論值大約為0.45。

3 LNG 船用差壓式流量計選型分析

薄膜型LNG 運輸船上的低溫管（以LNG 為流體介質）主要布置在甲板面、貨物機械室、集管（通岸接口處）和甲板透氣桅排放口等位置，以此幾處位置為研究對象，對差壓式流量計應用與選型進行分析。

3.1 甲板面

LNG 船甲板面的低溫管布置具有范圍廣，直管段長，管徑大等特點，因此對流量計的直管段最低要求和測量精度要求相對較低。

針對上述特點，LNG 船甲板面在流量測量時，應優先選用T 型阿牛巴流量計或者威力巴流量計。因為相比于其他流量計，此兩種流量計具有較好的流量系數、量程比和重復性，同時大管徑條件下優勢更為突出，經濟性也更好。

3.2 貨物機械室

LNG 船的貨物機械室管道布置極為復雜、空間狹小管路多匯集了大量的液體管、氣體管等，對管路和設備的布置具有極高的要求。

針對上述特點，LNG 船貨物機械室在測量流量時，應優先選用艾伯特流量計或多孔式孔板流量計，因為此兩種流量計的直管段最低要求極低，但由于孔板式流量計造價成本較高，因此若在考慮經濟性的情況下，應首選艾伯特流量計。

3.3 集管

LNG 運輸船是在集管與岸上的氣站進行LNG 裝載（或卸載），同時管徑也相對較大，因此對流量計測量精度有極高要求。

針對上述特點，LNG 船在集管處的流量測量，因其對流量計具有極高的測量精度和較好的重復性要求，應優先選用艾伯特流量計。但考慮到艾伯特流量計的永久性壓損和流量系數較差，可視具體情況選用T 型阿牛巴流量計。

3.4 甲板透氣桅排放口

LNG 船在運輸過程中因圍護系統絕熱性能和船舶晃蕩等因素會不可避免的產生天然氣揮發氣（BOG,Boil-Off Gas），由于BOG 持續產生將對LNG 船液貨艙安全性產生威脅，需要及時將多余BOG 處理掉，目前常用處理方式：一是將其作為燃料為船舶提供動力，其次是利用再液化裝置將其再液化，再者通過燃氣燃燒單元（GCU，Gas Combustion Unit）將BOG 燃燒掉。如若以上三種方式還不能將多余BOG 處理掉，考慮船舶航行安全性會將多余BOG直接由甲板透氣桅排放至大氣。而由于國際海事環保組織和相關法規對LNG 船多余的天然氣排放有著嚴格要求，因此甲板透氣桅對流量計的測量精度要求極高。

針對上述特點，LNG 船在甲板透氣桅處的流量測量，應同樣優先選用艾伯特流量計，視具體情況選用T型阿牛巴流量計。

3.5 流量計下游布置設備

除了以上四類特殊流量計布置區域之外，針對流量計下游需要布置設備的情況，也需要特別注意。對于下游布置諸如壓縮機等設備對流體壓力具有嚴格要求，為了避免造成設備二次選型，從而造成成本增加等問題，對于流量計選型應充分考慮該因素。

針對上述特點，LNG 船在流量計下游布置設備時，應優先選用T 型阿牛巴流量計或者威力巴流量計，兩種流量計具有永久性壓損極小與較好的測量精度和重復性。

4 結語

本文以用于薄膜型LNG 船常見的幾種差壓式流量計為研究載體，對比分析了不同類型差壓式流量計的布置要求、工作原理和性能特點。針對LNG 船的甲板面、貨物機械室、通岸接口處、甲板透氣桅和下游布置設備等典型區域，分析了不同應用區域對傳感器布置和性能不同要求，提供了流量計選型考慮因素和流量計選型推薦，可為LNG 船的建造過程中流量計的選型提供借鑒與參考。