1 問題的提出
旋進旋渦流量計（以下簡稱流量計）作為一種高精度的氣體流量計量儀，被越來越廣泛地應(yīng)用于油氣田天然氣的計量中。由于實際生產(chǎn)計量中天然氣的成分不純，往往夾雜著一些雜質(zhì)（如油污、沙礫等），容易造成流量計進氣道的污染、堵塞和磨損，從而影響流量計的計量誤差。我們模擬流量計在生產(chǎn)現(xiàn)場的使用情況，利用實驗的方法，確定流量計在不同狀況下的計量誤差，為實際生產(chǎn)提供參考依據(jù)。
2 實驗方法及數(shù)據(jù)
2.1 模擬實驗
多數(shù)流量計的旋渦發(fā)生器是鋁制材料，容易被腐蝕和磨損，同時，由于旋渦發(fā)生器的進氣道比較狹窄，在實際計量中容易被雜質(zhì)堵塞。因此，根據(jù)這種特點以及實際運行中容易發(fā)生的故障，我們選用型號為LUXZ-50B的旋進旋渦智能流量計（儀表精度為1.5%），并設(shè)計了如下3種實驗方案。
（1）將流量計安裝在鐘罩式氣體流量標準裝置上，調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥，依據(jù)JJG198-94《速度式流量計檢定規(guī)程》在大流量下重復(fù)檢定3次，計算出該流量點的平均儀表系數(shù)K0。然后用液化的松香模擬油污噴在流量計的旋渦發(fā)生器進氣道的每個葉片上，形成1mm模擬的油污層，在不改變流量調(diào)節(jié)閥狀態(tài)的情況下，對該流量計重復(fù)檢定3次，計算出該流量點的平均儀表系數(shù)K1。同樣的情況，分別模擬油污厚度2mm、4mm、7mm、10mm進行檢定，求出對應(yīng)的儀表系數(shù)Ki，具體實驗數(shù)據(jù)見表1。
表1 模擬油污附著發(fā)生器實驗數(shù)據(jù)
| 模擬油污厚度 | 流量/m3·h-1 | 儀表系數(shù)/m3 | 相對誤差/% |
| 初態(tài) | 99.74 | 19661 | 0 |
| 1mm | 98.21 | 19702 | 0.21 |
| 2mm | 97.35 | 19783 | 0.62 |
| 4mm | 88.26 | 20258 | 3.04 |
| 7mm | 76.64 | 21652 | 10.13 |
| 10mm | 57.43 | 22642 | 15.16 |
（2）將流量計安裝在鐘罩式氣體流量標準裝置上，調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥，依據(jù)JJG198-94《速度式流量計檢定規(guī)程》在大流量下重復(fù)檢定3次，計算出該流量點的平均儀表系數(shù)K0。然后堵塞住旋渦發(fā)生器的一個進氣道，在不改變流量調(diào)節(jié)閥狀態(tài)的情況下，對該流量計重復(fù)檢定3次，計算出該流量點的平均儀表系數(shù)K1。同樣的情況，分別堵塞旋渦發(fā)生器的2個、3個直至5個進氣道（即只剩下1個進氣道不堵）進行檢定，求出對應(yīng)的儀表系數(shù)Ki，具體實驗數(shù)據(jù)見表2。
表2 堵塞進氣道實驗數(shù)據(jù)
| 堵塞進氣道數(shù)量 | 流量/m3·h-1 | 儀表系數(shù)/m-3 | 相對誤差/% |
| 初態(tài) | 99.74 | 19661 | 0 |
| 1個 | 90.06 | 20377 | 3.64 |
| 2個 | 79.76 | 21563 | 9.67 |
| 3個 | 67.86 | 22956 | 16.76 |
| 4個 | 53.90 | 23095 | 17.47 |
| 5個 | 35.18 | 18157 | -7.65 |
（3）將流量計安裝在鐘罩式氣體流量標準裝置上，調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥在zui大和zui小流量點下分別求出其儀表系數(shù)K0。然后將流量計卸下、拆開，根據(jù)旋渦發(fā)生器1年磨損0.2mm情況，我們用手動砂輪機將旋渦發(fā)生器進氣道的每個葉片磨去0.2mm，盡量保持流量調(diào)節(jié)閥的開口狀態(tài)與原始狀態(tài)一致，對流量計分別在大流量和小流量點進行檢定，求出該狀態(tài)下的儀表系數(shù)K1，同樣的情況，分別將旋渦發(fā)生器的進氣道葉片磨去0.4~1mm再進行檢定，求出對應(yīng)的儀表系數(shù)Ki，具體實驗數(shù)據(jù)見表3。
表3 磨損旋渦發(fā)生器實驗數(shù)據(jù)
| 葉片磨損厚度 | 流量/m3·h-1 | 儀表系數(shù)/m-3 | 線性度/% | 相對誤差/% |
| 初態(tài) | 98.60 | 19859 | 0.92 | 0 |
| 10.99 | 19498 | 0 |
| 0.2mm | 102.41 | 19337 | 3.19 | -2.63 |
| 11.62 | 18140 | -6.96 |
| 0.4mm | 106.34 | 18650 | 3.57 | -6.09 |
| 11.94 | 17363 | -10.95 |
| 108.82 | 18570 | 3.63 | -6.49 |
| 0.6mm | 12.50 | 17268 | -11.44 |
| 112.53 | 18080 | 3.40 | -8.96 |
| 0.8mm | 12.79 | 16890 | -13.38 |
| 114.82 | 17916 | 4.13 | -9.78 |
| 1.0mm | 13.93 | 16494 | -15.41 |
| 在前面磨損的基礎(chǔ)上將漩渦發(fā)生器入口處邊緣磨損2.0mm | 125.73 | 12324 | 11.43 | -37.94 |
| 16.88 | 9795 | -49.76 |
表1、表2、表3中的儀表系數(shù)和線性度的計算參見JJG198-94《速度式流量計檢定規(guī)程》中對流量計的儀表系數(shù)和線性度的計算方法。相對誤差的計算則是利用下面的公式逐步推導(dǎo)的。假設(shè)流量計在旋渦發(fā)生器堵塞或磨損后的某次檢定中所發(fā)出的脈沖數(shù)為N，根據(jù)檢定規(guī)程的計算方法可以求出這時的儀表系數(shù)Ki，由于鐘罩內(nèi)的氣體溫度和氣體壓力與流量計處的溫度、壓力差別不大，在不考慮溫度壓力修正的情況下得出公式：
（1）
式中：V為鐘罩的標準體積。
同時，由于流量計內(nèi)所設(shè)置的儀表系數(shù)為原始狀態(tài)的儀表系數(shù)K0，根據(jù)流量計積算儀的工作原理可以得出公式：
（2）
式中：Vi為流量計的示值。
根據(jù)相對誤差的計算公式
（3）
將（1）式和（2）式代人（3）式中可得
（4）
利用公式（4）可以求出改變旋渦發(fā)生器狀態(tài)后的每次相對誤差。
3 實驗結(jié)果的分析
3.1 模擬油污實驗結(jié)論
從表1的數(shù)據(jù)中可以看出，當(dāng)逐步增加模擬油污的厚度時，由于流量計的有效流通面積逐漸變小，壓力損失增大，其流量值越來越小。同時，還可以看出儀表系數(shù)越來越大，表明油污厚度的增加造成旋渦流的旋轉(zhuǎn)頻率加快，壓電傳感器發(fā)出的脈沖數(shù)增多，流量計的顯示值也比實際數(shù)值大，從而造成相對正誤差越來越大。
3.2 模擬堵塞實驗結(jié)論
從表2的數(shù)據(jù)中可以看出，當(dāng)逐個堵塞旋渦發(fā)生器的進氣道時，其流量值越來越小。同時儀表系數(shù)越來越大（堵塞5個進氣道情況除外），表明堵塞個別進氣道后，旋渦流的旋轉(zhuǎn)頻率加快，壓電傳感器發(fā)出的脈沖數(shù)增多，流量計的顯示值也比實際數(shù)值大，從而造成相對正誤差越來越大。當(dāng)堵塞5個進氣道，只剩下1個進氣道時，由于氣流通過這個進氣道后不能形成完整的旋渦流，致使旋渦流的旋轉(zhuǎn)頻率變慢，造成相對負誤差。
3.3 模擬磨損實驗結(jié)論
從表3的數(shù)據(jù)中可以看出，隨著進氣道每個葉片磨損程度的加深，氣流通過磨損了的進氣道后不能形成完整的旋渦流，致使旋渦流的旋轉(zhuǎn)頻率逐漸變慢，壓電傳感器發(fā)出的脈沖數(shù)減少，流量計的顯示值也比實際數(shù)值小，造成相對負誤差越來越大。當(dāng)進氣道的入口邊緣被磨損后，儀表系數(shù)和相對誤差都發(fā)生了較大的變化，這說明旋渦流的產(chǎn)生主要依靠進氣道的入口形狀。
通過實驗可以得出，在實際生產(chǎn)計量過程中，如果發(fā)生油污附著在發(fā)生器0.7mm以上，以及堵塞兩個以上進氣道，或者進氣道被磨損0.4mm以上的情況，都將會造成10%以上的相對正（或負）誤差，這種計量誤差即使在計量站的一級計量中也是不允許的。因此，在流量計的使用過程中，應(yīng)該嚴格按照有關(guān)要求安裝使用，定期清洗過濾器，抄錄表頭數(shù)據(jù)（每天或每周），發(fā)現(xiàn)計量數(shù)據(jù)異常，要及時清洗或更換流量計的旋渦發(fā)生器，并送檢定機構(gòu)檢定后再使用。對于雜質(zhì)含量較大的天然氣生產(chǎn)單位，可縮短檢定周期，確保不受經(jīng)濟損失。
