旋进旋涡流量计进气道堵塞和磨损对计量误差的影响

1问题的提出旋进旋涡流量计(以下简称流量计)作为一种高精度的气体流量计量仪表，与其它流量计相比，具有结构紧凑，操作简单，准确度高，量程比宽，安装使用方便，不受介质密度和粘度影响并可直接读数等优点。因此，近年来，被越来越广泛地应用于油气田天然气的计量中。然而，随着该流量计在油田天然气计量中的应用，逐渐产生了一些问题。例如，由于实际生产计量中天然气的成分不纯，往往夹杂着一些杂质(如原油、沙砾等)，容易造成流量计进气道的堵塞和磨损，从而影响流量计的计量误差。如果流量计在两次检定的周期内发生这些故障，人们往往搞不清楚这些故障对流量计计量误差的影响究竟有多大，到底是正误差还是负误差，不利于准确分析误差产生的原因，正确判断并排除故障。因此，本文作者试图模拟流量计在生产现场的使用情况，利用实验的方法，确定流量计在不同状况下的计量误差，为实际生产提供一定的参考依据。2实验方法及数据旋进旋涡流量计的结构主要由壳体1、旋涡发生器2、压电传感器3、出口导流体4以及积算仪5等部件组成(见图1)。其工作原理是:当沿着轴向的气体进人流量计人口时，旋涡发生器的螺旋形叶片强迫气流进行旋转运动，于是在旋涡发生器中心产生旋涡流，旋涡流在文丘利管中旋进，到达收缩段突然节流使旋涡流加速，当旋涡流进人扩散段后，因回流作用强迫进行旋进式二次旋转。在某一流量范围内，旋涡流的旋转频率与介质流速成正比，并为线性。压电传感器检测的微弱电荷信号经前置放大、滤波、整形后，变成频率与流体流速成正比的脉冲信号，最后送流量积算仪进行计数处理。
多数流量讨一的旋涡发生器是铝制材料，容易被腐蚀和磨损，同时，由于旋涡发生器的进气道比较狭窄，在实际计量中容易被杂质堵塞。因此，根据这种特点以及实际运行中容易发生的故障，我们设计了如下两种实验方案:其一，选择一台检定合格的新流量计，将其安装在钟罩式气体流量标准装置上，调节流量调节阀，依据《速度式流量计检定规程》( JJG198一94)在大流量下重复检定三次，计算出该流量点的平均仪表系数Ko。然后用Gl香糖堵塞住旋涡发生器的一个进气道，在不改变流量调节阀状态的情况下，对该流量计重复检定三次，计算出该流量点的平均仪表系数K1、同样的情况，分别堵塞旋涡发生器的两个、三个直至五个进气道(即只剩下1个进气道不堵)进行检定，求出对应的仪表系数Ki.(具体实验数据见表1)
其二，选择一台检定合格的新流量计，调节流量调节阀在最大和最小流量点下分别求出其仪表系数Ko，然后将流量计卸下、拆开，用手动砂轮机将旋涡发生器进气道的每个叶片磨去1 mm，尽量保持流量调节阀的开口状态与原始状态一致，对流量计分别在大流量和小流量点进行检定，求出该状态下的仪表系数K,，同样的情况，分别将旋涡发生器的进气道叶片磨去2一Smm再进行检定，求出对应的仪表系数Ki.(具体实验数据见表2)

表1、表2中的仪表系数和线性度的计算参见《速度式流量计检定规程》( JJG198一94)中对流量计的仪表系数和线性度的计算方法。相对误差的计算则是利用公式逐步推导出来的。假设流量计在旋涡发生器堵塞或磨损后的某次检定中所发出的脉冲数为N，根据检定规程的计算方法可以求出这时的仪表系数K}，由于钟罩内的气体温度和气体压力与流量计处的温度、压力差别不大，在不考虑温度压力修正的情况下得出公式(1)
式中v为钟罩的标准体积。同时，由于流量计内所设置的仪表系数为原始状态的仪表系数K0，根据流量计积算仪的工作原理可以得出公式(2):
利用公式(4)可以求出改变旋涡发生器后的梅次相对误差。3实验结果的分析从表1的数据中可以看出，当逐个堵塞旋涡发生器的进气道时，由于流量计的有效流通面积逐渐变小，压力损失增大，其流量值越来越小。同时，还可以看出仪表系数越来越大(堵塞5个进气道情况除外)，表明堵塞个别进气道后，旋涡流的旋转频率加快，压电传感器发出的脉冲数增多，流量计的显示值也比实际数值大，从而造成正相对误差越来越大。当堵塞5个进气道，只剩下1个进气道时，由于气流通过这个进气道后不能形成完整的旋涡流，致使旋涡流的旋转频率变慢，造成负相对误差。从表2的数据中可以看出，随着进气道每个叶片磨损程度的加深，气流通过磨损了的进气道后不能形成完整的旋涡流，致使旋涡流的旋转频率逐渐变慢，压电传感器发出的脉冲数减少，流量计的显示值也比实际数值小，造成负相对误差越来越大。通过对表2中最后一组数据的分析，可以看出，当进气道的入口边缘被磨损后，仪表系数和相对误差都发生厂较大的变化，这说明旋涡流的产生主要依靠进气道的入口形状。通过实验可以得出，在实际生产计量过程中，如果发生堵塞两个以上进气道的情况(或者进气道被磨损1 mm以上)，都将会造成10%以上的正(或负)相对误差，这种计量误差即使在计量站的一级计量中也是不允许的。因此，在流量计的使用过程中，应该严格按照有关要求安装使用，定期拆卸、清洗过滤器，发现计量数据异常，要及时清洗或更换流量计的旋涡发生器，并送检定机构检定后再使用。另外，本实验只是一个模拟实验，实验方法和过程还存在一些不足之处，例如，流量计在现场使用发生堵塞时，会不会是只将一个进气道完全堵塞，而其它的进气道内没有杂质;旋涡发生器在什么情况下，使用多长时间会被磨损1mm等等。因此，本实验只能定性地得出一些结论，而不能定量地进行分析。