V 锥形流量计在浮式液化天然气上的运用

2022-01-17肖鹏

石油化工建设 2021年6期

关键词：文丘里差压锥体

肖鹏

惠生（南通）重工有限公司江苏南通 226000

V 锥流量计具备锥形管的特殊结构，能够对流经锥体的流体速度分布梯度进行调整，消除漩涡二次流，降低V 锥流量计前后直管段的要求。V 锥流量计安装成本低、量程比宽、信号稳定、值范围宽。

1 V锥流量计的工作原理和结构特点

1.1 V锥流量计的工作原理

V 锥流量计作为1 种差压式流量计，其基本理论是可以在密闭管道中进行能量相互转换的伯努利原理。结合流动连续性原理，可以推断在稳定流场情况下，管道中的流速与锥体前后差压的平方根呈正比例函数关系。测得锥体上下游的压力得出差压即可实现流量测量。V 锥流量计结构见图1。

图1 V锥流量计结构

体积流量与差压的关系由下式确定如式（1）所示。

式中：D——工况下测量管的内径，m；

1.2 V锥流量计与其他节流装置的比较

V 锥流量计将“流体收缩到管道中心”的概念改变为“收缩到管道的内边壁”。当流体流经锥体与测量管道之间的环形通道时，流体逐渐向管内壁平滑收缩，锥体前后产生差压，实现流量测量。锥体在管线中心位置的测压点的流量速度剖面最佳，可以在不考虑上游流动状况的情况下，获得高精度、高可靠的流量测量。

孔板采用“中心突然收缩式”的节流方式。流体流经节流件时，未对速度割面进行整形，在管道中心线附近突然性的形成局部收缩。孔板是带有同心或偏心圆形开孔的一块金属薄板。当流体流经圆形开孔时，管道横截面积的突然减小使流体局部收缩，在孔板下游形成幅度较大的漩涡。因为测压点需要位于流体流场较稳定的区域以保证其测量精度和重复性，在安装时对直管段长度要求（一般前10D、后5D）。另外，漩涡会造成差压信号中的噪声增大，量程比缩小，测量精度降低，由能量守恒可知，漩涡会增大压损。孔板的结构特点还会使孔板前极易积污，对内孔锐角线磨损从而难以保证精度，使流出系数不稳定。

文丘里管采用“中心逐渐收缩式”的节流方式。即流体流经节流件时，在收缩段逐渐收缩后，才会流经管道中心线附近的喉道，通过扩散段逐渐扩大的管道流出。文丘里管先逐渐收缩而后逐渐扩大的特点，能够对流体速度分布梯度有效整流，压损较小，流出系数接近1。但是文丘里管在使用过程中喉部的磨损严重，无法长期保持测量精度。而且文丘里管渐缩渐扩的结构特点，对上下游直管段具有要求，在测量湿气体、冷凝物以及固液两相介质的流量时容易被堵塞。

孔板、文丘里管等老式差压式流量计由于其结构上的缺陷，无法满足FLNG 领域流量测量的需求。而V锥流量计是对传统节流式流量计改进完善后的器件，其结构特点不仅解决已有差压式流量计的缺陷，而且还有其他测量原理的流量计不具备的优点。

2 V锥流量计的性能特点

2.1 V锥流量计的优势

流体在接近V 锥体流动时产生扁平的流态分布，V 锥流量计可以比其他差压流量计更接近上游扰动处工作。V 锥流量计的建议安装距离为上游直管段直径的0～3 倍和下游直管段直径的0～1 倍。单个或双个弯头在同一平面或接近仪表上游时，V 锥流量计仍然可以产生扁平流态。当不同流态接近锥体时，始终会产生一个可预测的流态,保证仪表精确的测量。

V 锥一次元件的精度可以达到±0.5%。V 锥一次元件的重复性高达0.1%。可以测量较低雷诺数范围（Re≥8000）的流量。典型V 锥流量计的量程比为10∶1。选择合适的参数时，可以达到更高的量程。

锥体的轮廓形状将流体方向限制为朝向管道的内边壁，不清洁的流体不会对锥体边界层产生冲击，并且不易磨损边缘。其β 值长期不变，流量计不需要重复标定，具有长期的精度稳定性。

流体在流经节流件时，会产生“卡曼旋涡”现象，在流量稳定条件下，对差压检测产生干扰而形成“信号波动”。孔板流量计会在孔板下游处形成涡流，呈高幅低频的孔板信号，影响流量计的读数。而V 锥流量计的结构是边壁逐渐收缩节流，与锥体后部产生的干扰流大小相同方向相反而相互抵消，对信号扰动很小，在低压流场也能够呈现高频低幅的压力脉动，且噪声小、信号稳定。

V 锥流量计可以在低差压力下正常运行，永久压力损失低。V 锥流量计的结构特点允许有很宽的比范围。标准的比范围为0.45、0.55、0.65、0.75 和0.85。

V 锥流量计“掠过型”的设计理念，会对流体中的残渣、凝结物或颗粒形成吹扫冲刷作用，因此可以保持锥体长期清洁。

上述短涡流使V 锥下游的流体完全混合，在很多需要即时和完全混合的应用中，V 锥常被用作静态混合器。

2.2 V锥流量计的局限性

V 锥流量计检测元件是锥体，流量计的流出系数受锥角大小、下游取压口位置、锥体最大截面处轴向长度等参数的直接影响，但是目前各个厂家尚未形成统一规范，V 锥流量计仍需遵循逐台实流标定的原则。但是标准节流装置（标准孔板、标准喷嘴和标准文丘里管）能够达到国际标准ISO- 5167，按照国际标准进行设计、制造、安装和使用。

锥体的结构特点使得其无法满足双向流的流量测量要求。与标准节流装置相比，V 锥流量计用料更多，加工工艺要求严格，逐台标定费用高，使其售价较高。但综合考虑并权衡节流装置购买价及安装费用、维护费用、因压损造成的能量损失等因素，V 锥流量计的总体费用是更合理的。

3 V锥流量计在FLNG装置上的应用优势

陆上工厂拥有大量空间，对仪表占地要求不高，但是在空间拥挤的海上，需要尽可能地减少空间的使用。FLNG 装置设计紧凑，实际工作环境还涉及颠簸、腐蚀等诸多问题，因此甲板上的生产装置详细设计与陆地同规模工厂的设计完全不同。V 锥流量计只需极短的直管段就能取得精确的测量值，其直管段要求如下：

（1）气体测量，雷诺数范围（Re）>200000，V 锥流量计测量气体的上游和下游的最小直管长度见表1。若≥0.65，表中的直管段长度需要增加1D。

表1 V锥流量计测量气体的上游和下游的最小直管长度

（2）液体测量，雷诺数范围（Re）>200000，V 锥流量计测量液体的上游和下游的最小直管长度见表2。若≥0.65，表中的直管段长度需要增加1D。

表2 V锥流量计测量液体的上游和下游的最小直管长度

V 锥流量计的使用流体非常广泛，低、高流速的流体均可以准确测量；V 锥流量计规格齐全，适用口径DN15（1/ 2”）～DN3000（120”），公称压力0～2500lb，工作温度- 200～800℃；且安装方式灵活，可以选择管道法兰式、直接焊接式、方管式安装。V 锥流量计在惠生海工为Exmar 以EPCIC 模式总承包建设的FLNG（设计液化能力约50 万t/ a 的LNG）中得到了成功应用，在惠生海工的FLNG 标准化项目（设计液化能力300 万t/ a 的LNG）也有选型应用。

需要将液体和气体流量计放在近海平台、浮式生产储油和卸油的船、海底装置这些场所时，具有自调节功能的V 锥近海流量计所需要的运行直管段比其他流量计少70%，可以产生不动产和安装成本方面的巨大节省，节省的成本能够超过仪表本身的成本。