薄膜型LNG 船用差压式流量计选型与应用

邱斌，李红波，董建平

（沪东中华造船（集团）有限公司，上海 200120）

薄膜型LNG 运输船是将液态天然气在-163℃左右，接近大气压的货舱环境下进行远距离运输的船舶，在运输和转驳过程中通常采用流量计对LNG 的流量进行测量。

根据工作原理，流量计主要分为差压式流量计、节流式流量计、涡轮式流量计、容积式流量计、电磁流量计和旋涡式流量计[1]。鉴于LNG 的低温特性，LNG 运输船通常是选用差压式流量计进行流量测量。

差压式流量计是通过流体流经节流装置时所产生的压力差与流量之间的关系来进行流量测量的，具有结构简单、重复性高、性能可靠等优点，在石油、化工、供热、供水、冶金、电力等领域的测量和过程控制都有广泛的应用。

本文通过对比分析几种差压式流量计的工作原理和性能特点，结合LNG 船低温管重点区域的布置特点及测量要求，形成一套LNG 船重点区域的流量计应用与选型方案。

1 差压式流量计分类与对比

1.1 差压式流量计概述

差压式流量计在组成上主要包括一次装置和二次装置，一次装置为检测件，二次装置为各类显示仪表。通常以检测件的形式对差压式流量计进行分类，包括：孔板流量计、文丘里流量计、均速流量计、V 锥流量计、弯管流量计等。代表厂家主要有Emerson、Veris、Samil和Daeyang 等。

1.1.1 文丘里式流量计

文丘里式流量计一般包括文丘里管和压差变送器，具有压力损失小、受磁场影响小、适用温度范围极广、结构简单、造价便宜等优点。

对于文丘里式流量计，其压降和质量流量计算公式如下：

式中：q，质量流量；C，流量系数；F0，喉部面积；，进口工质密度；，进口与喉部之间的压差；，孔径比。

1.1.2 孔板流量计

孔板流量计包括节流装置（孔板）、差压变送器和显示仪表三部分组成，管道内的流体在流动到孔板处时，靠近管壁处的流体向管道中心加速，从而造成静压力下降，形成压差，其值随着流量的增大而增大。如图1-1所示，由于惯性原作用，流束的最小截面位置在截面2处，此处流速最大，压力最低；经过截面2 后，流束扩大，在截面3 处时，流速又恢复到了之前的速度，但压力并不能恢复，截面1 和截面3 的压力差值，称为压力损失。

图1-1 流体流经孔板截面情况

1.1.3 均速式流量计

均速式流量计是基于早期皮托管测速原理发展起来的一种新型流量计产品，具有永久性压损小、节能量大、结构简单、成本较低、准确度高、性能稳定等优点。

不同于常规的差压式流量计，均速式流量计的测量压差为平均总压和平均静压之间的差值，得到其流量计算公式如下：

1.1.4 V 锥型流量计

V 锥型流量计量程比约为15，具有长期精度高、重复性好、耐磨损、测量范围广、安装要求低等优点；整流效果较好，工作温度最高可达700℃，最大压力达10.5MPa，其测量性能主要受到尾部流场的影响。

V 锥型流量计主要包括在测量管中的V 锥及其固定架。当流体通过V 锥时，会造成局部收缩，流速增加，因此V 锥前后将产生一定的压力差。将流量计内的测压装置分别安装在V 锥前后，以此得到压力差值，从而计算流体流量。

1.2 差压式流量计技术对比

不同类型差压流量计的特性对比如表1-1 所示。

表1-1 主要差压式流量计及其特点

其中，流量计的量程比是最大测量范围和最小测量范围之比，量程比越大，调整容错就越大，不需要更换仪表；重复性是指在相同的条件下，可重复性的产生相同的结果，是判定流量计准确度的必要条件；永久性压损是指流体在流经节流装置后无法恢复的压力值。

2 LNG 船用差压式流量计工作原理

主要以LNG 船用的多孔式孔板流量计、阿牛巴流量计、威力巴流量计和艾伯特流量计为研究载体，对其布置要求、工作原理和性能特点进行探讨分析。

2.1 多孔式孔板流量计工作原理

多孔式孔板流量计是由标准孔板流量计发展起来的一种新型流量计，除了拥有孔板流量计的结构简单、安全可靠等优势，还具有涡流少、压损小等优点，其量程比约为4∶1，直管段最低要求上游约为3 D（管道直径），下游为0.5 D。

2.1.1 永久性压损

根据压力损失计算公式[2]，得到多孔式孔板流量计压力损失如下：

根据国标ISO5167-1-2003[3]压力损失系数计算公式如下：

计算得到多孔式孔板流量计永久性压损约为60%，而针对同一种等效直径比和多孔板厚度的情况，中心孔径稍大的非等径多孔板的压力损失系数较小。同时，适当增加孔数，对多孔式孔板流量计的性能也会有较大的提高。

2.1.2 流出系数

目前还没有适用于多孔式孔板流量计的流出系数计算公式，利用数值模拟得到，其流出系数大约为0.8～0.96，其主要影响因素包括开孔直径、孔距、孔板厚度和雷诺数等。和开孔率相当的标准孔板相比，多孔板流量计的流出系数更大，流场更加稳定，临界雷诺数更低，对上游旋流的抗干扰能力也更强。

2.2 T 型阿牛巴流量计工作原理

阿牛巴流量计，是一种典型的均速流量计，主要应用于高炉煤气、压缩空气、蒸汽等的流量测量。T 型阿牛巴流量计属于第五代新型阿牛巴流量计，其巴体采用T 型设计，其量程比约为10：1，直管段最低要求上游约为8D，下游约为4D，测量精度达到±0.75%，重复性达±0.1%，具有防堵性能极优，压损小，高精度，高重复性，高强度，高取样率，获得压差信号强等优点。

T 型阿牛巴流量计工作原理图如图2-1 所示。

图2-1 多孔式孔板流量计

图2-2 T 型阿牛巴流量计工作原理图

图2-3 威力巴流量计工作原理图

2.2.1 永久性压损

T 型阿牛巴流量计永久性压损小，由式（2-1）及（2-2）计算得到，T 型阿牛巴流量计压力损失系数约为2%～15%。

2.2.2 流量系数

阿牛巴流量系数计算公式表示如下[4]：

式中：c1、c2，试验常数；B，阻塞比。

计算表明，T 型阿牛巴流量计的流量系数是恒定的，无论雷诺数为多少，其流量系数K 总是在0.75 范围内，因此在各种流体状况中，该类型流量计都能保持较高的测量精度。

2.3 威力巴流量计工作原理

威力巴流量计是一种新型的均速流量计，采用一体化设计，测量头采用子弹头线形结构，其低压取压孔位于探头两侧，在流体分离点和紊流尾流区之前。具有测量精度高、性能稳定、重复性好、信号强、防堵性好、应用范围广、选型简单等优势。其量程比可达10∶1，直管段最低要求上游约为7D，下游约为3D，测量精度达±1.0%，重复性达±0.1%。

2.3.1 永久性压损

威力巴流量计的压力损失计算公式表示如下：

式中：Q，体积流量；T，基础温度，为0℃；Pb，基础压力；P，大气压力；C，流体常数。

由式（2-2）计算得到，威力巴流量计压力损失系数压力损失系数约为3%。

2.3.2 流量系数

威力巴流量计无需通过标定来确定其流量系数，其计算公式为：

式中：cb，阻滞系数；cv，直径比，等于测量头孔径与管道内径的比值；，边界层系数。

实验数据表明，威力巴流量计的流量系数是独立于雷诺数的常数，其值大约为0.72 左右。

2.4 艾伯特流量计工作原理

艾伯特流量计是一种新型独特的差压式一次流量计，集喷嘴流量计和均速流量计特点于一身，相比于单一差压流量计，其工作量程更大、具有差压高、量程比高等优点，并且可以无需直管段，适用于直管段及其有限的情况。

艾伯特流量计采用环形喷嘴设计和均速管组成，拥有独特的流量系数，测量精度可达±0.50%。其量程比可达65∶1 左右，直管段最低要求上下游皆为0 D，相比于普通的孔板、V 锥型、均速流量计优势明显。

2.4.1 永久性压损

艾伯特流量计的压损小，压力损失计算原理与威力巴流量计类似，其压力损失系数约为35%。

2.4.2 流量系数

艾伯特流量计的流量系数为独立于雷诺数的常数，其理论值大约为0.45。

3 LNG 船用差压式流量计选型分析

薄膜型LNG 运输船上的低温管（以LNG 为流体介质）主要布置在甲板面、货物机械室、集管（通岸接口处）和甲板透气桅排放口等位置，以此几处位置为研究对象，对差压式流量计应用与选型进行分析。

3.1 甲板面

LNG 船甲板面的低温管布置具有范围广，直管段长，管径大等特点，因此对流量计的直管段最低要求和测量精度要求相对较低。

针对上述特点，LNG 船甲板面在流量测量时，应优先选用T 型阿牛巴流量计或者威力巴流量计。因为相比于其他流量计，此两种流量计具有较好的流量系数、量程比和重复性，同时大管径条件下优势更为突出，经济性也更好。

3.2 货物机械室

LNG 船的货物机械室管道布置极为复杂、空间狭小管路多汇集了大量的液体管、气体管等，对管路和设备的布置具有极高的要求。

针对上述特点，LNG 船货物机械室在测量流量时，应优先选用艾伯特流量计或多孔式孔板流量计，因为此两种流量计的直管段最低要求极低，但由于孔板式流量计造价成本较高，因此若在考虑经济性的情况下，应首选艾伯特流量计。

3.3 集管

LNG 运输船是在集管与岸上的气站进行LNG 装载（或卸载），同时管径也相对较大，因此对流量计测量精度有极高要求。

针对上述特点，LNG 船在集管处的流量测量，因其对流量计具有极高的测量精度和较好的重复性要求，应优先选用艾伯特流量计。但考虑到艾伯特流量计的永久性压损和流量系数较差，可视具体情况选用T 型阿牛巴流量计。

3.4 甲板透气桅排放口

LNG 船在运输过程中因围护系统绝热性能和船舶晃荡等因素会不可避免的产生天然气挥发气（BOG,Boil-Off Gas），由于BOG 持续产生将对LNG 船液货舱安全性产生威胁，需要及时将多余BOG 处理掉，目前常用处理方式：一是将其作为燃料为船舶提供动力，其次是利用再液化装置将其再液化，再者通过燃气燃烧单元（GCU，Gas Combustion Unit）将BOG 燃烧掉。如若以上三种方式还不能将多余BOG 处理掉，考虑船舶航行安全性会将多余BOG直接由甲板透气桅排放至大气。而由于国际海事环保组织和相关法规对LNG 船多余的天然气排放有着严格要求，因此甲板透气桅对流量计的测量精度要求极高。

针对上述特点，LNG 船在甲板透气桅处的流量测量，应同样优先选用艾伯特流量计，视具体情况选用T型阿牛巴流量计。

3.5 流量计下游布置设备

除了以上四类特殊流量计布置区域之外，针对流量计下游需要布置设备的情况，也需要特别注意。对于下游布置诸如压缩机等设备对流体压力具有严格要求，为了避免造成设备二次选型，从而造成成本增加等问题，对于流量计选型应充分考虑该因素。

针对上述特点，LNG 船在流量计下游布置设备时，应优先选用T 型阿牛巴流量计或者威力巴流量计，两种流量计具有永久性压损极小与较好的测量精度和重复性。

4 结语

本文以用于薄膜型LNG 船常见的几种差压式流量计为研究载体，对比分析了不同类型差压式流量计的布置要求、工作原理和性能特点。针对LNG 船的甲板面、货物机械室、通岸接口处、甲板透气桅和下游布置设备等典型区域，分析了不同应用区域对传感器布置和性能不同要求，提供了流量计选型考虑因素和流量计选型推荐，可为LNG 船的建造过程中流量计的选型提供借鉴与参考。