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淺談渦輪流量計(jì)在船舶行業(yè)的應(yīng)用

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渦輪流量計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、維修方便、加工零部件少、流通能力打及價(jià)格低廉等特點(diǎn),已經(jīng)廣泛應(yīng)用于石油類、有機(jī)液體、無(wú)機(jī)液體、低溫液體等的精確測(cè)量。本文從設(shè)計(jì)、使用的角度對(duì)渦輪流量計(jì)做簡(jiǎn)要介紹。 
  在船舶中,監(jiān)視和流量測(cè)量時(shí)必不可少的。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,生產(chǎn)環(huán)境日趨復(fù)雜,對(duì)流量測(cè)量的要求也越來(lái)越高。因此,運(yùn)用不同的物理原理和規(guī)律也相繼問(wèn)世與之相適應(yīng),如差壓流量計(jì)、電磁流量計(jì)、渦輪流量計(jì)超聲波流量計(jì)和質(zhì)量流量計(jì)等等。在所有流量計(jì)中,渦輪流量計(jì)、容積式流量計(jì)及科里奧利質(zhì)量流量計(jì)為重復(fù)性、精確度最好的流量計(jì)。這三類流量計(jì)中,渦輪流量計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、維修方便、加工零部件少、流通能力打及價(jià)格低廉等特點(diǎn),已經(jīng)廣泛應(yīng)用于石油類、有機(jī)液體、無(wú)機(jī)液體、低溫液體等的精確測(cè)量。本文從設(shè)計(jì)、使用的角度對(duì)渦輪流量計(jì)做簡(jiǎn)要介紹。  
  一 測(cè)量原理 
  渦輪流量計(jì)的工作原理是根據(jù)置于流體中的葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度與流體流速成正比,通過(guò)測(cè)量葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度得到被測(cè)流體的流速,從而得到管道內(nèi)的流量值。 
  整個(gè)儀表由殼體、導(dǎo)向體(疏流器)、葉輪、軸、軸承及信號(hào)檢測(cè)器等組成。 
  渦輪流量計(jì)在管道中心安放一個(gè)渦輪,兩端由軸承支撐。當(dāng)流體進(jìn)入流量計(jì)時(shí),首先要經(jīng)過(guò)渦輪流量計(jì)內(nèi)部特殊結(jié)構(gòu)的前導(dǎo)流體并加速。在流體的作用下,渦輪葉片會(huì)與流體流向形成一定角度,這個(gè)時(shí)候渦輪就會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩,這個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩需要克服阻力力矩和摩擦力矩之后才能帶動(dòng)渦輪開始轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩、阻力力矩和摩擦力矩達(dá)到平衡時(shí),渦輪的轉(zhuǎn)速就會(huì)恒定。而且渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度與流量成線性關(guān)系。葉輪的轉(zhuǎn)速經(jīng)一副齒輪減速,同時(shí)由一個(gè)密封的磁性耦合器件將轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)傳到儀表外部的機(jī)械式計(jì)數(shù)器。利用電磁感應(yīng)原理,通過(guò)旋轉(zhuǎn)的渦輪葉片頂端導(dǎo)磁體周期性地改變磁阻,將檢測(cè)線圈檢測(cè)到的磁通周期變化信號(hào)送入前置放大器,經(jīng)過(guò)放大、整形,產(chǎn)生與流速成正比的脈沖信號(hào),送入單位與流量積算電路,得到并顯示累積流量值;同時(shí)將脈沖信號(hào)送入頻率-電流轉(zhuǎn)換電路,轉(zhuǎn)換成模擬電流,進(jìn)而指示瞬時(shí)流量值。 
  渦輪流量計(jì)的流量方程為: 
qv=f/K 
  式中,qv體積流量(m3/s),f為流量計(jì)輸出信號(hào)的頻率(Hz),K為流量計(jì)的儀表系數(shù)(脈沖數(shù)/m3)。 
  二 主要優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合 
  渦輪流量計(jì)由于其結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理使其具有以下優(yōu)點(diǎn): 
1)高精度 對(duì)于液體一般為±0.25%~±0.5%,高精度型可達(dá)到±0.15%;當(dāng)介質(zhì)為氣體時(shí),一般為±1.5%,特殊專用型為±0.5%~1%,在所用流量計(jì)中,渦輪流量計(jì)屬于最精確的。 
2)重復(fù)性好 短期重復(fù)性可達(dá)0.05%~0.2%,正是由于其具有良好的重復(fù)性,如經(jīng)常校準(zhǔn)或在線校準(zhǔn)可得極高的精確度,使其成為在貿(mào)易結(jié)算計(jì)量的優(yōu)秀解決方案之一。 
3)測(cè)量范圍寬 中大口徑可達(dá)40:1~10:1,小口徑為6:1或5:1。 
4)輸出脈沖頻率信號(hào) 適于總量計(jì)量及計(jì)算機(jī)連接,無(wú)零點(diǎn)漂移,抗干擾能力強(qiáng)。可獲得很高的頻率信號(hào)(3~4Hz),信號(hào)分辨率強(qiáng)。 
5)適用于高壓測(cè)量 儀表表體不必開孔,易制成高壓型儀表。 
6)結(jié)構(gòu)類型多,可適應(yīng)各種測(cè)量對(duì)象的需要。 
  然而沒(méi)有一種流量測(cè)量方式是完美的,在擁有以上優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)渦輪流量計(jì)的不足之處也是顯而易見(jiàn)的,在實(shí)際的選型與應(yīng)用中要尤為注意: 
1)難以長(zhǎng)期保持校準(zhǔn)特性,需要定期校驗(yàn)。對(duì)于無(wú)潤(rùn)滑性的液體,液體中含有懸浮物或具有腐蝕性時(shí),容易造成軸承磨損及卡住等問(wèn)題,限制了其使用范圍,特殊工況需要采用耐磨硬質(zhì)合金軸和軸承。有貿(mào)易儲(chǔ)運(yùn)和高精度測(cè)量要求時(shí),最好配備現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)設(shè)備,可定期校準(zhǔn)以保持其特性。 
2)不適用于較高粘度介質(zhì)(高粘度型除外),隨著粘度的增大,流量計(jì)測(cè)量下限值提高,測(cè)量范圍縮小,線性度變差。 
3)流體物性(密度、粘度)對(duì)儀表特性影響較大。氣體流量計(jì)易受到密度的影響,而液體流量計(jì)對(duì)粘度變化的反應(yīng)敏感。由于密度和粘度與溫度、壓力關(guān)系密切,在現(xiàn)場(chǎng)溫度、壓力波動(dòng)較大的情況下,要根據(jù)它們對(duì)精確度影響的程度采取補(bǔ)償措施,才能使流量計(jì)保持在較高的精度。 
4)流量計(jì)受到來(lái)自流速分布畸變和旋轉(zhuǎn)流的影響較大,一次表上下游側(cè)需設(shè)置較長(zhǎng)的直管段,如安裝空間有限,可加裝整流器以縮短直管段長(zhǎng)度。 
5)對(duì)被測(cè)介質(zhì)的潔凈度要求較高,限制了其適用領(lǐng)域,雖然可以通過(guò)安裝過(guò)濾器以適應(yīng)臟污介質(zhì),但亦帶來(lái)壓損增大、維護(hù)量增大等一系列問(wèn)題,因此在由于潔凈度較差的流體測(cè)量時(shí)要謹(jǐn)慎使用。 
6)小口徑(DN50以下)儀表的流量特性受物性影響嚴(yán)重,儀表性能難以提高。 

三、渦輪流量計(jì)的選用 
  渦輪流量計(jì)作為高精度流量測(cè)量?jī)x表被廣泛應(yīng)用于貿(mào)易計(jì)量,為滿足計(jì)量的精度要求在選用時(shí)以下幾點(diǎn)要特別注意。 
1)流體要求相對(duì)潔凈。推薦選用的流體如石油化工類:石腦油、乙烯、苯乙烯、聚乙烯、液化石油氣、天然氣、液氧、液氮、二氧化碳等;化學(xué)溶液類:氨水、鹽水、甲醇等;一般流體:水、空氣、氧氣、高壓氫氣等;有機(jī)液體:酒精、乙醚、苯、甲苯、丁二烯、四氯化碳等。 
2)不推薦選用的對(duì)象或場(chǎng)所:含雜質(zhì)多的液體,如循環(huán)冷卻水、河水、排污水、燃油等;管道壓力不高,流量較大(高流速),有可能產(chǎn)生氣穴的場(chǎng)合;電焊機(jī)、電動(dòng)機(jī)、有觸點(diǎn)繼電器的附近存在嚴(yán)重電磁干擾的場(chǎng)合等。 
3)渦輪流量計(jì)對(duì)流體粘度比較敏感,粘度增大時(shí),儀表系數(shù)的線性區(qū)域會(huì)變窄,下限流量提高。對(duì)于液體,通常用水作為檢測(cè)流體。液體粘度低于5x10-6mm2/s時(shí)可不考慮粘度影響,否則需采取措施以補(bǔ)償粘度的影響,如縮小適用范圍,使用時(shí)提高流量下限值,儀表系數(shù)誠(chéng)意雷諾系數(shù)等。 
4)必須經(jīng)常校驗(yàn)。對(duì)于管線傳輸計(jì)量,常配備在線校驗(yàn)設(shè)備。目前多在智能儀表中進(jìn)行各種影響量的補(bǔ)償,如溫圧補(bǔ)償、非線性補(bǔ)償?shù)取?nbsp;
5)一般在工作時(shí)最大流量相應(yīng)的轉(zhuǎn)速不能過(guò)高,以延長(zhǎng)使用壽命。一般情況下對(duì)于連續(xù)式工作,儀表流量上限為實(shí)際最大流量值的1.4倍,間歇工作的則為1.3倍。 
  四、渦輪流量計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中容易出現(xiàn)的問(wèn)題及相關(guān)解決建議 
  由于各種因素的影響,渦輪流量計(jì)在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中會(huì)容易出現(xiàn)一些問(wèn)題的。常見(jiàn)的問(wèn)題有以下幾種: 
  常見(jiàn)的問(wèn)題有:無(wú)信號(hào)、運(yùn)轉(zhuǎn)速度忽慢忽快、渦輪流量計(jì)不計(jì)數(shù)、負(fù)偏差增加(準(zhǔn)確度降低)以及設(shè)計(jì)流量與實(shí)際流量不匹配等等。針對(duì)上述問(wèn)題可以提出如下建議: 
1、 無(wú)信號(hào) 
  對(duì)于無(wú)信號(hào)的情況首先要檢查電源,檢查電源沒(méi)問(wèn)題后再對(duì)渦輪流量計(jì)本身進(jìn)行檢查,并判斷是一次儀表還是二次儀表的故障,如果二次儀表沒(méi)有問(wèn)題,則檢查信號(hào)線是否正確連接,如果仍然無(wú)信號(hào)輸出,也有可能是流體的流速太慢或者傳感器出現(xiàn)了問(wèn)題,導(dǎo)致檢測(cè)不到信號(hào)。 
2、 運(yùn)轉(zhuǎn)速度忽快忽慢 
  發(fā)生情況,首先可以通過(guò)調(diào)整儀表系數(shù)來(lái)控制速度,如果儀表系數(shù)變化較大,也可以檢查插入桿深度是否恰當(dāng),大多數(shù)情況下,是由于葉輪無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn),流量計(jì)內(nèi)部含有污物,可以使用鹽酸來(lái)清洗污物 
3、 流量計(jì)不計(jì)數(shù) 
  對(duì)于渦輪流量計(jì)不計(jì)數(shù)的情況,可能是由于電源或者開關(guān)接觸不良導(dǎo)致的,所以要對(duì)渦輪流量計(jì)內(nèi)部的器件進(jìn)行檢查,檢查各個(gè)部件是否出現(xiàn)故障,如果出現(xiàn)了故障,要及時(shí)修理或更換零件。 
4、精度下降 
  作為速度式流量計(jì),隨著運(yùn)行時(shí)間的增加(通常在運(yùn)行兩年后),內(nèi)部軸承會(huì)逐漸磨損,容易造成葉輪轉(zhuǎn)速變慢(與正常相比),計(jì)量負(fù)偏差增大,從而引起計(jì)量偏少的現(xiàn)象,對(duì)大流量的計(jì)量影響尤為突出。建議改善方式:與生產(chǎn)廠家及代理商積極溝通,進(jìn)行有針對(duì)性的維護(hù)或者干脆定期更換軸承。 
  渦輪流量計(jì)作為速度式流量計(jì)的主要品種,在國(guó)外液化石油氣、成品油和輕質(zhì)原油等的轉(zhuǎn)運(yùn)及集輸站,大型原油輸送管線的首末站都大量采用它進(jìn)行貿(mào)易結(jié)算。相信隨著我國(guó)工業(yè)設(shè)計(jì)與國(guó)際的不斷接軌,渦輪流量計(jì)今后的應(yīng)用會(huì)更加廣闊。 

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