V 錐形流量計在浮式液化天然氣上的運用

肖 鵬

惠生（南通）重工有限公司 江蘇南通 226000

V 錐流量計具備錐形管的特殊結構，能夠對流經錐體的流體速度分布梯度進行調整，消除漩渦二次流，降低V 錐流量計前后直管段的要求。V 錐流量計安裝成本低、量程比寬、信號穩(wěn)定、值范圍寬。

1 V錐流量計的工作原理和結構特點

1.1 V錐流量計的工作原理

V 錐流量計作為1 種差壓式流量計，其基本理論是可以在密閉管道中進行能量相互轉換的伯努利原理。結合流動連續(xù)性原理，可以推斷在穩(wěn)定流場情況下，管道中的流速與錐體前后差壓的平方根呈正比例函數關系。測得錐體上下游的壓力得出差壓即可實現流量測量。V 錐流量計結構見圖1。

圖1 V錐流量計結構

體積流量與差壓的關系由下式確定如式（1）所示。

式中：D——工況下測量管的內徑，m；

1.2 V錐流量計與其他節(jié)流裝置的比較

V 錐流量計將“流體收縮到管道中心”的概念改變?yōu)椤笆湛s到管道的內邊壁”。當流體流經錐體與測量管道之間的環(huán)形通道時，流體逐漸向管內壁平滑收縮，錐體前后產生差壓，實現流量測量。錐體在管線中心位置的測壓點的流量速度剖面最佳，可以在不考慮上游流動狀況的情況下，獲得高精度、高可靠的流量測量。

孔板采用“中心突然收縮式”的節(jié)流方式。流體流經節(jié)流件時，未對速度割面進行整形，在管道中心線附近突然性的形成局部收縮?？装迨菐в型幕蚱膱A形開孔的一塊金屬薄板。當流體流經圓形開孔時，管道橫截面積的突然減小使流體局部收縮，在孔板下游形成幅度較大的漩渦。因為測壓點需要位于流體流場較穩(wěn)定的區(qū)域以保證其測量精度和重復性，在安裝時對直管段長度要求（一般前10D、后5D）。另外，漩渦會造成差壓信號中的噪聲增大，量程比縮小，測量精度降低，由能量守恒可知，漩渦會增大壓損?？装宓慕Y構特點還會使孔板前極易積污，對內孔銳角線磨損從而難以保證精度，使流出系數不穩(wěn)定。

文丘里管采用“中心逐漸收縮式”的節(jié)流方式。即流體流經節(jié)流件時，在收縮段逐漸收縮后，才會流經管道中心線附近的喉道，通過擴散段逐漸擴大的管道流出。文丘里管先逐漸收縮而后逐漸擴大的特點，能夠對流體速度分布梯度有效整流，壓損較小，流出系數接近1。但是文丘里管在使用過程中喉部的磨損嚴重，無法長期保持測量精度。而且文丘里管漸縮漸擴的結構特點，對上下游直管段具有要求，在測量濕氣體、冷凝物以及固液兩相介質的流量時容易被堵塞。

孔板、文丘里管等老式差壓式流量計由于其結構上的缺陷，無法滿足FLNG 領域流量測量的需求。而V錐流量計是對傳統(tǒng)節(jié)流式流量計改進完善后的器件，其結構特點不僅解決已有差壓式流量計的缺陷，而且還有其他測量原理的流量計不具備的優(yōu)點。

2 V錐流量計的性能特點

2.1 V錐流量計的優(yōu)勢

流體在接近V 錐體流動時產生扁平的流態(tài)分布，V 錐流量計可以比其他差壓流量計更接近上游擾動處工作。V 錐流量計的建議安裝距離為上游直管段直徑的0～3 倍和下游直管段直徑的0～1 倍。單個或雙個彎頭在同一平面或接近儀表上游時，V 錐流量計仍然可以產生扁平流態(tài)。當不同流態(tài)接近錐體時，始終會產生一個可預測的流態(tài),保證儀表精確的測量。

V 錐一次元件的精度可以達到±0.5%。V 錐一次元件的重復性高達0.1%?？梢詼y量較低雷諾數范圍（Re≥8000）的流量。典型V 錐流量計的量程比為10∶1。選擇合適的參數時，可以達到更高的量程。

錐體的輪廓形狀將流體方向限制為朝向管道的內邊壁，不清潔的流體不會對錐體邊界層產生沖擊，并且不易磨損邊緣。其β 值長期不變，流量計不需要重復標定，具有長期的精度穩(wěn)定性。

流體在流經節(jié)流件時，會產生“卡曼旋渦”現象，在流量穩(wěn)定條件下，對差壓檢測產生干擾而形成“信號波動”。孔板流量計會在孔板下游處形成渦流，呈高幅低頻的孔板信號，影響流量計的讀數。而V 錐流量計的結構是邊壁逐漸收縮節(jié)流，與錐體后部產生的干擾流大小相同方向相反而相互抵消，對信號擾動很小，在低壓流場也能夠呈現高頻低幅的壓力脈動，且噪聲小、信號穩(wěn)定。

V 錐流量計可以在低差壓力下正常運行，永久壓力損失低。V 錐流量計的結構特點允許有很寬的比范圍。標準的比范圍為0.45、0.55、0.65、0.75 和0.85。

V 錐流量計“掠過型”的設計理念，會對流體中的殘渣、凝結物或顆粒形成吹掃沖刷作用，因此可以保持錐體長期清潔。

上述短渦流使V 錐下游的流體完全混合，在很多需要即時和完全混合的應用中，V 錐常被用作靜態(tài)混合器。

2.2 V錐流量計的局限性

V 錐流量計檢測元件是錐體，流量計的流出系數受錐角大小、下游取壓口位置、錐體最大截面處軸向長度等參數的直接影響，但是目前各個廠家尚未形成統(tǒng)一規(guī)范，V 錐流量計仍需遵循逐臺實流標定的原則。但是標準節(jié)流裝置（標準孔板、標準噴嘴和標準文丘里管）能夠達到國際標準ISO- 5167，按照國際標準進行設計、制造、安裝和使用。

錐體的結構特點使得其無法滿足雙向流的流量測量要求。與標準節(jié)流裝置相比，V 錐流量計用料更多，加工工藝要求嚴格，逐臺標定費用高，使其售價較高。但綜合考慮并權衡節(jié)流裝置購買價及安裝費用、維護費用、因壓損造成的能量損失等因素，V 錐流量計的總體費用是更合理的。

3 V錐流量計在FLNG裝置上的應用優(yōu)勢

陸上工廠擁有大量空間，對儀表占地要求不高，但是在空間擁擠的海上，需要盡可能地減少空間的使用。FLNG 裝置設計緊湊，實際工作環(huán)境還涉及顛簸、腐蝕等諸多問題，因此甲板上的生產裝置詳細設計與陸地同規(guī)模工廠的設計完全不同。V 錐流量計只需極短的直管段就能取得精確的測量值，其直管段要求如下：

（1）氣體測量，雷諾數范圍（Re）>200000，V 錐流量計測量氣體的上游和下游的最小直管長度見表1。若≥0.65，表中的直管段長度需要增加1D。

表1 V錐流量計測量氣體的上游和下游的最小直管長度

（2）液體測量，雷諾數范圍（Re）>200000，V 錐流量計測量液體的上游和下游的最小直管長度見表2。若≥0.65，表中的直管段長度需要增加1D。

表2 V錐流量計測量液體的上游和下游的最小直管長度

V 錐流量計的使用流體非常廣泛，低、高流速的流體均可以準確測量；V 錐流量計規(guī)格齊全，適用口徑DN15（1/ 2”）～DN3000（120”），公稱壓力0～2500lb，工作溫度- 200～800℃；且安裝方式靈活，可以選擇管道法蘭式、直接焊接式、方管式安裝。V 錐流量計在惠生海工為Exmar 以EPCIC 模式總承包建設的FLNG（設計液化能力約50 萬t/ a 的LNG）中得到了成功應用，在惠生海工的FLNG 標準化項目（設計液化能力300 萬t/ a 的LNG）也有選型應用。

需要將液體和氣體流量計放在近海平臺、浮式生產儲油和卸油的船、海底裝置這些場所時，具有自調節(jié)功能的V 錐近海流量計所需要的運行直管段比其他流量計少70%，可以產生不動產和安裝成本方面的巨大節(jié)省，節(jié)省的成本能夠超過儀表本身的成本。

4 結語

V 錐流量計具有高精度、自清潔功能、實用性強、運行穩(wěn)定可靠、長期穩(wěn)定性好等優(yōu)勢，極大地方便了生產，滿足生產計量的需要。且V 錐流量計的結構決定其不需要長的運行直管段或者流量調節(jié)儀表，安裝條件的局限少，在空間緊缺的FLNG 裝置上是流量測量儀表選型的重要參考因素。