1953年出現(xiàn)的早期螺旋葉片渦輪流量計(jì)主要用于航空飛行器內(nèi)部燃料油的傳輸消耗計(jì)量。20世紀(jì)60年代中期,螺旋渦輪流量計(jì)開(kāi)始進(jìn)入歐洲油氣工業(yè)計(jì)量,在北海嚴(yán)酷環(huán)境下表現(xiàn)出良好的原油計(jì)量性能。 1994年美國(guó)引入雙螺旋渦輪流量計(jì),2000年API頒布MPMS 5.3 《用渦輪流量計(jì)計(jì)量液態(tài)烴》,對(duì)包括螺旋渦輪在內(nèi)的渦輪流量計(jì)使用進(jìn)行規(guī)范。

  傳統(tǒng)渦輪流量計(jì)雖然具有良好的測(cè)量精度和響應(yīng)特性,但對(duì)介質(zhì)黏度、溫度和壓力較敏感,難以保持在多變條件下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展和完善,螺旋渦輪流量計(jì)克服了上述缺點(diǎn),將渦輪流量計(jì)適用黏度擴(kuò)展至高黏原油,成為一項(xiàng)應(yīng)用前景廣闊的新型液態(tài)烴流量計(jì)。該流量計(jì)采用一體化車(chē)制的螺旋形葉片,既保持了傳統(tǒng)渦輪流量計(jì)精度高、壓降低、響應(yīng)快、質(zhì)量輕、體積小以及維護(hù)安裝方便等諸多優(yōu)點(diǎn),又具有了葉片結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、適應(yīng)黏度范圍大、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好等新特點(diǎn)。

  目前,螺旋渦輪流量計(jì)主要有法國(guó)Faure-Her- man HELIFLUTMTZN型雙螺旋渦輪流量計(jì)、 美國(guó)Emerson Smith公司生產(chǎn)的MV系列螺旋渦輪流量計(jì)和其旗下Daniel公司生產(chǎn)的1500系列螺旋渦輪流量計(jì)等,主要用于石油產(chǎn)品管輸計(jì)量、油輪及海上平臺(tái)原油計(jì)量和油庫(kù)管理等,其中HELIFLUTMTZN型雙螺旋渦輪流量計(jì)標(biāo)稱長(zhǎng)期穩(wěn)定性大于5年。幾種典型液態(tài)烴貿(mào)易交接用螺旋渦輪流量計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

  螺旋型與傳統(tǒng)型渦輪流量計(jì)明顯不同之處是, 螺旋渦輪流量計(jì)轉(zhuǎn)子上只有2個(gè)螺旋型葉片,而不是傳統(tǒng)型的多葉片型式,如圖1所示。螺旋渦輪流量計(jì)在測(cè)量高黏性原油時(shí),可減少原油在轉(zhuǎn)子界面層的積滯?？趶綖? in (1 in=2.54 cm) 的傳統(tǒng)型和螺旋渦輪流量計(jì)轉(zhuǎn)子,當(dāng)轉(zhuǎn)子界面層厚度都增加0.001 in時(shí),會(huì)導(dǎo)致傳統(tǒng)型渦輪流量計(jì)流動(dòng)剖面面積產(chǎn)生0.3%的變化,螺旋渦輪流量計(jì)只產(chǎn)生0.1% 的變化,即傳統(tǒng)型受影響程度是螺旋型的3倍。流動(dòng)剖面面積的改變直接影響流體通過(guò)流量計(jì)的速度,進(jìn)而影響流量計(jì)的準(zhǔn)確度。另外,螺旋型轉(zhuǎn)子葉片的形狀、安置角度等,也可以改善轉(zhuǎn)子葉片周?chē)牧鲃?dòng)狀態(tài),降低儀表對(duì)流體黏度的敏感性,提高儀表穩(wěn)定性和使用年限。螺旋渦輪流量計(jì)拓展了傳統(tǒng)型渦輪流量計(jì)的測(cè)量范圍,對(duì)原油計(jì)量有更好的適應(yīng)性。

  與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比,螺旋渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單,布局更加合理,其應(yīng)用范圍已覆蓋部分容積式流量計(jì)的***佳黏度范圍[1],如圖2所示。而且它只有一個(gè)可動(dòng)部件,并采用高強(qiáng)度碳化鎢作軸承,采用鈦或鋁作轉(zhuǎn)子,可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期的穩(wěn)定性和可靠性。 根據(jù)Faure Herman提供的資料,雙螺旋渦輪流量計(jì)在國(guó)外原油計(jì)量應(yīng)用中,曾連續(xù)使用7年流量計(jì)系數(shù)幾乎沒(méi)有變化。

  2004年2月至5月,大慶油田工程有限公司曾對(duì)法國(guó)Faureman Herman公司一臺(tái)配有標(biāo)準(zhǔn)直管段的TZN100-300型螺旋渦輪流量計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室性能測(cè)試。 該臺(tái)流量計(jì)口徑為DN100 mm, 計(jì)量準(zhǔn)確度± 0.15%,重復(fù)性優(yōu)于0.02%,流量范圍30~300 m3/h。 測(cè)試內(nèi)容包括水裝置測(cè)試和原油測(cè)試兩部分,原油測(cè)試依據(jù)美國(guó)石油協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API MPMS5.3進(jìn)行[2]。

  水裝置測(cè)試溫度約為10 ℃,表壓約為0.3 MPa, 密度約為999.7 kg/m3,黏度約為1.31 c St,共測(cè)試4個(gè)流量點(diǎn),每個(gè)流量點(diǎn)測(cè)3次,測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

  原油測(cè)試油溫約為70 ℃,表壓約0.45 MPa,密度約980.0 kg/m3, 黏度約25 c St, 共測(cè)試5個(gè)流量點(diǎn),每個(gè)流量點(diǎn)測(cè)3次,測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

  TZN100-300螺旋渦輪流量計(jì)以水和原油為介質(zhì)進(jìn)行9組測(cè)試,重復(fù)性誤差均不超過(guò)0.02%,測(cè)試誤差不超過(guò)±0.2%,如圖3所示。

  圖3中淺灰色區(qū)域?yàn)?.2級(jí)流量計(jì)的K系數(shù)允許波動(dòng)范圍。從圖3及測(cè)試數(shù)據(jù)中可以看出,在以原油和水為介質(zhì)開(kāi)展的流量測(cè)試范圍內(nèi),該流量計(jì)測(cè)試誤差及重復(fù)性均符合0.2級(jí)測(cè)量準(zhǔn)確度要求, 原油測(cè)得的線性度優(yōu)于水。

  以水為介質(zhì)獲得的平均K系數(shù)為1 617.56 N·m-3, 較以原油為介質(zhì)獲得的平均K系數(shù)(1 597.71 N·m-3) 正向相差19.85 N · m- 3, 約為平均K系數(shù)的1.23%?？梢?jiàn),介質(zhì)黏度依然對(duì)流量計(jì)K系數(shù)影響較大。

  2004年,公司購(gòu)置一臺(tái)TZN100-200型螺旋渦輪流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表,用于海上油輪的體積管檢定。該流量計(jì)口徑為DN100 mm,計(jì)量準(zhǔn)確度±0.15%, 重復(fù)性優(yōu)于0.02%,流量范圍20~200 m3/h。

  在檢定海上油輪船載體積管時(shí),需在檢定前后,利用活塞式體積管以現(xiàn)場(chǎng)原油為介質(zhì)檢定兩次渦輪流量計(jì),取兩次K系數(shù)平均值。在檢定船載體積管時(shí),將船載體積管與渦輪流量計(jì)串聯(lián),記錄體積管運(yùn)行一周期渦輪流量計(jì)所產(chǎn)生的脈沖數(shù),利用此脈沖數(shù)與K系數(shù)平均值的乘積算出船載體積管的標(biāo)準(zhǔn)體積,將標(biāo)準(zhǔn)量值傳遞給體積管。

  該流量計(jì)自投用3年來(lái),共完成7次船載體積管的檢定,檢定數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

  TZN100-200螺旋渦輪流量計(jì)作為船載體積管檢定用的標(biāo)準(zhǔn)表,在2005年至2007年14次檢定中,重復(fù)性均不超過(guò)0.02%,顯示出良好的穩(wěn)定性。

  從對(duì)TZN型螺旋渦輪流量計(jì)的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)使用測(cè)試情況來(lái)看,螺旋渦輪流量計(jì)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和可靠性,較傳統(tǒng)渦輪流量計(jì)對(duì)介質(zhì)的黏度不敏感,在不同介質(zhì)測(cè)試中的重復(fù)性極佳,在原油測(cè)試中具有較好的線性度,能夠滿足包括原油在內(nèi)的液態(tài)烴貿(mào)易計(jì)量的要求。