文丘里流量計在線診斷技術與節能

馬琳（大慶油田工程有限公司）

隨著國家對節能減排工作的重視，并前后出臺了相應的管理辦法及政策法規，能源計量工作越來越受到重視。很多企業從節能提效的角度出發，希望計量儀表中能夠增加在線診斷或遠程校準功能。這樣既不影響生產，又能根據現場實際狀況對器具進行檢定或校準，滿足計量要求。目前，一些流量計已經實現了在線診斷功能，如超聲流量計、電磁流量計等。文中闡述了文丘里流量計在線診斷技術與節能的關系。

1 在線診斷技術與節能

能源計量是實現節能降耗的必要手段，其核心是計量器具。只有計量器具配置合理、計量準確，才能對企業的能源利用情況進行科學的統計和分析，為節能工作提供方向。針對目前油田的實際情況，大部分計量流量計存在著很大的節能潛力。根據流量計量原理可知，在流體輸送時，由于流體特性及管道的影響，流量計會產生較大的阻力，從而導致電力能源損耗加大。據調查，因流體阻力損耗的電力約占總耗電的20%。由此可見，如果能在油田生產中采取行之有效的節能措施，對降低能源損耗具有極其重要的現實意義。

目前在油田廣泛使用的差壓式流量計依然以孔板為主，但孔板存在著一個不可忽視的缺陷，即壓損過大，故孔板在完成能源計量任務的同時，卻耗費著大量的能源。隨著低壓損節能流量計受到越來越多的重視，文丘里流量計在孔板的基礎上，用一段漸縮漸擴的短管代替孔板，結構簡單且阻力損失小；而新型文丘里流量計又在傳統設計上增加了在線診斷功能。由于計量領域向著智能化、智慧化、大數據的方向發展，應用在線診斷方法成為計量技術的發展趨勢，越來越多的使用者現在已經將在線診斷功能作為流量計量系統中的一部分，這不僅降低了人工成本和運行風險，而且在節能環保上更勝一籌。文中介紹的含有在線診斷功能的文丘里流量計可以有效降低能耗。

2 文丘里流量計構成及其在線診斷原理

2.1 構成

文丘里流量計屬于差壓式流量計中的一種,它由光滑的收縮段、喉道和擴散段三部分組成。流體經過管道時，喉道斷面縮小，流速增大，動能增加，勢能減小，這樣通過在收縮段斷面和喉道斷面安裝測壓裝置，測量兩斷面的流體壓差，由恒定總流的能量方程得到管道的流量[1]。

2.2 在線診斷原理

新型文丘里流量計在設計中增加了在線診斷功能。如圖1 所示，新型文丘里流量計配有指示壓力波動的全部儀表。傳統的文丘里流量計只是讀取入口處壓力、下游溫度以及壓差，取壓口通常設計在入口處和喉部（壓力最小處）。設計中在下游擴散段增加了第三個取壓口，較之傳統設計增加的取壓口可以獲取兩個額外的壓差，即恢復壓差和永久壓差。

圖1 文丘里流量計結構示意圖

如圖2 所示，收縮段入口處與喉部的壓差ΔPt、恢復壓差ΔPr和永久壓差ΔPPPL之間的關系為

傳統流量等式為

擴散段流量等式為

PPL 流量等式為

式中：ΔPt——收縮段入口處與喉部的壓差，kPa；

ΔPr——恢復壓差，kPa；

ΔPPPL——永久壓差，kPa；

ρ——流體密度，kg/m3；

E——流量計幾何常數；

A、At——入口處的喉部的平均速度，m/s；

Y——氣體密度波動擴展系數（對于液體通常Y=1）；

Cd、Kr、KPPL——流出系數、擴展系數、PPL 系數。

圖2 文丘里流量計壓差示意圖

傳統的文丘里流量公式如式（2）所示，僅僅是流量計流量的計算[2]，隨著在下游處增加1 個取壓口，產生了另外2 個等式。由于有3 個流量等式同時表明通過同一流量計的流量，所以就有可能通過對比流量值來實現系統的自我診斷。由于3 個等式都有各自的不確定度等級（x%、y%、z%）。因此，1 臺正確運行的流量計，其任意2 個等式的流量差值不應超過其不確定度之和。

傳統/PPL 最大允許偏差為

傳統/擴散段最大允許偏差為

擴散段/PPL 最大允許偏差為

PPL/傳統比為

擴散段/傳統比為

擴散段/PPL 為

表1 為文丘里流量計在線診斷發出報警信號的判斷依據[3]。

表1 文丘里流量計在線診斷發出報警信號判斷依據

3 文丘里流量計在線診斷技術能耗分析

以DN500 管徑系統的滿管流量狀態為研究對象，分別測試孔板和具有在線診斷功能的文丘里流量計狀態。測試參數包括壓力、溫度、氣體流量和電功率，測試結果見表2。

表2 孔板與文丘里流量計測試結果

從測試結果看，本次測試所采用的具有在線診斷功能的文丘里流量計較孔板的能耗小很多[4]。

4 結束語

當節能成為關系到我國整個經濟體系的發展和企業自身利益時，其重要性不言而喻。具有在線診斷功能的文丘里流量計是一種節能儀表，同時也是能量管理中正確地選擇。實際案例表明，文丘里流量計具有如下優勢：節能環保；減少維護費用；觀測已知項目；提高操作效率；規避爭議。1 臺精準計量拓展型文丘里管流量計減少的壓損能耗，每年可為企業增收數千元到數萬元甚至數十萬元，具有廣泛推廣價值[5]。