流體黏度對容積式流量計的性能影響

吳丹（大慶油田設計院有限公司）

不同產地的原油，物理性質差異很大，且原油計量工況較為復雜，再加上人為操作、管理漏失的存在，導致原油動態計量誤差較大。計量準確性關系到原油交接雙方的利益，明確原油計量中存在的問題和因素，形成優化措施，在保障貿易交接雙方合法利益和維護國家能源安全方面具有重要意義。

目前應用于原油計量的流量計多采用容積式流量計，雖然其具有功能穩定、準確度高、測量范圍大等優點。但在輸送溫度、壓力和油品黏度變化較大時，會對其計量準確度造成影響[1]。結合實際情況，從流體黏度影響因素方面出發，對原油貿易交接中容積式流量計的計量誤差進行分析。

1 原理

容積式流量計由測量室、運動部件、傳動和顯示部件組成。測量室也叫“計量室”，它由儀表殼的內壁和運動部件一起構成一個標準體積空間。當介質通過流量計，在其進出口產生的壓力差會推動流量計的運動部件旋轉。在測量介質流動的過程中，會一次次地充滿“計量室”，計算累加充滿計量室的次數，將其與標準體積相乘，最終得到所測介質通過流量計的流量[2]。通過安裝在殼體上的電磁信號傳感器檢測后，產生電信號并經二次儀表將其轉化為對應的流量值，顯示在儀表盤上[3]。

設容積式流量計的測量誤差值為E，測量誤差公式見式（1）：

式中：V為流量計的計量室標準體積值，m3；N為一定時間內累加充滿計量室的次數；a為儀表的齒輪比（由齒輪組的齒輪比和儀表指針轉動一周的刻度值確定）。

測量誤差由儀表指示值與累計流量之差與指示值相比得出，從公式（1）可見，容積式流量計的誤差特性僅與計量室標準體積值V、儀表的齒輪比a有關。也就是說，從測量原理的角度來說，容積式流量計的測量誤差只與流量計自身的結構有關，而與流體性質和流量值無關，這個誤差特性稱為容積式流量計的理想誤差特性[4-5]，容積式流量計誤差特性曲線見圖1，曲線是一條平行于橫軸的直線。曲線2 是實際檢定得出的誤差曲線。

這是因為容積式流量計存在不可避免的漏失量現象，即流過殼的內壁與運動部件之間間隙的流體流量沒有被計量。此時計算測量的誤差見式（2）：

式中：Δg為漏失量，m3/h；q為流量，m3/h。

分析公式（2）可知，測量誤差與流量之間的關系受單位時間內的漏失量影響，假定Δg是一個定值：當q很小時，E趨于負無窮大；當q逐漸增大時，E趨于理想誤差，但是誤差不可能完全消除。

2 黏度因素對計量誤差的影響

黏度是阻止流體流動的一種物理化學性質，由于這一性質的作用，使流體在運動中受到阻力。在容積式流量計計量原理中，受機械加工水平限制，其運動部件與殼體內壁間縫隙會隨著黏度引起的表面張力作用而改變，引起不同程度的介質漏失，產生計量誤差。因此，黏度對容積式流量計計量性能具有重要作用。

2.1 黏度與漏失量的關系

影響容積式流量計漏失量Δg的最主要因素是流體的黏度，隨著流體黏度的變化，漏失量也會隨著改變。計算漏失量見式（3）：

式中：W為運動部件與殼體內壁之間的間隙寬度，mm；L為運動部件與殼體內壁之間的間隙長度，mm；η為液體的動力黏度，Pa·s；Δp為流量計前后壓力差，kPa。

從公式（3）可見，漏失量與黏度成反比關系，在高黏度液體流動時，漏失量小；在低黏度液體流動時，漏失量大[6]。

液體黏度增大可以使漏失量減小，但是會造成流量計的通過量降低。為提高流量計的通過量，一般采取的方法就是增加液體溫度，而溫度升高，會導致流量計計量室內體積增大，W增加，漏失量明顯增大[7]。每一種油品存在自身最佳計量溫度范圍，即也對應著最佳黏度范圍。在這個范圍內，流量計計量油品，計量性能穩定，計量結果準確可靠[8]。所以，在日常輸油與檢定時，都要保持適宜的溫度，既能保證流量計通過量又不會增加漏失量。

2.2 影響黏度的因素

2.2.1 壓力差

液體流過流量計所引起的不可恢復壓力差為壓力損失。容積式流量計的內部運動部件是通過流體的壓力進行作用的，為了維持穩定的運動，則存在相應的壓力差。流量計前后的壓力差受到黏度因素的影響，當黏度增大時，壓力差也隨之增大，由公式（3）得出漏失量與流量計前后壓力差成正比關系，因此，漏失量也會增大。尤其是越高黏度的流體越需要更大的能量推動運動部件，產生的壓力差就會越大。

壓力差還與液體流量以及流量計本身結構都有關系。流量越大，壓力差越大；流量計運動部件與殼壁之間的間隙越大、運動部件機械摩擦阻力越大，壓力差越大。漏失量隨壓力差變化而變化，漏失量的大小直接影響到流量計計量誤差的大小，也就說明壓力差大小影響到流量計的計量誤差。

2.2.2 溫度因素

流量計計量過程中，溫度需保持在一定范圍內，如果溫度發生變化，被計量液體的黏度、體積、密度以及運動部件的間隙都會隨之變化[9]。一般情況下，溫度升高后液體黏度下降，溫度降低后液體黏度上升，兩者成反比關系。

通常狀態下，運動部件完全浸泡在液體中，其溫度與液體溫度一致。當液體溫度升高，運動部件會受周圍液體溫度的影響而逐漸膨脹，而殼體的溫度除了受液體溫度影響外，同時還受外界環境溫度影響，因此殼體的膨脹速度小于運動部件的膨脹速度，在一定程度上縮小了它們之間的間隙，減少了漏失量。但是，溫度升高會使液體黏度降低，漏失量也會增大。溫度對于容積式流量計漏失量的影響是雙方面的，需要根據具體液體的物理化學性質以及周圍環境，設置最適合的溫度，減少溫度對流量計計量性能的影響。

通過對同一臺容積式流量計在相同介質下進行3 次試驗測試，設置測試流量點分別為50 m3/h、100 m3/h、180 m3/h，在每個流量點設置相同壓力，溫度依次減少5 ℃，流量計測試數據分別見表1、表2、表3，流量計系數曲線見圖2。

表1 流量計測試1 數據Tab.1 Test 1 data of flowmeter

表2 流量計測試2 數據Tab.2 Test 2 data of flowmeter

表3 流量計測試3 數據Tab.3 Test 3 data of flowmeter

圖2 流量計系數曲線Fig.2 Curve of flowmeter coefficient

由圖2 可以看出：在其他測試條件一致的情況下，不同溫度設置下流量計系數相差較大；第1 組測試數據顯示流量計系數最大，這是因為溫度升高，黏度降低，漏失量增大，流量計系數隨之變大；第3 組測試溫度最低，但流量計系數卻大于第2 組測試數據，說明溫度設置要符合介質物理特性，而不是只要降低溫度就會減少漏失量，減小計量誤差。

溫度變化影響黏度變化，進而影響漏失量變化。在容積式流量計計量和檢定過程中，要從計量介質的液體溫度、檢定溫度以及環境溫度等多方面考慮，維持相對穩定的工況環境，可以有效減少容積式流量計的計量誤差。尤其是計量的原油物性較差時，很小的油品溫度差變化也會產生很大的計量誤差，因此，在原油計量中要重點控制油品的溫度[10]。

3 結語

導致容積式流量計計量誤差的因素有很多，著重研究了黏度對其計量性能的影響。壓力損失、溫度變化都會引起液體黏度的變化，同時還會對流量計結構本身產生影響。由于液體黏度因素影響容積式流量計的計量誤差是不能消除的，為此，我們需要對原油計量有明確的認識，掌握容積式流量計的工作原理，從實際計量和檢定工作中發現存在的問題，并采取有效措施，降低交接雙方的經濟損失。原油的黏度受溫度影響較大，漏失量隨黏度變化而變化，這樣直接影響了流量計的計量準確度。為了提高流量計的計量準確度。建議：在檢定流量計時注意，檢定溫度和輸油溫度盡量保持一致；檢定流量計時，要根據實際的介質物理化學性質以及周圍環境，設置最適合的溫度，降低溫度因素對流量計計量性能的影響。