薄膜型LNG 船用差壓式流量計選型與應用

邱斌，李紅波，董建平

（滬東中華造船（集團）有限公司，上海 200120）

薄膜型LNG 運輸船是將液態(tài)天然氣在-163℃左右，接近大氣壓的貨艙環(huán)境下進行遠距離運輸?shù)拇埃谶\輸和轉駁過程中通常采用流量計對LNG 的流量進行測量。

根據(jù)工作原理，流量計主要分為差壓式流量計、節(jié)流式流量計、渦輪式流量計、容積式流量計、電磁流量計和旋渦式流量計[1]。鑒于LNG 的低溫特性，LNG 運輸船通常是選用差壓式流量計進行流量測量。

差壓式流量計是通過流體流經節(jié)流裝置時所產生的壓力差與流量之間的關系來進行流量測量的，具有結構簡單、重復性高、性能可靠等優(yōu)點，在石油、化工、供熱、供水、冶金、電力等領域的測量和過程控制都有廣泛的應用。

本文通過對比分析幾種差壓式流量計的工作原理和性能特點，結合LNG 船低溫管重點區(qū)域的布置特點及測量要求，形成一套LNG 船重點區(qū)域的流量計應用與選型方案。

1 差壓式流量計分類與對比

1.1 差壓式流量計概述

差壓式流量計在組成上主要包括一次裝置和二次裝置，一次裝置為檢測件，二次裝置為各類顯示儀表。通常以檢測件的形式對差壓式流量計進行分類，包括：孔板流量計、文丘里流量計、均速流量計、V 錐流量計、彎管流量計等。代表廠家主要有Emerson、Veris、Samil和Daeyang 等。

1.1.1 文丘里式流量計

文丘里式流量計一般包括文丘里管和壓差變送器，具有壓力損失小、受磁場影響小、適用溫度范圍極廣、結構簡單、造價便宜等優(yōu)點。

對于文丘里式流量計，其壓降和質量流量計算公式如下：

式中：q，質量流量；C，流量系數(shù)；F0，喉部面積；，進口工質密度；，進口與喉部之間的壓差；，孔徑比。

1.1.2 孔板流量計

孔板流量計包括節(jié)流裝置（孔板）、差壓變送器和顯示儀表三部分組成，管道內的流體在流動到孔板處時，靠近管壁處的流體向管道中心加速，從而造成靜壓力下降，形成壓差，其值隨著流量的增大而增大。如圖1-1所示，由于慣性原作用，流束的最小截面位置在截面2處，此處流速最大，壓力最低；經過截面2 后，流束擴大，在截面3 處時，流速又恢復到了之前的速度，但壓力并不能恢復，截面1 和截面3 的壓力差值，稱為壓力損失。

圖1-1 流體流經孔板截面情況

1.1.3 均速式流量計

均速式流量計是基于早期皮托管測速原理發(fā)展起來的一種新型流量計產品，具有永久性壓損小、節(jié)能量大、結構簡單、成本較低、準確度高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。

不同于常規(guī)的差壓式流量計，均速式流量計的測量壓差為平均總壓和平均靜壓之間的差值，得到其流量計算公式如下：

1.1.4 V 錐型流量計

V 錐型流量計量程比約為15，具有長期精度高、重復性好、耐磨損、測量范圍廣、安裝要求低等優(yōu)點；整流效果較好，工作溫度最高可達700℃，最大壓力達10.5MPa，其測量性能主要受到尾部流場的影響。

V 錐型流量計主要包括在測量管中的V 錐及其固定架。當流體通過V 錐時，會造成局部收縮，流速增加，因此V 錐前后將產生一定的壓力差。將流量計內的測壓裝置分別安裝在V 錐前后，以此得到壓力差值，從而計算流體流量。

1.2 差壓式流量計技術對比

不同類型差壓流量計的特性對比如表1-1 所示。

表1-1 主要差壓式流量計及其特點

其中，流量計的量程比是最大測量范圍和最小測量范圍之比，量程比越大，調整容錯就越大，不需要更換儀表；重復性是指在相同的條件下，可重復性的產生相同的結果，是判定流量計準確度的必要條件；永久性壓損是指流體在流經節(jié)流裝置后無法恢復的壓力值。

2 LNG 船用差壓式流量計工作原理

主要以LNG 船用的多孔式孔板流量計、阿牛巴流量計、威力巴流量計和艾伯特流量計為研究載體，對其布置要求、工作原理和性能特點進行探討分析。

2.1 多孔式孔板流量計工作原理

多孔式孔板流量計是由標準孔板流量計發(fā)展起來的一種新型流量計，除了擁有孔板流量計的結構簡單、安全可靠等優(yōu)勢，還具有渦流少、壓損小等優(yōu)點，其量程比約為4∶1，直管段最低要求上游約為3 D（管道直徑），下游為0.5 D。

2.1.1 永久性壓損

根據(jù)壓力損失計算公式[2]，得到多孔式孔板流量計壓力損失如下：

根據(jù)國標ISO5167-1-2003[3]壓力損失系數(shù)計算公式如下：

計算得到多孔式孔板流量計永久性壓損約為60%，而針對同一種等效直徑比和多孔板厚度的情況，中心孔徑稍大的非等徑多孔板的壓力損失系數(shù)較小。同時，適當增加孔數(shù)，對多孔式孔板流量計的性能也會有較大的提高。

2.1.2 流出系數(shù)

目前還沒有適用于多孔式孔板流量計的流出系數(shù)計算公式，利用數(shù)值模擬得到，其流出系數(shù)大約為0.8～0.96，其主要影響因素包括開孔直徑、孔距、孔板厚度和雷諾數(shù)等。和開孔率相當?shù)臉藴士装逑啾龋嗫装辶髁坑嫷牧鞒鱿禂?shù)更大，流場更加穩(wěn)定，臨界雷諾數(shù)更低，對上游旋流的抗干擾能力也更強。

2.2 T 型阿牛巴流量計工作原理

阿牛巴流量計，是一種典型的均速流量計，主要應用于高爐煤氣、壓縮空氣、蒸汽等的流量測量。T 型阿牛巴流量計屬于第五代新型阿牛巴流量計，其巴體采用T 型設計，其量程比約為10：1，直管段最低要求上游約為8D，下游約為4D，測量精度達到±0.75%，重復性達±0.1%，具有防堵性能極優(yōu)，壓損小，高精度，高重復性，高強度，高取樣率，獲得壓差信號強等優(yōu)點。

T 型阿牛巴流量計工作原理圖如圖2-1 所示。

圖2-1 多孔式孔板流量計

圖2-2 T 型阿牛巴流量計工作原理圖

圖2-3 威力巴流量計工作原理圖

2.2.1 永久性壓損

T 型阿牛巴流量計永久性壓損小，由式（2-1）及（2-2）計算得到，T 型阿牛巴流量計壓力損失系數(shù)約為2%～15%。

2.2.2 流量系數(shù)

阿牛巴流量系數(shù)計算公式表示如下[4]：

式中：c1、c2，試驗常數(shù)；B，阻塞比。

計算表明，T 型阿牛巴流量計的流量系數(shù)是恒定的，無論雷諾數(shù)為多少，其流量系數(shù)K 總是在0.75 范圍內，因此在各種流體狀況中，該類型流量計都能保持較高的測量精度。

2.3 威力巴流量計工作原理

威力巴流量計是一種新型的均速流量計，采用一體化設計，測量頭采用子彈頭線形結構，其低壓取壓孔位于探頭兩側，在流體分離點和紊流尾流區(qū)之前。具有測量精度高、性能穩(wěn)定、重復性好、信號強、防堵性好、應用范圍廣、選型簡單等優(yōu)勢。其量程比可達10∶1，直管段最低要求上游約為7D，下游約為3D，測量精度達±1.0%，重復性達±0.1%。

2.3.1 永久性壓損

威力巴流量計的壓力損失計算公式表示如下：

式中：Q，體積流量；T，基礎溫度，為0℃；Pb，基礎壓力；P，大氣壓力；C，流體常數(shù)。

由式（2-2）計算得到，威力巴流量計壓力損失系數(shù)壓力損失系數(shù)約為3%。

2.3.2 流量系數(shù)

威力巴流量計無需通過標定來確定其流量系數(shù)，其計算公式為：

式中：cb，阻滯系數(shù)；cv，直徑比，等于測量頭孔徑與管道內徑的比值；，邊界層系數(shù)。

實驗數(shù)據(jù)表明，威力巴流量計的流量系數(shù)是獨立于雷諾數(shù)的常數(shù)，其值大約為0.72 左右。

2.4 艾伯特流量計工作原理

艾伯特流量計是一種新型獨特的差壓式一次流量計，集噴嘴流量計和均速流量計特點于一身，相比于單一差壓流量計，其工作量程更大、具有差壓高、量程比高等優(yōu)點，并且可以無需直管段，適用于直管段及其有限的情況。

艾伯特流量計采用環(huán)形噴嘴設計和均速管組成，擁有獨特的流量系數(shù)，測量精度可達±0.50%。其量程比可達65∶1 左右，直管段最低要求上下游皆為0 D，相比于普通的孔板、V 錐型、均速流量計優(yōu)勢明顯。

2.4.1 永久性壓損

艾伯特流量計的壓損小，壓力損失計算原理與威力巴流量計類似，其壓力損失系數(shù)約為35%。

2.4.2 流量系數(shù)

艾伯特流量計的流量系數(shù)為獨立于雷諾數(shù)的常數(shù)，其理論值大約為0.45。

3 LNG 船用差壓式流量計選型分析

薄膜型LNG 運輸船上的低溫管（以LNG 為流體介質）主要布置在甲板面、貨物機械室、集管（通岸接口處）和甲板透氣桅排放口等位置，以此幾處位置為研究對象，對差壓式流量計應用與選型進行分析。

3.1 甲板面

LNG 船甲板面的低溫管布置具有范圍廣，直管段長，管徑大等特點，因此對流量計的直管段最低要求和測量精度要求相對較低。

針對上述特點，LNG 船甲板面在流量測量時，應優(yōu)先選用T 型阿牛巴流量計或者威力巴流量計。因為相比于其他流量計，此兩種流量計具有較好的流量系數(shù)、量程比和重復性，同時大管徑條件下優(yōu)勢更為突出，經濟性也更好。

3.2 貨物機械室

LNG 船的貨物機械室管道布置極為復雜、空間狹小管路多匯集了大量的液體管、氣體管等，對管路和設備的布置具有極高的要求。

針對上述特點，LNG 船貨物機械室在測量流量時，應優(yōu)先選用艾伯特流量計或多孔式孔板流量計，因為此兩種流量計的直管段最低要求極低，但由于孔板式流量計造價成本較高，因此若在考慮經濟性的情況下，應首選艾伯特流量計。

3.3 集管

LNG 運輸船是在集管與岸上的氣站進行LNG 裝載（或卸載），同時管徑也相對較大，因此對流量計測量精度有極高要求。

針對上述特點，LNG 船在集管處的流量測量，因其對流量計具有極高的測量精度和較好的重復性要求，應優(yōu)先選用艾伯特流量計。但考慮到艾伯特流量計的永久性壓損和流量系數(shù)較差，可視具體情況選用T 型阿牛巴流量計。

3.4 甲板透氣桅排放口

LNG 船在運輸過程中因圍護系統(tǒng)絕熱性能和船舶晃蕩等因素會不可避免的產生天然氣揮發(fā)氣（BOG,Boil-Off Gas），由于BOG 持續(xù)產生將對LNG 船液貨艙安全性產生威脅，需要及時將多余BOG 處理掉，目前常用處理方式：一是將其作為燃料為船舶提供動力，其次是利用再液化裝置將其再液化，再者通過燃氣燃燒單元（GCU，Gas Combustion Unit）將BOG 燃燒掉。如若以上三種方式還不能將多余BOG 處理掉，考慮船舶航行安全性會將多余BOG直接由甲板透氣桅排放至大氣。而由于國際海事環(huán)保組織和相關法規(guī)對LNG 船多余的天然氣排放有著嚴格要求，因此甲板透氣桅對流量計的測量精度要求極高。

針對上述特點，LNG 船在甲板透氣桅處的流量測量，應同樣優(yōu)先選用艾伯特流量計，視具體情況選用T型阿牛巴流量計。

3.5 流量計下游布置設備

除了以上四類特殊流量計布置區(qū)域之外，針對流量計下游需要布置設備的情況，也需要特別注意。對于下游布置諸如壓縮機等設備對流體壓力具有嚴格要求，為了避免造成設備二次選型，從而造成成本增加等問題，對于流量計選型應充分考慮該因素。

針對上述特點，LNG 船在流量計下游布置設備時，應優(yōu)先選用T 型阿牛巴流量計或者威力巴流量計，兩種流量計具有永久性壓損極小與較好的測量精度和重復性。

4 結語

本文以用于薄膜型LNG 船常見的幾種差壓式流量計為研究載體，對比分析了不同類型差壓式流量計的布置要求、工作原理和性能特點。針對LNG 船的甲板面、貨物機械室、通岸接口處、甲板透氣桅和下游布置設備等典型區(qū)域，分析了不同應用區(qū)域對傳感器布置和性能不同要求，提供了流量計選型考慮因素和流量計選型推薦，可為LNG 船的建造過程中流量計的選型提供借鑒與參考。