毕业论文-船舶燃油流量计的选型及应用

1、船舶燃油流量计的选型及应用前言现在船舶在加装燃油时，受、供方普遍采用测量油舱液位的办法来确定燃油加装的量，这是不准确而且繁杂的一种方法。因为舱容表一般都会有一定的误差，而且通过测量液位来确定舱容的方法受船舶吃水横倾、纵倾的影响较大。在实际燃油加装受供双方经常会在加油数量的问题上产生分歧，影响船舶的正常运营。但是假如在加油时使用燃油流量计，可以对燃油加入数量做到一目了然，再辅以油舱液位的测量则可以确保加油数量的准确无误。现在市场上存在着种类繁多的流量计，对设计人员选型造成了一定难度。不同类型的流量计特点也不同，在选择时针对船舶燃油的特点选择一种合适的流量计，可以取得很好的测试效果。本文以几种常用

2、的液体流量计为例，介绍流量计的测量原理，并结合“育鲲”轮上加装燃油的实际情况浅析船舶流量计在选型中应注意的问题。1流量计的类型及原理1.1流量计的分类测量管流或明渠流中流量或总量的仪表统称为流量计1。流量测量方法和仪表的种类繁多，其测量原理、结构特性、适用范围及使用方法各不相同。至今为止，可供工业使用的流量仪表种类达60多种4。品种如此之多的原因就在于至今还没找到一种对任何流体、任何量程、任何流动状态以及任何使用条件都使用的流量计。流量计的分类方式有多种，按不同的分类原则，分类方法也不相同，按原理分类，流量计可分为容积式、速度式和差压式三类。目前比较流行的一种分类方法是从测量方法和结构分类，则

3、可分为：差压式流量计、容积式流量计、浮子流量计、叶轮式流量计、电磁流量计、流体振荡流量计、超声流量计、质量流量计、插入式流量计、明渠流量计和其他流量计共11大类1。1.2流量计的原理流量计种类众多，在选型之前了解各种流量计的工作原理是必不可少的，下面选择几种常见的流量计分简述其工作原理。1.2.1差压式流量计差压式流量计，是应用流体流经节流装置所产生的静压差来测量流量的一种流量计。差压式流量计的工作原理如下：让流体流经一个节流元件，流体流线在节流元件处形成局部收缩，流体速度加快，根据能量守恒定律，在液体被加速处它的静压力会降低一个相对应的值。如图1，通过测量节流元件前后和处的压力差，以流动连续

4、性方程和伯努利方程为基础，根据前后压差大小即能得出流量的大小。差压式流量计由检测件、差压信号管路和差压计组成，是目前应用最广的一类流量计。通常用节流装置对差压式流量计分类，如孔板流量计、文丘里管流量计和均速管流量计等。压差计为各种机械、电子、机电一体式压差计、差压变送器及流量显示仪表。差压式流量计是目前工业生产中用来测量气体、液体和蒸汽流量的最常用的一种流量仪表。据调查统计，在整个工业流量测量领域中，差压式流量计占流量仪表总数的一半以上。其中用的最多的是由节流装置和压差计组成的节流式流量计。图一 孔板流量计原理图1.2.2容积式流量计容积式流量计，又称定排量流量计，内部设计有构成一定容积的空间

5、，在从流入口流入流体的压力作用下流量计内部转子转动，随着转子的转动，使流体从流入口流向排除口。在转子转动过程中，流体一次次地充满流量计的“计量空间”，在给定流量计的条件下，计量空间的体积是一定的，所以只要测得转子转动次数，就可以得到流过流量计的流体体积3。容积式流量计主要根据测量元件分类，可分为椭圆齿轮流量计、刮板流量计、双转子流量计、旋转活塞流量计、往复活塞流量计、圆盘流量计等。图二 椭圆齿轮流量计原理图1.2.3叶轮式流量计叶轮式流量计是一种速度式流量计，主要有：涡轮流量计、水表、叶轮风速计、旋进旋涡流量计等。这里面涡轮式流量计是使用范围最广的一种，它利用置于流体中的转速来反应通过管道的体

6、积流量大小，是目前流量仪表中比较成熟的高精度仪表。涡轮流量计由涡轮流量传感器和流量显示仪表组成，可实现瞬时流量和积累流量的计量。涡轮流量计的工作原理为：当被测流体通过涡轮流量传感器时，流体通过导流器冲击力对涡轮产生转动力矩，使涡轮克服机械摩擦阻力矩和流动阻力矩而转动。实践证明，在一定的流量范围内，对于一定的流体介质粘度，涡轮的旋转角速度与通过涡轮的流量成正比。所以，可以通过测量涡轮的旋转角速度来测量流量。1.2.4浮子流量计浮子流量计，又称转子流量计，是变面积式流量计的一种。浮子流量计结构主要由一个向上扩张的锥形管和一个置于锥管中可以上下自由移动的浮子组成，流量计两端垂直地安装在测量管路上，使

7、流体自下而上地流过流量计，推动浮子。在稳定工况下，浮子悬浮的高度与同过流量计的流体之间有一定的比例关系。因此根基浮子显示的高度可以得出通过的流体的体积。1.2.5电磁流量计电磁流量计的测量原理是基于法拉第电磁感应定律：导电液体在磁场中做切割磁力线运动时，导体中产生感应电势。测量时，导电性液体以一定速度流过垂直于流动方向的磁场，导电性液体的流动感应出一个与平均速度成正比的电压，通过测得电压值可以得出流量。此种流量计由传感器和智能信号转换器组成，它能测量各类导电液体的体积流量。图三 电磁流量计原理图1.2.6旋涡流量计旋涡流量计是利用流体振动原理来进行流量测量的。在特定流动条件下，流体一部分动能产

8、生流体振动，而且振动频率与流体的流速或流量有一定的关系。这种流量计可分为自然振荡的卡门旋涡分离型和流体强迫振荡的旋涡进动型两种。前者称为涡街流量计，后者称为旋进旋涡流量计。旋涡流量计中最主要应用是涡街流量计。下面仔细涡街流量计的原理。把一个非线性型阻流体垂直插入管道中，随着流体绕过阻流体流动，产生跗面层分离现象，形成有规则的旋涡列，左右两侧旋涡的旋转方向相反。这种旋涡成为卡门涡街。根据卡门的研究，这些涡街多数是不稳定的，会产生旋涡分离。涡街流量计是根据旋涡脱离旋涡发生体的频率与流量之间的关系来测量流量的仪表。涡街流量计可以测量液体流量，也可以测量气体流量。该流量计不受流体的压力、温度、粘度、密

9、度、成分的影响，而且水的特性与空气的特性基本一致1。图四 涡街流量计原理图1.2.7超声流量计超声流量计是20世纪70年代随着集成电路技术迅速发展才开始得到实际应用的一种非接触式仪表。一般的说，超声流量计是测量体积流量计值的，超声流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示和积算系统三部分组成。超声波换能器将电能转换成超声波能量，将其发射并穿过被测流体，接收器接收到超声波信号，经电子线路放大并转换为代表流量的电信号，供显示积算仪显示和积算，这样就实现了流量的检测显示。超声流量计的测量原理，就是通过发射换能器产生超声波，以一定的方式穿过流动的流体，通过接收换能器转换成电信号，根据超声波在流体中，顺流

10、传播的时间与逆流传播的时间之差与被测流体的流速有关，通过比较电信号，得出流速。2各类流量计性能比较流量计的种类很多，原理性能也不尽相同，每种流量计都有各自的优缺点和适用范围，以下选取几种常见的液体流量计做比较分析研究：类型优点缺点适用范围压差式流量计1结构简单牢固，性能可靠，适用寿命长；2检测件与变送器、显示仪表分别由不同厂家生产，便于规模生产，设计加工已标准化；3对工作状态和液体流动条件等因素要求较低；1测量精度普遍偏低，液体温度压力等因素改变会影响测量值；2测量范围窄；3压力损失大；4现场安装条件高；应用范围很广，适用于各种液体容积式流量计1测量精度高；2量程范围宽；3安装条件对测量影响低

11、；4直读式仪表无需外界能源，总量清晰明了；1结构复杂，体积较大；2工作条件局限性大；3对液体中杂质很敏感，容易产生噪声；4测量中给流体带来脉动，甚至使管产生振动只适用于洁净的单相流体，不适用于高、低温场所涡轮流量计1精度高；2测量范围宽；3重复性好，安装维修方便；4压力损失小，耐高压，耐腐蚀；1不能长期保持校准特性；2流体物性对流量特性有较大影响；3对被测液体清洁度要求高适用于清洁的无腐蚀性的气体或液体，可用于大、中、小流量浮子式流量计1结构简单，价格低廉；2压力损失较低，有较宽的测量范围精度；1应用局限于中小管径；2介质改变要做流量指示修正；应用范围广，特别适用于小、微流量的测量；电磁流量计

12、1不会产生压力损失；2所测体积受外界条件影响少；3流量范围大；1不能测导电率低的液体；2不能用于高温场所；3成本高仅适合于导电液体，石油等液体不能测量；旋涡流量计1适用于流体总量测量，无零点漂移；2测量精度高，测量范围大，压力损失小；3结构简单牢固、维护方便；1对安装条件要求高；2不适用于低雷诺系数流体；3容易发生气蚀现象；适用于液体，气体，蒸汽的测量。但是两项流、脉动流无法正常测量；超声流量计1适用于大流量场合，测量范围宽；2对介质无要求；3准确度高，不受被测流体温度、压力、密度等参数的影响；1安装调试较复杂；2价格较高；使用范围广；3流量计选型注意事项面对如此繁多的流量计，如果没有一个合理

13、的选择步骤，贸然进行选择，则很难选出一个合适的仪表。如果选用仪表不当，不但最初测量的目的难以达到，还很有可能给整个系统带来故障。如“育鲲”轮上，主机供油单元中，测量燃油体积的仪表选用的是螺杆式流量计，在主机轻油换重油时由于温度改变、燃油中杂质增多，使螺杆磨损卡死，不能测量。合理的流量计选择应该遵循以下程序进行。首先，应该明确流量计的使用目的，然后考察所测液体的流体性质和流量计的性能，在逐一确定后则要考虑安装条件和具体工作条件，最后在经济性条件允许情况下做出选择4。3.1使用目的在流量计选择之初即要明确这一点，确定是要测量体积流量还是质量流量，是要测得累积流量还是瞬时流量。结合船舶在加油过程实际

14、情况分析，在测量时主要是要求测量体积流量，再根据体积流量和所加燃油的密度计算得出质量。在测量过程中，主要需要测得的数据是累积流量，对于瞬时流量只要保证不超过一个极限值就可以，没有过多的要求。在众多流量计中，容积式流量计和涡轮式流量计等，靠计数或脉冲数来获取累积流量值，较适合测量总量。而超声流量计、电磁流量计则是靠测量流速来换算出流量，更适合测量瞬时流量。3.2流体性质通常在选型时人们重视对使用仪表的工作原理和性能的了解，而往往忽略了对被测流体性质的准确掌握，实际上这些因素对流量计正确选择和测量时非常重要的，所以在选型时第二点要明确的是流体的性质。流体的性质主要包括：液体种类、物性、流动状态、流

15、体相的组成、流体流量范围等。液体的种类是确定要测的流体是水、燃油或是空气等其他物质。物性是要清楚流体的密度、粘度、压缩和膨胀性、气体的熵指数等。例如一种液体的粘度变化很大，在使用过程中如选择浮子流量计，就会影响流量计的测量值。流动状态主要是确定流体的速度分布、是层流还是湍流等问题。流体相的组成主要是明确流体中是否还有杂质，浓度是多少。如果一种液体杂质很多，此时再选用高精度的双螺杆式流量计，就很容易造成转子的磨损。流体流量范围与流量计量程选择直接关联，是一个很重要的参数。3.3流量计的性能流量计的性能主要体现在流量范围、线性度、重复性和准确度1。流量范围是由最小流量和最大流量所限定的范围，在选型

16、时要注意流量计在正常使用条件下不能超过这个范围。线性度表示在整个流量范围内流量特性曲线与规定直线之间的一致程度。根据这一特点流量计输出可分为有线性和非线性平方根两种。非线性误差对于流量范围大的脉冲输出型流量计影响很大。重复性指的是各项条件不变的前提下，对同一被测量多次测量所得结果的一致性。一般重复性越高，则表示测量值越集中。准确度是表示测量值与实际值的吻合程度。仪表准确度越低，误差就越大，测量值和实际值偏差就越大。在确定准确度时要根据实际测量的精度要求来选择。3.4 工作条件在流量计工作时，影响其测量的工作条件主要有温度、电磁干扰。容积式流量计是用定容积容腔来衡量流量的，构成容腔的机械部件的材

17、料一般都是用钢材制成。在温度低时变脆，温度高时膨胀，使其低温下压力收到限制。例如“育鲲”轮上主机燃油粘度单元中的双螺杆式流量计，在轻重油转换时就经常使转子卡死，就是这个原因。除了以上等几种条件要考虑，因为船舶工作环境的特殊性，不同于陆地，在为船舶选择流量计时，还应结合船舶的实际工作环境，考虑其他的可能对流量计产生影响的各种因素。船舶在水上航行时不可避免要受到诸多因素的影响，如振动、倾摇、冲击、侵蚀和气候的突变等，使用环境是相当恶劣的。为了保证仪表在实际使用中能可靠精确地运行，在选型时必须考虑船用要求。3.5安装条件 安装条件取决于现场空间、方位的要求。特定的仪表有特别的要求，因此安装条件应给与

18、充分重视。例如容积式常常要求传感器的安装方向和流动方向分别是水平、垂直和水平，特别是容积式流量计，对杂质敏感对过滤精度有要求，有时需加过滤装置；而浮子式流量计对流速比较敏感，因此为了消除对测量的影响，当受空间限制时，也有加流动调整器的。因此在安装时要考虑到工作地点的空间和方位。3.6经济性经济性不仅仅指够置流量计所需的费用，也包括运行维护的费用。一般来时，差压式流量计的活动部件少，结构相对简单，购买时费用便宜，在使用时相应的维护费用也较低。而容积式流量计与其相反，活动部件多，结构相对较复杂，因此经济性上来讲不及差压式流量计。在实际操作中，根据以上这个流程，再加上设计者的经验，应该可以有个大概的

19、选择，但这还远远不够，设计者还要关注技术革新，仔细阅读具体产品的说明书，借鉴其他工程师的经验，这样才能做出最合理的选择，达到预期的目的。图五 流量计选型流程图4.船舶加装重油流量计的选型本章将结合船舶加装重油实际条件，以“育鲲”轮在2012年三月份一次重油加装为实例，分析重油特点和加油时的条件，对流量计做出合理选型。根据第三章介绍的选型方法流程，在此结合实例，对其进行运用，对流量计进行选型。在选型结束后，根据船舶的实际需要，对传统流量计进行改进，以使其更好的满足对流量计的要求。4.1.使用目的在加装燃油时使用流量计的目的，就是为了测量加装燃油时供油总数。测量时倾向于测得加装燃油的体积流量，再根

20、据燃油密度计算得出燃油加装的总吨数。在累积流量和瞬时流量的选择上，应以测得累积流量为首，瞬时流量的精度要求不是很严格，在燃油加装时只要保证最大流量不超过一个极限值就可以。对于燃油流量测量精度，4.2燃油的性能燃油是一种粘度随温度变化较大的混合液体，其内部有很多的杂质。一般在燃油加装时，是通过一根封闭的输送管路来实现的。“育鲲”轮在三月份加装燃油的油种类是F120，在20时的密度为981.6/m3。结合燃油的这些性能，和上文中介绍的各种流量计性能分析比较，容积式流量计和涡轮流量计虽然精度高，但是对流体清洁型要求很高，因此作为燃油流量计不适合选用；电磁流量计仅适用于导电液体，因此在这里也不适用。4

21、.3燃油流量计的工作条件燃油流量计在工作时，通过流量计燃油的温度大概是40，商定泵速为12m3/n,商定的最大泵压为0.4MPa,此次加装燃油的数量为240t。根据这几项数据，在进一步的流量计的选择中，浮子式流量计也应进行排除，根据浮子流量计的特点，设和测量小流量的流体，而燃油加装时量很大也不适宜选用。旋涡流量计是利用流体振荡原理工作的，传感器安装时应避开强烈震动，但是根据船舶工作条件，震动和噪声都很大，如果选用了旋涡流量计，在实际使用时，就会使测量精度大大受到影响。在这可大体确定差压式流量计和超声流量计都满足要求。这几种流量计应用范围很广，适用于多种液体。4.4燃油流量计的安装条件压差式流量计除了标准规定设计加工节流件、取压装置和选用符合要求的测量管外，还应正确安装节流装置、差压计以及节流装置与压差计之间的压差信号管路。其中节流装置安装时的管道长度是最主要的制约条件，要求安装在有恒定横截面积的两段圆直管道之间，节流件上游有10倍于管径的长度，下游有4倍于管径的长度。在加装燃油时，使用的是一段长管，从供方船舶驳运到受方船舶，流量计对管道长度的要求很容易满足，所以流量计的安装条件能够满足。4.5经济性条件从经济性这方面考虑，超声流量计是近年逐渐流行的一种流量计，其价格相对较高，安装和平时维护费用也相对较高。而压差式流量计是流量计中使用最广