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新型泥浆流量计在疏浚船舶上的应用

发布日期:2017-08-22  来源:  作者:  浏览次数:
【导读】:针对疏浚船舶现役泥浆流量计多为接触电磁式,无法确定新型非接触式泥浆流量计(超声波、声呐阵列)是否适用的问题;对不同工作原理泥浆流量计 (电磁、超声波、声呐阵列) 在相同工况下进行测试,分析对比测试数据。......

 摘 要:针对疏浚船舶现役泥浆流量计多为接触电磁式,无法确定新型非接触式泥浆流量计(超声波、声呐阵列)是否适用的问题;对不同工作原理泥浆流量计 (电磁、超声波、声呐阵列) 在相同工况下进行测试,分析对比测试数据。实际测试结果表明:疏浚船舶进入稳定施工阶段后,新型声呐阵列流量计具有更好的测量稳定性,新型超声波流量计与现役电磁流量计测量稳定性相当。综合考虑新型泥浆流量计固有特性,新型泥浆流量计(超声波、声呐阵列)均适用于疏浚船舶。

 
引言
        疏浚船舶泥浆流量计是计算挖泥产量、指导施工操作的重要设备之一,所测流量数据为施工管理提供重要的决策依据 [1] 。现阶段疏浚船舶泥浆流量计多为接触式电磁流量计,新型超声波及声呐阵列流量计应用于石油化工、矿山采矿、钢铁等行业,应用于疏浚船舶的案例较少 [2] 。疏浚船舶泥浆流量计测量介质为固液两相流,施工过程复杂多变,衡量泥浆流量计是否适用于疏浚船舶的首要因素为测量稳定性,测量的稳定性直接影响着施工效率;流量计的测量稳定性与流量计的工作原理、安装方式、使用寿命及测量介质有着密切的关系。
 
        将新型超声波流量计、新型声呐阵列流量计安装在某绞吸船,测量介质为贝壳泥沙海水混合液体;通过对绞吸船施工监测来记录新型流量计的流速数据,并与绞吸船现役的电磁流量计所测流速数据对比分析,通过对比可知新型流量计是否适用于疏浚船舶。
 
1 工作原理
1.1 电磁流量计
        电磁流量计是利用法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电液体体积流量的仪表;电磁流量计的基本原理是法拉第电磁感应定律,即导体在磁场中切割磁力线运动时在其两端产生感应电动势。如图 1 所示,导电性液体在垂直于磁场的非磁性测量管内流动,与流动方向垂直的方向上产生与流量成正比的感应电动势,其值如下:
        E = kBDv
        式中:E 为感应电动势;k 为系数;B 为磁感应强度;D 为测量管内径;v为平均流速。
电磁流量计测量原理
        体积流量:QQ截图20170822115602.jpg
 
        由上式可知,体积流量 Q v 与感应电动势 E 和测量管内径 D 成线性关系,与磁场的磁感应强度B 成反比,与其它物理参数无关。
 
1.2 超声波流量计
        超声波流量计是利用超声脉冲在流体中传播的速度与流体的速度有对应的关系,即顺流时的超声脉冲传播速度比逆流时传播的速度要快,顺流与逆流两种超声脉冲传播的时间差越大,则流量越大原理。如图 2 所示流量计工作时,处在上游的换能器发射调制后的超声波脉冲,为顺流传播,下游的换能器接收到脉冲后再返回一个相同调制脉冲,该脉冲逆流传播到上游换能器,根据两束脉冲的传播距离、传播时间可以计算出声速、被测量介质流速。新型超声波流量计的改进之处即在于这个脉冲的抗干扰性,脉冲由一个已知低频波形去调制固定高频,这样接收端可以进行波形比对,滤除常见的介质噪声;计算声波传输时间时采取波形鉴相技术,提高了声波传输时间的精确性,进而提高流量计的测量精度。
超声波流量计测量原理
对于逆流传播的超声波脉冲传播时间为:20170822115626.jpg
对于顺流传播的超声波脉冲传播时间为:0170822115630.jpg
传输时间差:QQ截图20170822115633.jpg
由以上可知流体速度 v、声速 c 分别为:20170822115638.jpg
由流体速度进而可算得流体的体积流量。
 
1.3 声呐阵列流量计
        声呐阵列流量计由环绕式带状传感器、保护传感器带的玻璃纤维或不锈钢外壳、变送器/数字信号处理器组成。声呐阵列流量计的测量原理是当管道中的流体达到湍流状态,湍流产生漩涡与流体形成对流,漩涡的运动对管壁的内侧产生微小应力,该应力使管壁产生动态形变,由于流体流速 v 与漩涡的频率 f 和波长 λ 存在 v = f × λ 的关系,被动声呐传感器阵列侦听到漩涡的频率 f和波长 λ,结合阵列算法,从而计算出漩涡的平均流速,即管道内的流体速度。
 
2 流量计应用测试
2.1 测试条件
        1) 时间:2016 年 4 月 15 日;
        2) 地点:厦门新机场;
        3) 船舶:新海豚绞吸船;
        4) 流量计型号:科隆电磁流量计、德国FLEXIM 便携式外夹超声波流量计(4 个探头)、美国 CIDRA 抱箍式声呐阵列波流量计;
        5) 流量计口径:DN850;
        6) 安装位置:排泥金属主管道(如图 3 依次为超声波、声呐阵列、电磁流量计);
        7) 介质:贝壳泥沙海水混合液体(施工稳定阶段浓度为 30 %)。
流量计安装位置
2.2 测试准备与开始
        超声波流量计的安装对管道要求较高,安装前需对管道的内壁进行厚度测量,测厚过程中发现管道内壁厚薄不均匀,为了避免管道表面不平整导致探头信号衰减,安装探头时在其表面涂抹较厚的耦合剂以此填补管道表面凹痕。为确保测试原始真实性,3 种流量计仪表通电后,除基本参数外,其余优化参数均不设置。测试准备完成后,对绞吸船启泵、停泵及施工稳定阶段流量计的应用情况进行测试,并记录测试数据。
 
3 流量计测试数据及分析
3.1 施工稳定阶段测试
        对施工稳定阶段中 3 种流量计所测介质流速数据记录,截取其中一段数据绘制成曲线如图 4所示。
施工稳定阶段测试数据
        对曲线中 3 种流量计所测介质流速数据做比较分析,3 种流量计所测流速之间关系为(系数为数据段的平均倍数):
        v 超声波 =1.046v 电磁
        v 声呐 = 1.056v 电磁
        标准差是反映数据样本内个体间的离散型,流速的标准差可反映 3 种流量计测量的稳定性。
优化后施工稳定阶段测试数据
3 种流量计所测流速数据的标准差分别为:
        s 电磁 = 0.54
        s 超声波 = 0.51
        s 声呐 = 0.47
        由图 4 及数据分析可知,因第 1 次测试,流量计仪表只进行初始参数设置,此次测试 3 种流量计流速波动都较大。根据测量情况,对 3 种流量计仪表参数进行优化设置,优化后再次进行测试,测试数据曲线如图 5 所示。
 
选取其中一段相对稳定的数据进一步分析可知(选取的样本数与第 1 次测试相同):
        v 超声波 =1.031v 电磁
        v 声呐 = 1.044v 电磁
 
3 种流量计所测流速数据的标准差为:
        s 电磁 = 0.42
        s 超声波 = 0.41
        s 声呐 = 0.35
 
        综上可知 2 次测试中 3 种流量计所测介质流速之间关系为 v 声呐 > v 超声波 > v 电磁 ;第 2 次测试中3 种流量计所测流速较第 1 次更加稳定,且声呐阵列流量计所测流速依然是非常稳定,超声波流量计所测流速的稳定性与电磁流量计所测流速的稳定性相当。
 
3.2 启动、停止测试
        施工稳定阶段测试中用于分析的数据是截取流量稳定后的一段,对于绞吸船泥泵启动初期、停止时流量计所测流速数据没有进行比较分析;为综合分析施工各个阶段流量计测量情况,将绞吸船泥泵启动初期、停止时的流量计所测流速数据进行对比分析。截取测试中泥泵由停止再到启动时的流量计所测流速数据绘制成曲线,如图 6所示。
泵启动、停止阶段测试数据
        由图 6 可知在泵停止阶段,在流速下降阶段声呐阵列流量计相对有较大的波动,超声波及电磁流量计相对稳定;小流速阶段,声呐阵列流量先无法测量到流速,后出现间歇的抖动;超声波流量计和电磁流量计所测流速相对平滑下降直到流速为 0。在泵启动初期,声呐阵列流量计会有较大的波动,超声波流量计和电磁流量计上升相对稳定平滑。
 
        新型声呐阵列流量计所测介质流速在泵启动阶段虽然有较大的波动,但是能在短时间内稳定下来,因此波动不会对施工稳定阶段产生较大的影响。
 
4 流量计固有特性分析
1) 安装方式
        电磁流量计为接触式安装,需安装在管道上,安装时需拆卸管道;新型超声波流量计和声呐阵列流量计都为非接触式安装,只需对管路进行处理后外夹在管路上即可。
2) 使用寿命
        安装方式很大程度上决定流量计的使用寿命;电磁流量计是接触式安装,流量计受介质流动而磨损,新型超声波流量计和声呐阵列流量计为非
接触式安装,不受介质流动影响,故新型超声波流量计与声呐阵列流量计的使用寿命比电磁流量计使用寿命长。
 
5 结语
        通过对新型泥浆流量计测试含贝壳泥沙海水混合液体介质并与现役电磁流量计对比可知,新型超声波流量计、声呐阵列流量计所测介质流速大于现役电磁流量计所测介质流速;在施工稳定阶段,新型声呐阵列流量计流速测量具有更好的稳定性,新型超声波流量计与船舶现役电磁流量计流速测量稳定性相当。综合考虑泥浆流量计固有特性及测试结果,新型超声波流量计与声呐阵列流量计流速测量稳定性满足疏浚船舶要求,适用于疏浚船舶。

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