基于超聲波流量計(jì)調(diào)試船舶管系流量的技術(shù)研究

船舶管路系統(tǒng)流量調(diào)試不可控因素多，且流量分配的要求高，造成調(diào)試工作工期較長(zhǎng)。上海自儀公司以某型船為研究對(duì)象，基于超聲波流量計(jì)調(diào)試管路系統(tǒng)流量，分析管路系統(tǒng)流量調(diào)試準(zhǔn)確性的影響因素；研究不同管路系統(tǒng)間的流量變化關(guān)系，總結(jié)出可靠、有效的調(diào)試方法；分析實(shí)際問題，提出合理化方案，在后續(xù)建造的高新產(chǎn)品調(diào)試過程中進(jìn)一步優(yōu)化，提高管路系統(tǒng)流量調(diào)試效率。

引言

國(guó)外船廠對(duì)船舶管路系統(tǒng)流量的合理分配有著長(zhǎng)時(shí)間的研究應(yīng)用歷程，我國(guó)在一些高新船舶的重要管路系統(tǒng)才進(jìn)行流量的合理分配。以江南造船廠所建船舶來說，公務(wù)科考船建造要求高，它們的軸系滑油系統(tǒng)、軸系海水冷卻系統(tǒng)和輔機(jī)海水冷卻系統(tǒng)一直以來都需要使用超聲波流量計(jì)測(cè)量管路流量，并根據(jù)系泊試驗(yàn)方法調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥分配各用戶流量，調(diào)試報(bào)驗(yàn)周期約20天。

另外，某些高新產(chǎn)品海水冷卻系統(tǒng)管路腐蝕嚴(yán)重，經(jīng)過研究分析，除了管路材質(zhì)原因外，還可能與海水系統(tǒng)流量過大有關(guān)。管路流量過大造成管路內(nèi)層沖刷，加快了腐蝕。目前，該高新產(chǎn)品軸舵系、空調(diào)和特裝設(shè)備等海水冷卻系統(tǒng)需要測(cè)量系統(tǒng)管路流量，合理分配到各用戶。

1超聲波流量計(jì)原理

現(xiàn)船用超聲波流量計(jì)多為DTC1258超聲波流量計(jì)，它是采用低電壓寬脈沖發(fā)射技術(shù)設(shè)計(jì)的一種通用時(shí)差型超聲波液體流量計(jì)，適用于工業(yè)環(huán)境下連續(xù)測(cè)量不含高濃度懸浮粒子或氣體的均質(zhì)液體的流量，包括污水、海水、酸堿液、柴油、滑油、原油、酒精等。流量計(jì)采用時(shí)差方式的測(cè)量原理，利用傳感器發(fā)出的超聲波在流動(dòng)著的流體中傳播，順流方向聲音傳播速度會(huì)增大，逆流方向則減小，在同一傳播距離就有不同的傳播時(shí)間，根據(jù)傳輸時(shí)間之差與被測(cè)流體流速之間的關(guān)系測(cè)出流體流速?？蛇M(jìn)行非接觸式測(cè)量，但測(cè)量精度要求非常高。

流體的流速在管內(nèi)的不同位置不同，其管中央的流速要比靠近管壁的流速快。流體在管道中的流速分布可以用流速截面分布表示。通過對(duì)流量計(jì)的設(shè)置，考慮流速的截面分布影響，從而計(jì)算出平均流速，再根據(jù)管道的截面積得出流體的體積流量.

式中：V為流體速度，M為超聲波反射次數(shù)，D為管徑，θ為超聲波信號(hào)和流體之間的夾角，Tup為下游傳感器發(fā)射到上游的時(shí)間，Tdown為上游傳感器發(fā)射信號(hào)到下游的時(shí)間。

2流體流動(dòng)形態(tài)對(duì)流量測(cè)量的影響分析

船舶管路安裝布置錯(cuò)綜復(fù)雜，管路存在彎頭、接頭和閥門等擾動(dòng)源，泵附近管路流體流速波動(dòng)較大，造成這些地方流體流動(dòng)不穩(wěn)定，存在層流形態(tài)，影響超聲波流量計(jì)對(duì)管路流量的測(cè)量。

假設(shè)需要測(cè)出的管路截面積平均流速為v'，超聲波流量計(jì)實(shí)際測(cè)得的平均速度為v，v'和v的比值稱為速度修正系數(shù)，以K表示：K=v'/v，速度修正系數(shù)K是管道中流體雷諾系數(shù)ReD的函數(shù)。在ReD≤2300的層流條件下，K=4/3；在ReD≥5000的紊流條件下，K=(1.119±0.011)LogReD。

流速修正系數(shù)K在層流過渡到紊流的過程中產(chǎn)生較大偏移。K值受到流速分布變化的影響，在船舶管路彎頭、接頭、泵和閥門等擾動(dòng)源附件位置安裝傳感器時(shí)，流速分布會(huì)偏離或畸變，K值變化較大。因此，傳感器的安裝應(yīng)遠(yuǎn)離擾動(dòng)源，且有足夠長(zhǎng)的直管段。流速分布應(yīng)是管道軸對(duì)稱的充分紊流條件。

另外，如果傳感器發(fā)射和接收平面中心與管道中心軸偏離，也會(huì)使速度修正系數(shù)K降低。

3傳感器在船舶管路上的安裝

3.1安裝類型

傳感器安裝方式共有4種，分別是V法、Z法、N法和W法，其中適合船舶管路的安裝方法主要是V法和Z法。V法適用于100~300mm小管徑；Z法適用于300mm以上管徑或鑄鐵管。如果V法測(cè)量不到信號(hào)或信號(hào)質(zhì)量差也選用Z法。

1）V法

一般情況下，V法是標(biāo)準(zhǔn)安裝方法，其具有使用方便、測(cè)量準(zhǔn)確的特點(diǎn)。安裝傳感器時(shí)，2個(gè)傳感器水平對(duì)齊，與船舶管路軸線水平一致。

2）Z 法

船舶管路類型較多，有些管路由于流體中含有懸浮物，管內(nèi)壁容易結(jié)垢，有些管路內(nèi)襯里太厚或者管徑較大，導(dǎo)致V 法安裝的流量計(jì)信號(hào)弱，儀表不能正常工作，此時(shí)需要選用 Z 法安裝。因?yàn)?Z 法安裝時(shí)，超聲波在管道中單射程傳輸，沒有折射，信號(hào)衰減小。

3.2 傳感器安裝固定

超聲波流量計(jì)信號(hào)強(qiáng)時(shí)，傳感器可通過傳感器自帶磁鋼吸附在管道上；超聲波流量計(jì)信號(hào)弱時(shí)，可使用配套的扎鏈進(jìn)行緊固，船上可直接使用扎帶緊固，拆卸方便。

4 流量測(cè)量準(zhǔn)確性的影響因素及調(diào)試方法

4.1 管道參數(shù)是否正確設(shè)置

管道材質(zhì)、尺寸（外徑、壁厚和襯里厚度等）和被測(cè)流體（種類、溫度等）是決定超聲波流量計(jì)精度的主要參數(shù)。

4.2 接線是否接觸良好

超聲波流量計(jì)變送器與傳感器之間采用 U 形槽通訊線連接，在連接線時(shí)注意 U 形槽位置，運(yùn)行后檢查接收信號(hào)強(qiáng)度和信號(hào)質(zhì)量。

4.3 耦合劑是否涂抹充分

在傳感器的中心部分和管壁涂上足夠的耦合劑（船舶管路現(xiàn)用工業(yè)凡士林），將耦合劑進(jìn)行擠壓，保證傳感器和管壁之間無氣泡存在，然后把傳感器緊貼在管壁上捆好。

4.4 傳感器方向是否錯(cuò)誤

2 個(gè)傳感器分別連接變送器上游 UP 端口和下游 DOWN端口，所以安裝傳感器前需要確認(rèn)該管路流體流向，然后安裝上游傳感器和下游傳感器。

4.5 安裝方法是否正確

在安裝傳感器之前，必須把管外預(yù)安裝區(qū)域清理干凈，除去銹跡、油漆，選擇出管材致密部分進(jìn)行傳感器安裝。2個(gè)傳感器應(yīng)安裝在管道管軸的水平方向上，并保證它們的安裝方向應(yīng)為同向平行。

4.6 傳感器安裝距離是否符合

傳感器安裝距離是在正確設(shè)置管道參數(shù)后，變送器根據(jù)傳感器安裝方式（V 型或 Z 型）給出的傳感器安裝距離，可以根據(jù)傳感器上刻度尺調(diào)節(jié)，也可以用卷尺測(cè)量后調(diào)節(jié)，注意 2 個(gè)傳感器的中心位置。

4.7 管道是否滿管

在安裝過程中，避免在傳感器和管壁之間存在氣泡和砂礫。對(duì)于水平管，傳感器應(yīng)安裝在管道界面的水平軸（3 點(diǎn) 或 9點(diǎn)鐘位置），避免管內(nèi)不能滿管和管內(nèi)上部可能存在氣泡情況的發(fā)生。

5 流量分配合理化方案

本文以某型船海水冷卻系統(tǒng)為研究對(duì)象，提出該船型海水冷卻系統(tǒng)流量調(diào)試的合理化方案。該船海水冷卻系統(tǒng)有100m3/h 變頻海水泵 2 臺(tái)，18 m3/h 海水泵 1 臺(tái)，有淡水冷卻器、主推進(jìn)電機(jī)空冷器、軸系滑油冷卻器、艉管密封和輔機(jī)集中冷卻系統(tǒng) 5 大用戶，每個(gè)用戶管路上均有流量調(diào)節(jié)閥（電動(dòng)節(jié)流閥或手動(dòng)節(jié)流閥）。如圖 5 所示。推進(jìn)電機(jī)工況不同，每個(gè)用戶的冷卻海水流量和海水泵選擇不同。根據(jù)用戶管路流量需求值，調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥的開度值和海水泵頻率。但是用戶較多，單一用戶管路上流量調(diào)節(jié)閥開度變化，會(huì)使其他用戶管路上流量均發(fā)生變化，而且變化關(guān)系不是純線性關(guān)系。其變化關(guān)系與用戶管路尺寸、流量調(diào)節(jié)閥的開度值和系統(tǒng)壓力等密切相關(guān)。

船舶管路系統(tǒng)流量分配過程，主要是流量調(diào)節(jié)閥開度的調(diào)節(jié)過程。所以，流量分配合理的關(guān)鍵：一是使用超聲波流量計(jì)測(cè)量各用戶管路流量要準(zhǔn)確。按照上述超聲波流量計(jì)原理和安裝調(diào)試方法，減小各影響因素的影響，提高流量測(cè)量的準(zhǔn)確性；二是流量調(diào)節(jié)閥開度的調(diào)節(jié)要合理。采用“先大后小，先粗后細(xì)”的原則調(diào)節(jié)開度，“先大后小”：先調(diào)節(jié)大流量用戶管路流量調(diào)節(jié)閥開度以滿足其需求流量，再調(diào)節(jié)小流量用戶管路流量調(diào)節(jié)閥開度。上海自儀公司“先粗后細(xì)”：先粗調(diào)流量調(diào)節(jié)閥開度，保證各用戶管路流量接近需求標(biāo)準(zhǔn)值 。然后微調(diào)閥開度，多次調(diào)節(jié)，直至滿足所有管路需要流量。