新型泥漿流量計在疏浚船舶上的應(yīng)用

摘 要：針對疏浚船舶現(xiàn)役泥漿流量計多為接觸電磁式，無法確定新型非接觸式泥漿流量計（超聲波、聲吶陣列）是否適用的問題；對不同工作原理泥漿流量計 （電磁、超聲波、聲吶陣列） 在相同工況下進行測試，分析對比測試數(shù)據(jù)。實際測試結(jié)果表明：疏浚船舶進入穩(wěn)定施工階段后，新型聲吶陣列流量計具有更好的測量穩(wěn)定性，新型超聲波流量計與現(xiàn)役電磁流量計測量穩(wěn)定性相當。綜合考慮新型泥漿流量計固有特性，新型泥漿流量計（超聲波、聲吶陣列）均適用于疏浚船舶。

引言

疏浚船舶泥漿流量計是計算挖泥產(chǎn)量、指導施工操作的重要設(shè)備之一，所測流量數(shù)據(jù)為施工管理提供重要的決策依據(jù) [1] ?，F(xiàn)階段疏浚船舶泥漿流量計多為接觸式電磁流量計，新型超聲波及聲吶陣列流量計應(yīng)用于石油化工、礦山采礦、鋼鐵等行業(yè)，應(yīng)用于疏浚船舶的案例較少 [2] 。疏浚船舶泥漿流量計測量介質(zhì)為固液兩相流，施工過程復(fù)雜多變，衡量泥漿流量計是否適用于疏浚船舶的首要因素為測量穩(wěn)定性，測量的穩(wěn)定性直接影響著施工效率；流量計的測量穩(wěn)定性與流量計的工作原理、安裝方式、使用壽命及測量介質(zhì)有著密切的關(guān)系。

將新型超聲波流量計、新型聲吶陣列流量計安裝在某絞吸船，測量介質(zhì)為貝殼泥沙海水混合液體；通過對絞吸船施工監(jiān)測來記錄新型流量計的流速數(shù)據(jù)，并與絞吸船現(xiàn)役的電磁流量計所測流速數(shù)據(jù)對比分析，通過對比可知新型流量計是否適用于疏浚船舶。

1 工作原理

1.1 電磁流量計

電磁流量計是利用法拉第電磁感應(yīng)定律制成的一種測量導電液體體積流量的儀表；電磁流量計的基本原理是法拉第電磁感應(yīng)定律，即導體在磁場中切割磁力線運動時在其兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。如圖 1 所示，導電性液體在垂直于磁場的非磁性測量管內(nèi)流動，與流動方向垂直的方向上產(chǎn)生與流量成正比的感應(yīng)電動勢。

1.2 超聲波流量計

超聲波流量計是利用超聲脈沖在流體中傳播的速度與流體的速度有對應(yīng)的關(guān)系，即順流時的超聲脈沖傳播速度比逆流時傳播的速度要快，順流與逆流兩種超聲脈沖傳播的時間差越大，則流量越大原理。流量計工作時，處在上游的換能器發(fā)射調(diào)制后的超聲波脈沖，為順流傳播，下游的換能器接收到脈沖后再返回一個相同調(diào)制脈。

該脈沖逆流傳播到上游換能器，根據(jù)兩束脈沖的傳播距離、傳播時間可以計算出聲速、被測量介質(zhì)流速。新型超聲波流量計的改進之處即在于這個脈沖的抗干擾性，脈沖由一個已知低頻波形去調(diào)制固定高頻，這樣接收端可以進行波形比對，濾除常見的介質(zhì)噪聲；計算聲波傳輸時間時采取波形鑒相技術(shù)，提高了聲波傳輸時間的精確性，進而提高流量計的測量精度。

1.3 聲吶陣列流量計

聲吶陣列流量計由環(huán)繞式帶狀傳感器、保護傳感器帶的玻璃纖維或不銹鋼外殼、變送器/數(shù)字信號處理器組成。聲吶陣列流量計的測量原理是當管道中的流體達到湍流狀態(tài)，湍流產(chǎn)生漩渦與流體形成對流，漩渦的運動對管壁的內(nèi)側(cè)產(chǎn)生微小應(yīng)力，該應(yīng)力使管壁產(chǎn)生動態(tài)形變，由于流體流速 v 與漩渦的頻率 f 和波長 λ 存在 v = f × λ 的關(guān)系，被動聲吶傳感器陣列偵聽到漩渦的頻率 f和波長 λ，結(jié)合陣列算法，從而計算出漩渦的平均流速，即管道內(nèi)的流體速度。

2 流量計應(yīng)用測試

2.1 測試條件

1） 時間：2016 年 4 月 15 日；

2） 地點：廈門新機場；

3） 船舶：新海豚絞吸船；

4） 流量計型號：科隆電磁流量計、德國FLEXIM 便攜式外夾超聲波流量計（4 個探頭）、美國 CIDRA 抱箍式

聲吶陣列波流量計；

5） 流量計口徑：DN850；

6） 安裝位置：排泥金屬主管道（如圖 3 依次為超聲波、聲吶陣列、電磁流量計）；

7） 介質(zhì)：貝殼泥沙海水混合液體（施工穩(wěn)定階段濃度為 30 %）。

新型聲吶陣列流量計所測介質(zhì)流速在泵啟動階段雖然有較大的波動，但是能在短時間內(nèi)穩(wěn)定下來，因此波動不會對施工穩(wěn)定階段產(chǎn)生較大的影響。

4 流量計固有特性分析

1） 安裝方式

電磁流量計為接觸式安裝，需安裝在管道上，安裝時需拆卸管道；新型超聲波流量計和聲吶陣列流量計都為非接觸式安裝，只需對管路進行處理后外夾在管路上即可。

2） 使用壽命

安裝方式很大程度上決定流量計的使用壽命；電磁流量計是接觸式安裝，流量計受介質(zhì)流動而磨損，新型超聲波流量計和聲吶陣列流量計為非接觸式安裝，不受介質(zhì)流動影響，故新型超聲波流量計與聲吶陣列流量計的使用壽命比電磁流量計使用壽命長。

結(jié)語

通過對新型泥漿流量計測試含貝殼泥沙海水混合液體介質(zhì)并與現(xiàn)役電磁流量計對比可知，新型超聲波流量計、聲吶陣列流量計所測介質(zhì)流速大于現(xiàn)役電磁流量計所測介質(zhì)流速；在施工穩(wěn)定階段，新型聲吶陣列流量計流速測量具有更好的穩(wěn)定性，新型超聲波流量計與船舶現(xiàn)役電磁流量計流速測量穩(wěn)定性相當。綜合考慮泥漿流量計固有特性及測試結(jié)果，新型超聲波流量計與聲吶陣列流量計流速測量穩(wěn)定性滿足疏浚船舶要求，適用于疏浚船舶。