泥漿流量計(jì)在疏浚船舶上的應(yīng)用 發(fā)布時(shí)間：2017-09-18
0引言 疏浚船舶泥漿流量計(jì)是計(jì)算挖泥產(chǎn)量、指導(dǎo)施工操作的重要設(shè)備之一，所測(cè)流量數(shù)據(jù)為施工管理提供重要的決策依據(jù)[1]。現(xiàn)階段疏浚船舶泥漿流量計(jì)多為接觸式電磁流量計(jì)，新型超聲波及聲吶陣列流量計(jì)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(jì)測(cè)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(jì)是否適用于疏浚船舶的首要因素為測(cè)量穩(wěn)定性，測(cè)量的穩(wěn)定性直接影響著施工效率；流量計(jì)的測(cè)量穩(wěn)定性與流量計(jì)的工作原理、安裝方式、使用壽命及測(cè)量介質(zhì)有著密切的關(guān)系。 將新型超聲波流量計(jì)、新型聲吶陣列流量計(jì)安裝在某絞吸船，測(cè)量介質(zhì)為貝殼泥沙海水混合液體；通過對(duì)絞吸船施工監(jiān)測(cè)來記錄新型流量計(jì)的流速數(shù)據(jù)，并與絞吸船現(xiàn)役的電磁流量計(jì)所測(cè)流速數(shù)據(jù)對(duì)比分析，通過對(duì)比可知新型流量計(jì)是否適用于疏浚船舶。 1工作原理 1.1電磁流量計(jì) 電磁流量計(jì)是利用法拉第電磁感應(yīng)定律制成的一種測(cè)量導(dǎo)電液體體積流量的儀表；電磁流量計(jì)的基本原理是法拉第電磁感應(yīng)定律，即導(dǎo)體在磁場(chǎng)中切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)在其兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)[3]。如圖1所示，導(dǎo)電性液體在垂直于磁場(chǎng)的非磁性測(cè)量管內(nèi)流動(dòng)，與流動(dòng)方向垂直的方向上產(chǎn)生與流量成正比的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其值如下： E=kBD`v 式中：E為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；k為系數(shù)；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；D為測(cè)量管內(nèi)徑；`v為平均流速。 體積流量： Qv=πD2`v/4=πDE/4kB 由上式可知，體積流量Qv與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E和測(cè)量管內(nèi)徑D成線性關(guān)系，與磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B成反比，與其它物理參數(shù)無關(guān)。 1.2超聲波流量計(jì) 超聲波流量計(jì)是利用超聲脈沖在流體中傳播的速度與流體的速度有對(duì)應(yīng)的關(guān)系，即順流時(shí)的超聲脈沖傳播速度比逆流時(shí)傳播的速度要快，順流與逆流兩種超聲脈沖傳播的時(shí)間差越大，則流量越大原理[4]。如圖2所示流量計(jì)工作時(shí)，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(gè)相同調(diào)制脈沖，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(shí)間可以計(jì)算出聲速、被測(cè)量介質(zhì)流速。新型超聲波流量計(jì)的改進(jìn)之處即在于這個(gè)脈沖的抗干擾性，脈沖由一個(gè)已知低頻波形去調(diào)制固定高頻，這樣接收端可以進(jìn)行波形比對(duì)，濾除常見的介質(zhì)噪聲；計(jì)算聲波傳輸時(shí)間時(shí)采取波形鑒相技術(shù)，提高了聲波傳輸時(shí)間的精確性，進(jìn)而提高流量計(jì)的測(cè)量精度。 2流量計(jì)應(yīng)用測(cè)試 2.1測(cè)試條件 1）時(shí)間：2016年4月15日； 2）地點(diǎn)：廈門新機(jī)場(chǎng)； 3）船舶：新海豚絞吸船； 4）流量計(jì)型號(hào)：科隆電磁流量計(jì)、德國FLEXIM便攜式外夾超聲波流量計(jì)（4個(gè)探頭）、美國CIDRA抱箍式聲吶陣列波流量計(jì)； 5）流量計(jì)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(jì)）； 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%） 2.2測(cè)試準(zhǔn)備與開始 超聲波流量計(jì)的安裝對(duì)管道要求較高，安裝前需對(duì)管道的內(nèi)壁進(jìn)行厚度測(cè)量，測(cè)厚過程中發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)壁厚薄不均勻，為了避免管道表面不平整導(dǎo)致探頭信號(hào)衰減，安裝探頭時(shí)在其表面涂抹較厚的耦合劑以此填補(bǔ)管道表面凹痕。為確保測(cè)試原始真實(shí)性，3種流量計(jì)儀表通電后，除基本參數(shù)外，其余優(yōu)化參數(shù)均不設(shè)置。 測(cè)試準(zhǔn)備完成后，對(duì)絞吸船啟泵、停泵及施工穩(wěn)定階段流量計(jì)的應(yīng)用情況進(jìn)行測(cè)試，并記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。 3流量計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)及分析 3.1施工穩(wěn)定階段測(cè)試 對(duì)施工穩(wěn)定階段中3種流量計(jì)所測(cè)介質(zhì)流速數(shù)據(jù)記錄，截取其中一段數(shù)據(jù)繪制成曲線如圖4所示。 對(duì)曲線中3種流量計(jì)所測(cè)介質(zhì)流速數(shù)據(jù)做比較分析，3種流量計(jì)所測(cè)流速之間關(guān)系為（系數(shù)為數(shù)據(jù)段的平均倍數(shù)）： v超聲波=1.046v電磁 v聲吶=1.056v電磁 標(biāo)準(zhǔn)差是反映數(shù)據(jù)樣本內(nèi)個(gè)體間的離散型，流速的標(biāo)準(zhǔn)差可反映 3種流量計(jì)測(cè)量的穩(wěn)定性。 3種流量計(jì)所測(cè)流速數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差分別為： s電磁=0.54 s超聲波=0.51 s聲吶=0.47 由圖4及數(shù)據(jù)分析可知，因第1次測(cè)試，流量計(jì)儀表只進(jìn)行初始參數(shù)設(shè)置，此次測(cè)試3種流量計(jì)流速波動(dòng)都較大。根據(jù)測(cè)量情況，對(duì)3種流量計(jì)儀表參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置，優(yōu)化后再次進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)曲線如圖5所示。 選取其中一段相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析可知（選取的樣本數(shù)與第1次測(cè)試相同）： v超聲波=1.031v電磁 v聲吶=1.044v電磁 3種流量計(jì)所測(cè)流速數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差為： s電磁=0.42 s超聲波=0.41 s聲吶=0.35 綜上可知2次測(cè)試中3種流量計(jì)所測(cè)介質(zhì)流速之間關(guān)系為v聲吶>v超聲波>v電磁；第2次測(cè)試中3種流量計(jì)所測(cè)流速較第1次更加穩(wěn)定，且聲吶陣列流量計(jì)所測(cè)流速依然是最穩(wěn)定，超聲波流量計(jì)所測(cè)流速的穩(wěn)定性與電磁流量計(jì)所測(cè)流速的穩(wěn)定性相當(dāng)。 3.2啟動(dòng)、停止測(cè)試 施工穩(wěn)定階段測(cè)試中用于分析的數(shù)據(jù)是截取流量穩(wěn)定后的一段，對(duì)于絞吸船泥泵啟動(dòng)初期、停止時(shí)流量計(jì)所測(cè)流速數(shù)據(jù)沒有進(jìn)行比較分析；為綜合分析施工各個(gè)階段流量計(jì)測(cè)量情況，將絞吸船泥泵啟動(dòng)初期、停止時(shí)的流量計(jì)所測(cè)流速數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。截取測(cè)試中泥泵由停止再到啟動(dòng)時(shí)的流量計(jì)所測(cè)流速數(shù)據(jù)繪制成曲線，如圖6所示。 由圖6可知在泵停止階段，在流速下降階段聲吶陣列流量計(jì)相對(duì)有較大的波動(dòng)，超聲波及電磁流量計(jì)相對(duì)穩(wěn)定；小流速階段，聲吶陣列流量先無法測(cè)量到流速，后出現(xiàn)間歇的抖動(dòng)；超聲波流量計(jì)和電磁流量計(jì)所測(cè)流速相對(duì)平滑下降直到流速為0。在泵啟動(dòng)初期，聲吶陣列流量計(jì)會(huì)有較大的波動(dòng)，超聲波流量計(jì)和電磁流量計(jì)上升相對(duì)穩(wěn)定平滑。 新型聲吶陣列流量計(jì)所測(cè)介質(zhì)流速在泵啟動(dòng)階段雖然有較大的波動(dòng)，但是能在短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定下來，因此波動(dòng)不會(huì)對(duì)施工穩(wěn)定階段產(chǎn)生較大的影響。 4流量計(jì)固有特性分析 1）安裝方式 電磁流量計(jì)為接觸式安裝，需安裝在管道上，安裝時(shí)需拆卸管道[6]；新型超聲波流量計(jì)和聲吶陣列流量計(jì)都為非接觸式安裝，只需對(duì)管路進(jìn)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(jì)的使用壽命；電磁流量計(jì)是接觸式安裝，流量計(jì)受介質(zhì)流動(dòng)而磨損，新型超聲波流量計(jì)和聲吶陣列流量計(jì)為非接觸式安裝，不受介質(zhì)流動(dòng)影響，故新型超聲波流量計(jì)與聲吶陣列流量計(jì)的使用壽命比電磁流量計(jì)使用壽命長。 5結(jié)語 通過對(duì)新型泥漿流量計(jì)測(cè)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(jì)對(duì)比可知，新型超聲波流量計(jì)、聲吶陣列流量計(jì)所測(cè)介質(zhì)流速大于現(xiàn)役電磁流量計(jì)所測(cè)介質(zhì)流速；在施工穩(wěn)定階段，新型聲吶陣列流量計(jì)流速測(cè)量具有更好的穩(wěn)定性，新型超聲波流量計(jì)與船舶現(xiàn)役電磁流量計(jì)流速測(cè)量穩(wěn)定性相當(dāng)。綜合考慮泥漿流量計(jì)固有特性及測(cè)試結(jié)果，新型超聲波流量計(jì)與聲吶陣列流量計(jì)流速測(cè)量穩(wěn)定性滿足疏浚船舶要求，適用于疏浚船舶。
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