質(zhì)量流量計(jì)在氣液兩相測量中的應(yīng)用分析
1 常見流體的測量方法
1.1氣體流量的測量方法
需要測量流量的氣體種類繁多，其測量的儀器儀表也有很大的差別。以天然氣流量的測量為例：目前，天然氣貿(mào)易計(jì)量分為體積計(jì)量、質(zhì)量計(jì)量和能量計(jì)量3種，工業(yè)發(fā)達(dá)國家質(zhì)量計(jì)量和能量計(jì)量兩種方法都在使用，而我國目前基本上以體積計(jì)量為主。
1.2 液體流量的測量方法
常見的液體有水、石油、液化氣體等。水流量的測量難度不高，不同原理的流量計(jì)大多數(shù)都可以測量水的容量，但也不是隨便裝一臺就肯定能用好的。這是因?yàn)樗臐崈舫潭炔煌?，流體工況條件各異，流量測量的范圍就會出現(xiàn)懸殊；石油具有一定的黏稠度，因此不同黏度的石油產(chǎn)品所選擇的計(jì)量儀器不同，高黏度油品如原油、重油、渣油，為了便于輸送，往往被加熱到較高的溫度。流體中含有固態(tài)雜質(zhì)，測量前還需要過濾；液化氣體屬于高飽和蒸氣壓液體，測量時必須考慮氣化的問題，因此使用的流量計(jì)也比較特殊，如渦街流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、容積式流量計(jì)、科氏質(zhì)量流量計(jì)等。
1.3 氣液多相流體的測量方法
氣液兩相流體的流量測量從制造商的資料可看出，有幾種儀表可用來測量離散相濃度不高的兩相流體的流量，在實(shí)際應(yīng)用中也有一些成功應(yīng)用的實(shí)例，但目前使用的流量計(jì)都是在單相流動狀態(tài)下評定其測量性能，現(xiàn)在還沒有以單相流標(biāo)定的流量計(jì)用來測量兩相流時系統(tǒng)變化的評定標(biāo)準(zhǔn)，因此這樣的應(yīng)用究竟帶來多大的誤差還不很清楚，僅有一些零星的數(shù)據(jù)和一些定性的分析。常用的氣液兩相流量測量儀器有：電磁流量計(jì)、科氏力質(zhì)量流量計(jì)、超聲流量計(jì)等。
1.4 科氏質(zhì)量流量計(jì)的測量原理
1.4.1 科氏力的形成
由科氏加速度作用產(chǎn)生科氏力。該加速度是法國工程師科里奧利斯在研究水輪機(jī)的機(jī)械理論時發(fā)現(xiàn)的?？剖狭?，是對旋轉(zhuǎn)體系中進(jìn)行直線運(yùn)動的質(zhì)點(diǎn)由于慣性相對于旋轉(zhuǎn)體系產(chǎn)生的直線運(yùn)動的偏移的一種描述，科里奧利力來自于物體運(yùn)動所具有的慣性。
在旋轉(zhuǎn)體系中進(jìn)行直線運(yùn)動的質(zhì)點(diǎn)，由于慣性，有沿著原有運(yùn)動方向繼續(xù)運(yùn)動的趨勢，但是由于體系本身是旋轉(zhuǎn)的，在經(jīng)歷了一段時間的運(yùn)動之后，體系中質(zhì)點(diǎn)的位置會有所變化，而它原有的運(yùn)動趨勢的方向，如果以旋轉(zhuǎn)體系的視角去觀察，就會發(fā)生一定程度的偏離。
當(dāng)一個質(zhì)點(diǎn)相對于慣性系做直線運(yùn)動時，相對于旋轉(zhuǎn)體系，其軌跡是一條曲線。立足于旋轉(zhuǎn)體系，我們認(rèn)為有一個力驅(qū)使質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動軌跡形成曲線，這個力就是科里奧利力。
科里奧利力的計(jì)算公式為：F=2mVr×ω
式中F為科里奧利力；m為質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量；Vr為相對于靜止參考系質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動速度（矢量）；ω為旋轉(zhuǎn)體系的角速度（矢量）；×表示兩個向量的外積符號（Vr×ω：大小等于v·ω·sinθ，，方向滿足右手螺旋定則）。
1.4.2 彎管流量計(jì)的原理
原理上，當(dāng)被測介質(zhì)通過振動的測量管道時，科氏力能直接用于質(zhì)量流量的測量。測量管道經(jīng)常呈U形如圖所示。管道用剛性固定件支撐，并經(jīng)激勵器E沿A-A\'軸產(chǎn)生振動，形成沿該軸的一個旋轉(zhuǎn)參考系統(tǒng)。如果在入口段觀察一小團(tuán)流體，那么它的質(zhì)量元流出固定端。該質(zhì)量元隨管道半徑逐漸增大而作圓弧軌跡運(yùn)動。當(dāng)彎管向上運(yùn)動時，形成一個方向朝下的科氏力。同時，觀察出口段的狀態(tài)，質(zhì)量元流入固定端。同樣產(chǎn)生一個方向朝上的科氏力。由B稱的配置在兩邊呈現(xiàn)出相同數(shù)值但不同符號的科氏力。在流體流動時，由于力矩的作用，導(dǎo)致測量管道沿B-B\'軸產(chǎn)生一個附加的扭曲運(yùn)B動。在入口段和出口段分別安裝傳感器S1和S2檢測管道沿A-A\'和B-B\'軸的位移量。信號過零點(diǎn)的時間差事管道扭曲的檢測量，它與通過管道的質(zhì)量流量成正比。
科氏質(zhì)量流量計(jì)原理的結(jié)構(gòu)
1.4.3 單直管流量計(jì)的測量原理
兩端拉緊固定的測量管道是直徑d和長度l的鈦合金管。由安裝在管道中間的振動裝置以一階模式方式產(chǎn)生振動。工作頻率fB=ωB/2π接近于一階頻率。在傳感器檢測位置±z=±l/3處，振動幅度調(diào)整約為x±m（±z）。如果流體質(zhì)量元m以速度v流過由角速度ω振動的管道，那么這質(zhì)量元就會在管壁上產(chǎn)生科氏力，即FC=2mv×ω在管道的前后半段上，除了一階諧振外，還產(chǎn)生作用力方形相反的二階模式振動。一階和二階模式振動的疊加在時間上產(chǎn)生90°的相移。因此，當(dāng)管道中存在質(zhì)量流量時，測量管道產(chǎn)生擺動運(yùn)
1.4.4 雙直管流量計(jì)的測量原理
雙直管質(zhì)量流量計(jì)有2根測量管道、優(yōu)化的流速分配器、4個位移傳感器和2個電磁式振蕩驅(qū)動器組成。其原理是：2個電磁式振蕩驅(qū)動器以諧振頻率使兩根測量管道同步的相向振動。每個電磁式驅(qū)動器兩邊的對稱位置各安裝有一個位移檢測傳感器用于測量科氏力效應(yīng)。當(dāng)沒有介質(zhì)流過測量管道時，測量管道處于自然諧振狀態(tài)。2個位移傳感器所測到的位移正弦信號無相位差。 當(dāng)有介質(zhì)流過時，由于有科氏力FC的作用，測量管道有微小的變形，從而使2個位移傳感器有相位偏差。該相位偏差與科氏力FC成正比，即與流過測量管道的質(zhì)量流量成正比。相當(dāng)于2個單直管質(zhì)量流量計(jì)軸向?qū)ΨQ地同步工作。
2 科氏質(zhì)量流量計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)
2.1 科氏質(zhì)量流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)
時間差與測量效應(yīng)成線性關(guān)系；直接測量質(zhì)量流量；測量儀還可附加檢測流體密度ρ 和介質(zhì)溫度T ；測量結(jié)果有很高的精度（典型的精度：質(zhì)量流量為±0.1%+ 末端值的±0.005% ；密度ρ為±0.5kg/m3；ΔT為±0.05%+5℃）；測量結(jié)果與壓力和溫度無關(guān)；測量結(jié)果與流體的性能（密度、黏度、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率）無關(guān)；測量結(jié)果與流速分布無關(guān)，即不需要特殊的入口引導(dǎo)管道，流量計(jì)能測量真正的質(zhì)量流量平均值；出口端不需要施加反壓力，也就不需要出口引導(dǎo)導(dǎo)管；安裝位置可以任意選擇；可進(jìn)行雙向測量；所有可加壓力的介質(zhì)都能測量，如液態(tài)和氣態(tài)介質(zhì)，特別是受污染有腐蝕性的介質(zhì)。
2.2 科氏流量計(jì)的缺點(diǎn)
除了上述大量優(yōu)點(diǎn)外，同樣也存在不足，如：流量計(jì)價格貴，復(fù)雜幾何形狀的測量管道使壓力損耗增大；除單直管外，有些流量計(jì)彎頭較多，很難清洗，而且自行排空能力差；測量管道的材料與被測介質(zhì)要注意它們的相容性；可測量zui大的流量限制為680T/h ；強(qiáng)烈的振動和沖擊會影響流量計(jì)的機(jī)械裝置，嚴(yán)重時產(chǎn)生較大的測量誤差；有些流量計(jì)的安裝受到安裝規(guī)程的限制；采用流量分配器的流量計(jì)，在測量不均勻的介質(zhì)時，會產(chǎn)生較大的測量誤差；測量高黏度介質(zhì)要求附加激勵能量和需要特殊的標(biāo)定等。
3 科氏質(zhì)量流量計(jì)在氣液兩相測量中的應(yīng)用
科氏質(zhì)量流量計(jì)的應(yīng)用已遍及幾乎所有工業(yè)領(lǐng)域。主要原因是高精度和大量程，這是大多數(shù)其他流量測量方法所沒有的。通?？剖腺|(zhì)量流量計(jì)的精度如下：
液體：±0.10%（示值相對誤差）± 零點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)值。
氣體：±0.50%（示值相對誤差）± 零點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)值。
3.1 丙烯氣液兩相流量測量技術(shù)參考
丙烯（propylene）常溫下為無色、無臭、稍帶有甜味的氣體。分子量42.08，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下密度0.5139g/cm3（20/4℃），冰點(diǎn)-185.3℃，沸點(diǎn)-47.4℃。丙烯在輸送和儲存中必須進(jìn)行加壓處理，另外，這種流體的流量測量中容易因儀表的壓力損失而在流量計(jì)的出口處產(chǎn)生氣穴和伴隨而來的氣蝕現(xiàn)象，引起流量計(jì)示值偏高和流量一次裝置受損。
3.2 丙烯流量測量系統(tǒng)誤差的生成與處理
在輸送過程中當(dāng)溫度將降低或由于調(diào)節(jié)閥突然關(guān)小導(dǎo)致管道內(nèi)壓力增加時，丙烯會處于氣液兩相狀態(tài)。此時，丙烯氣液混合物密度相應(yīng)會發(fā)生變化，因而給質(zhì)量流量計(jì)測量帶來誤差。誤差可以通過密度補(bǔ)償來處理。
一常用壓力為1.0MPa 的丙烯氣體，其流量為qm，假設(shè)經(jīng)長距離輸送后有10%qm冷凝成液態(tài)，令其為qml，而保持氣態(tài)的部分為qms，從定義知，此時濕氣的干度為
采用溫度補(bǔ)償，所以按照臨界飽和狀態(tài)查表，得到此時的丙烯氣體密度為ρs，液體密度為ρL，顯然液體與氣體部分的體積流量為
式中qvl表示丙烯液體的體積流量，m3/s；qvs表示丙烯氣體部分的體積流量，m3/s。
由定義知，氣體干部分流量占?xì)庖簝上嗫傮w積流量qv之比Rv為
因?yàn)?/span>
所以
在該例中，Rv=99.93%，由此可見，在氣液混合中，液體部分占的體積基本可以忽略不計(jì)。
另外，為了避免丙烯流量測量時出現(xiàn)氣液兩相混合現(xiàn)象，選用下面的設(shè)計(jì)和安裝方法將是有效的。
3.2.1 選用更的儀表
近年來，科氏力流量計(jì)的制造技術(shù)獲得了快速發(fā)展，例如CMF100傳感器與2700變送器配用，測量液體時，流體的質(zhì)量流量度可達(dá)流量值的±0.05%，而且已延伸到氣體流量的測量。應(yīng)用上述配置的流量計(jì)測量氣體質(zhì)量流量，度可達(dá)流量值的±0.35%。并且能直接顯示質(zhì)量流量。
3.2.2 合理選擇安裝位置
流量傳感器安裝位置應(yīng)選擇在槽的頂部出口管道上。保證直管段的前提下，與槽的出口處盡量近些。這樣，丙烯在輸送過程中，可減少經(jīng)輸送管道從大氣中吸收熱量。同時，安裝位置應(yīng)盡量低些，這樣可提高過冷深度。
3.2.3 將調(diào)節(jié)閥安裝在流量計(jì)后邊
丙烯中間槽與丙烯分離器之間有較大壓差，此壓差絕大部分降落在調(diào)節(jié)閥上。丙烯流過此閥時，壓力突然升高，一定數(shù)量的氣體液化，從而出現(xiàn)氣液兩相流。為了避免流過流量計(jì)的流體中存在兩相流，節(jié)流閥必須裝在流量計(jì)下游。
3.3 提高丙烯流量測量度的方法
大部分質(zhì)量流量計(jì)制造商以“量程誤差加零點(diǎn)不穩(wěn)定度”的方式表達(dá)基本誤差，這是因?yàn)檫@種儀表零點(diǎn)穩(wěn)定性較差。這種表達(dá)方式初看上去度很高，但計(jì)入零點(diǎn)不穩(wěn)定度后，度并不那么高。
零點(diǎn)不穩(wěn)定性通常以%FS表示，也有以流量值kg/min表示，零點(diǎn)不穩(wěn)定度一般在±（0.01~0.04）%FS之間。當(dāng)流量為下限流量時，因零點(diǎn)不穩(wěn)定性引入的誤差是很可觀的，所以儀表選用時，應(yīng)將口徑選得盡可能小一些，這樣可將零點(diǎn)不穩(wěn)定度的數(shù)值減小，提高實(shí)際得到的測量度。
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