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高准科里奥利流量计应对两相流体流量的测量 |
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作者：Tim Patten |
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所有流量仪表技术的应用都有它的局限性，特别是对两相流体的流量测量，比如空气混合在液体里的气、液两相流体。液体和空气混合的气、液两相流体的动态特性尤其复杂，即使运用现代的流体动态模型，很大程度上也还不能清晰地描绘它们的动态特性。所以对这种不可预知两相流体的流量测量对任何流量计包括科里奥利流量计都是充满挑战性的。
科里奥利流量计的突出表现
科里奥利流量计因其极高的测量精度、可靠性以及非常低的维护费用而广泛地被推广和运用在各个工业领域。这种发展趋势使得科里奥利流量计也运用在气、液两相流体的流量测量变得很普通。
当其他类型的流量计面对两相流问题束手无策时，科里奥利流量计却为用户提供了一种可行方案，这一点对于用户来讲是非常幸运的。比如，机械式的涡轮流量计或者容积式的流量计都不能成功地测量两相流体的流量。通过过去多年的不断研究和努力，高准科里奥利流量计在两相流体的流量测量方面有了更好的表现（比如特有的专利技术瞬间气泡矫正功能）。
3寸高准Elite流量计用在卡车装料的流量测量
进一步发展的空间
尽管科里奥利比起其他流量仪表技术在充满挑战性的两相流体流量测量有更好的表现，但是这样的表现还是不能符合高准公司的标准，也不能满足多数客户的要求。挑战性主要在于两个方面：掺气的模式和如何选择流量计的尺寸。
掺气的模式
■“先管线排空-后启动批次处理”
夹带空气常常发生在“先管线排空－后启动批次处理”的流体输送流程。这种现象会发生在当一个流程，比如当卡车或者火车的装料，要求管线在上一次的装料过程完成后完全地被排空，尤其一些流体如果残留在管道上会变成结晶体，这是一个非常普遍被要求的操作过程。当在下一次装料时，由于管线已经在上一次装料完成后被排空，流量的测量必须在空管的状态下开始。
高准科里奥利流量计在“先管线排空－后启动批次处理”的操作上有一段成功的历史。目前有超过5000台高准流量计成功地应用在这一模式的流程，流量传感器尺寸范围从2寸到6寸都有，流体包括葡萄糖、酚酞、石油产品和流态肥料。在完成装料后，需要排空管道是普遍的操作过程，而这些高准科里奥利流量计可以在整个装料过程中很好地运作，包括在短暂的装料的初始阶段和装料后的用空气（或氮气）排空管道的过程。
■持续性夹带空气
另一种方式是空气可能持续性地夹带在流体里，比方说，如果泵的密封圈泄露，或者是由于容器的低液位而吸入空气，或者由其他方式而持续性地吸入气体到管线上。通常这种掺气的模式夹带的空气在流体的含量会在0~5%的低范围内。高准公司相信，而且多数用户也同意，没有一个科里奥利流量计的供应商对这种掺气模式的流体可以提供完美的流量测量精度。
高准公司一直致力于通过调整信号处理的过程、传感器的设计以及更完善的驱动设计来完善流量计的性能。为对流量计做正确的评估，高准公司定制了一套试验设备，能够对很多种流体做出测试。至今，所测试的流体已经包括啤酒麦芽汁到肥皂（粘度大于5Pa·s）。在过去的一年里，流量计的许多功能被进一步地完善，在不久的将来，下一代的高准科里奥利流量计能够为两相流体提供更可靠的流量测量。
也有少量的用户可能会多次遇到流体里持续性的夹带空气在30%或以上的问题。尽管科里奥利生产商正努力开发他们的技术以面对这方面的问题，但这并不是那些面对两相流体问题的大多数用户所首要考虑的。从我们同客户讨论的过程中，我们相信需要集中精力改善流量计的性能，为客户所面对的最普遍的两相流体“先管线排空 后启动批次处理”和“0～5%持续性掺气”提供更可靠的流量测量。
对掺气（高达30%）和高粘度（高达10Pa·s）流体的测试设备
计算流量计的尺寸
我们理解用户所面对的流体掺气模式和目前流量技术的局限性，为改善他们的科里奥利流量计的表现，用户能做些什么呢？为减轻掺气问题一个简单的现成办法就是：选择正确的流量计尺寸。
许多掺气问题往往发生在高粘度的流体里，而大多数高粘度的流体都是非牛顿性液体。另外，大多数被科里奥利流量计所测量的非牛顿性流体是触变性的（触变性的流体的粘度会随着流速的增加而降低）。多数流量计的尺寸是利用牛顿性流体的粘度来计算的，而这个粘度可能数千倍高过于触变性流体在流动状态下的粘度。这样就造成了所选择的流量计的尺寸过大，通过传感器的流体流速过低而产生了空气和液体的两相分离。
首先用户应该鉴定流体粘度的特性以及它和流速的关系，特别是要考虑到触变性流体的粘度的可变性。一个很好的触变性流体的例子是番茄酱。在静态下的番茄酱非常粘稠，即使瓶口倒转朝下，也不会从瓶子里流出来。但是一旦它开始从瓶子里流出，它就流得很快。管道里的粘稠流体也经常会有这样的表现。因此假如用户告诉科里奥利流量计的销售人员的粘度是流体在静态下的数据，那么流量计的尺寸就不能根据流体在流动状态下的粘度来获得正确的计算。
流量计尺寸的选择在很大程度上依赖于正确的流体粘度的数据，具体有两个例子：根据牛顿性流体粘度来计算流量计的尺寸；根据触变性流体的特性来计算流量计的尺寸。
根据不同的工艺设备，很多种不同尺寸的流量计可能会被选用，为了简化起见，我们只拿了1寸和3寸的流量计作比较。
■根据牛顿性流体粘度计算流量计的尺寸
这个计算例子满足以下假设的工艺条件：流量=500磅/分钟；密度=1.01g/ml；室温和大气压力；牛顿性流体的粘度=4.4Pa·s。
两种不同尺寸流量计所引起的压降：1寸流量计引起压降760psid；3寸流量计引起压降21psid。
两种不同尺寸的流量计在不同流量状态下所引起的压降
1寸流量计所引起的压降超过了正常所能接受的范围，在这种情况下，3寸流量计自然会被选用，也埋下了潜在的隐患，当空气出现在流体里时，流量计的表现会受到很大的影响。主要是因为500磅/分钟（10∶1量程可调率）的流量相对于3寸流量计量程范围来讲很低，空气在传感器里会有聚集成大气泡的趋向从而使流量测量变得完全不可能。
■根据触变性流体的特性计算流量计的尺寸
了解你的流体在流动状态下的粘度不仅会对科里奥利流量计的表现有很大影响，而且也会帮助你使整个操作系统变得更有效以及节省更多的成本。
同时你还可以选择更小的管道，不同的阀门、泵以及包括科里奥利流量计在内的其他系统组成器件。
在这种情况下，小尺寸的流量计有三个主要优点：
1. 由于所给的操作流量对小尺寸的流量计而言会操作在更高的流量范围内，所以小尺寸的流量计有更好的测量精度。
2. 更高的流速会使空气更好地混合于液体中，使得气液混合更加均匀单一。
3. 低成本。
一个好的计算根据，像高准公司销售人员所用的，能够让你输入触变性流体的特性通常是“K&N”值，或者“粘稠指数”和“流量特性指数”。这些是一个简单的动力定律方程式的系数。
一种有着粘度参数K=4.4Pa·s和n＝0.2的测试流体，在先前所给的工艺条件下，被用来估算在1寸和3寸流量计所引起的压降。流体在没有流动的状态下粘度高达4.4Pa·s，但在高流量状态下粘度会下降到只有几个厘泊而已。下面的曲线图比较了两种不同尺寸的流量计在不同流量状态下所引起的压降。
当用牛顿流体粘度4.4Pa·s来计算，3寸流量计所带来的压降都少于21Psid。但考虑到触变性流体的特性，选择1寸流量计是可行的。
根据非牛顿性流体的特性来计算流量计的尺寸最重要的好处是流量计获得了更好的表现，特别是当有气体出现在流体里的情况下。更高的流速使得不同的流体获得更好地混合；更均匀单一的流体自然获得更可靠的流量测量。比较在不同尺寸的科里奥利流量计的相对流速可以用来估计到底多少空气含量是容许的。比如，在同样的流量前提下，流速在1寸流量计大概会比3寸的高出6倍，所以1寸流量计对空气容忍度大概会比3寸的好过6倍。不同的流量计有着不同的流量截图面积；所以要与流量仪表厂商协商计算流量计尺寸所需的各种具体数据。
总结
两相流体的流量测量还会继续为流量技术带来挑战性。科里奥利流量计已经证明了在“先管线排空－后启动批次处理”的工序里有很好的表现。尽管科里奥利流量计厂商还在为持续性掺气流体的流量测量做艰难地研究，但是我们相信最终一定会找出更好地解决这个问题的办法。
另外，通过正确地选择流量计尺寸可以减轻对掺气流体流量测量的困难度。当流体有掺气的可能性时，总是尽量选用较小尺寸的科里奥利流量计。除了需要普通的工艺参数（流量、温度、压力等）外，非牛顿性流体的特性也必须考虑在内。为了保证你得到一个正确尺寸的流量计，要准备好告诉你的流量计的销售人员：
■K&n值，或者“粘稠指数”和“流量特性指数”。
■能接受的最大压降。
通过计算尽可能地选用较小的流量计，这样在流体发生掺气的情况下流量计仍能有很好的表现。随着技术的发展和流量计尺寸的正确选用，科里奥利流量计将在未来几年里更容易地应对流体掺气的流量测量问题。
原载PROCESS《流程工业》杂志(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(4/9/2006) |
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