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质量流量计在气液两相测量中的应用分析 |
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摘 要： 随着社会的发展，人们的生活对流体的应用愈益广泛，尤其是工业界越来越多的生产需要检测和控制流体（包括气体和液体等）的物理参数。本文分析了几种典型流体的流量测量方法，并对科氏质量流量计基本原理和应用进行了阐述。
关键字： 质量流量计 气液两相 应用
1 常见流体的测量方法
1.1 气体流量的测量方法
需要测量流量的气体种类繁多，其测量的仪器仪表也有很大的差别。以天然气流量的测量为例：目前，国际天然气贸易计量分为体积计量、质量计量和能量计量3种，工业发达国家质量计量和能量计量两种方法都在使用，而我国目前基本上以体积计量为主。
1.2 液体流量的测量方法
常见的液体有水、石油、液化气体等。水流量的测量难度不高，不同原理的流量计大多数都可以测量水的容量，但也不是随便装一台就肯定能用好的。这是因为水的洁净程度不同，流体工况条件各异，流量测量的范围就会出现悬殊；石油具有一定的黏稠度，因此不同黏度的石油产品所选择的计量仪器不同，高黏度油品如原油、重油、渣油，为了便于输送，往往被加热到较高的温度。流体中含有固态杂质，测量前还需要过滤；液化气体属于高饱和蒸气压液体，测量时必须考虑气化的问题，因此使用的流量计也比较特殊，如涡街流量计、涡轮流量计、容积式流量计、科氏质量流量计等。
1.3 气液多相流体的测量方法
气液两相流体的流量测量从制造商的资料可看出，有几种仪表可用来测量离散相浓度不高的两相流体的流量，在实际应用中也有一些成功应用的实例，但目前使用的流量计都是在单相流动状态下评定其测量性能，现在还没有以单相流标定的流量计用来测量两相流时系统变化的评定标准，因此这样的应用究竟带来多大的误差还不很清楚，仅有一些零星的数据和一些定性的分析。常用的气液两相流量测量仪器有：电磁流量计、科氏力质量流量计、超声流量计等。
1.4 科氏质量流量计的测量原理
1.4.1 科氏力的形成
由科氏加速度作用产生科氏力。该加速度是法国工程师科里奥利斯在研究水轮机的机械理论时发现的。科氏力，是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述，科里奥利力来自于物体运动所具有的惯性。
在旋转体系中进行直线运动的质点，由于惯性，有沿著原有运动方向继续运动的趋势，但是由于体系本身是旋转的，在经历了一段时间的运动之后，体系中质点的位置会有所变化，而它原有的运动趋势的方向，如果以旋转体系的视角去观察，就会发生一定程度的偏离。
当一个质点相对于惯性系做直线运动时，相对于旋转体系，其轨迹是一条曲线。立足于旋转体系，我们认为有一个力驱使质点运动轨迹形成曲线，这个力就是科里奥利力。
科里奥利力的计算公式为：F=2mVr×ω
式中F为科里奥利力；m为质点的质量；Vr为相对于静止参考系质点的运动速度（矢量）；ω为旋转体系的角速度（矢量）；×表示两个向量的外积符号（Vr×ω：大小等于v·ω·sinθ，，方向满足右手螺旋定则）。
1.4.2 弯管流量计的原理
原理上，当被测介质通过振动的测量管道时，科氏力能直接用于质量流量的测量。测量管道经常呈U形如图所示。管道用刚性固定件支撑，并经激励器E沿A-A'轴产生振动，形成沿该轴的一个旋转参考系统。如果在入口段观察一小团流体，那么它的质量元流出固定端。该质量元随管道半径逐渐增大而作圆弧轨迹运动。当弯管向上运动时，形成一个方向朝下的科氏力。同时，观察出口段的状态，质量元流入固定端。同样产生一个方向朝上的科氏力。由B称的配置在两边呈现出相同数值但不同符号的科氏力。在流体流动时，由于力矩的作用，导致测量管道沿B-B'轴产生一个附加的扭曲运B动。在入口段和出口段分别安装传感器S1和S2检测管道沿A-A'和B-B'轴的位移量。信号过零点的时间差事管道扭曲的检测量，它与通过管道的质量流量成正比。
科氏质量流量计原理的结构
1.4.3 单直管流量计的测量原理
两端拉紧固定的测量管道是直径d和长度l的钛合金管。由安装在管道中间的振动装置以一阶模式方式产生振动。工作频率fB=ωB/2π接近于一阶频率。在传感器检测位置±z=±l/3处，振动幅度调整约为x±m（±z）。如果流体质量元m以速度v流过由角速度ω振动的管道，那么这质量元就会在管壁上产生科氏力，即FC=2mv×ω在管道的前后半段上，除了一阶谐振外，还产生作用力方形相反的二阶模式振动。一阶和二阶模式振动的叠加在时间上产生90°的相移。因此，当管道中存在质量流量时，测量管道产生摆动运动。
1.4.4 双直管流量计的测量原理
双直管质量流量计有2根测量管道、优化的流速分配器、4个位移传感器和2个电磁式振荡驱动器组成。其原理是：2个电磁式振荡驱动器以谐振频率使两根测量管道同步的相向振动。每个电磁式驱动器两边的对称位置各安装有一个位移检测传感器用于测量科氏力效应。当没有介质流过测量管道时，测量管道处于自然谐振状态。2个位移传感器所测到的位移正弦信号无相位差。 当有介质流过时，由于有科氏力FC的作用，测量管道有微小的变形，从而使2个位移传感器有相位偏差。该相位偏差与科氏力FC成正比，即与流过测量管道的质量流量成正比。相当于2个单直管质量流量计轴向对称地同步工作。
2 科氏质量流量计的优缺点
2.1 科氏质量流量计的优点
时间差与测量效应成线性关系；直接测量质量流量；测量仪还可附加检测流体密度ρ 和介质温度T ；测量结果有很高的精度（典型的精度：质量流量为±0.1%+ 末端值的±0.005% ；密度ρ为±0.5kg/m3；ΔT为±0.05%+5℃）；测量结果与压力和温度无关；测量结果与流体的性能（密度、黏度、电导率和热导率）无关；测量结果与流速分布无关，即不需要特殊的入口引导管道，流量计能测量真正的质量流量平均值；出口端不需要施加反压力，也就不需要出口引导导管；安装位置可以任意选择；可进行双向测量；所有可加压力的介质都能测量，如液态和气态介质，特别是受污染有腐蚀性的介质。
2.2 科氏流量计的缺点
除了上述大量优点外，同样也存在不足，如：流量计价格贵，复杂几何形状的测量管道使压力损耗增大；除单直管外，有些流量计弯头较多，很难清洗，而且自行排空能力差；测量管道的材料与被测介质要注意它们的相容性；可测量最大的流量限制为680T/h ；强烈的振动和冲击会影响流量计的机械装置，严重时产生较大的测量误差；有些流量计的安装受到安装规程的限制；采用流量分配器的流量计，在测量不均匀的介质时，会产生较大的测量误差；测量高黏度介质要求附加激励能量和需要特殊的标定等。
3 科氏质量流量计在气液两相测量中的应用
科氏质量流量计的应用已遍及几乎所有工业领域。主要原因是高精度和大量程，这是大多数其他流量测量方法所没有的。通常科氏质量流量计的精度如下：
液体：±0.10%（示值相对误差）± 零点的稳态值。
气体：±0.50%（示值相对误差）± 零点的稳态值。
3.1 丙烯气液两相流量测量技术参考
丙烯（propylene）常温下为无色、无臭、稍带有甜味的气体。分子量42.08，在标准大气压下密度0.5139g/cm3（20/4℃），冰点-185.3℃，沸点-47.4℃。丙烯在输送和储存中必须进行加压处理，另外，这种流体的流量测量中容易因仪表的压力损失而在流量计的出口处产生气穴和伴随而来的气蚀现象，引起流量计示值偏高和流量一次装置受损。
3.2 丙烯流量测量系统误差的生成与处理
在输送过程中当温度将降低或由于调节阀突然关小导致管道内压力增加时，丙烯会处于气液两相状态。此时，丙烯气液混合物密度相应会发生变化，因而给质量流量计测量带来误差。误差可以通过密度补偿来处理。
一常用压力为1.0MPa 的丙烯气体，其流量为qm，假设经长距离输送后有10%qm冷凝成液态，令其为qml，而保持气态的部分为qms，从定义知，此时湿气的干度为
采用温度补偿，所以按照临界饱和状态查表，得到此时的丙烯气体密度为ρs，液体密度为ρL，显然液体与气体部分的体积流量为
式中qvl表示丙烯液体的体积流量，m3/s；qvs表示丙烯气体部分的体积流量，m3/s。
由定义知，气体干部分流量占气液两相总体积流量qv之比Rv为
因为
所以
在该例中，Rv=99.93%，由此可见，在气液混合中，液体部分占的体积基本可以忽略不计。
另外，为了避免丙烯流量测量时出现气液两相混合现象，选用下面的设计和安装方法将是有效的。
3.2.1 选用更精确的仪表
近年来，科氏力流量计的制造技术获得了快速发展，例如CMF100传感器与2700变送器配用，测量液体时，流体的质量流量精确度可达流量值的±0.05%，而且已延伸到气体流量的测量。应用上述配置的流量计测量气体质量流量，精确度可达流量值的±0.35%。并且能直接显示质量流量。
3.2.2 合理选择安装位置
流量传感器安装位置应选择在槽的顶部出口管道上。保证直管段的前提下，与槽的出口处尽量近些。这样，丙烯在输送过程中，可减少经输送管道从大气中吸收热量。同时，安装位置应尽量低些，这样可提高过冷深度。
3.2.3 将调节阀安装在流量计后边
丙烯中间槽与丙烯分离器之间有较大压差，此压差绝大部分降落在调节阀上。丙烯流过此阀时，压力突然升高，一定数量的气体液化，从而出现气液两相流。为了避免流过流量计的流体中存在两相流，节流阀必须装在流量计下游。
3.3 提高丙烯流量测量精确度的方法
大部分质量流量计制造商以“量程误差加零点不稳定度”的方式表达基本误差，这是因为这种仪表零点稳定性较差。这种表达方式初看上去精确度很高，但计入零点不稳定度后，精确度并不那么高。
零点不稳定性通常以%FS表示，也有以流量值kg/min表示，零点不稳定度一般在±（0.01~0.04）%FS之间。当流量为下限流量时，因零点不稳定性引入的误差是很可观的，所以仪表选用时，应将口径选得尽可能小一些，这样可将零点不稳定度的数值减小，提高实际得到的测量精确度。
参考文献
[1]张可欣.城镇供水排水行业流量计量仪表的选型与应用技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2010，5.
[2]梁国伟 蔡武昌.流量测量技术及仪表[M].北京：机械工业出版社，2002，5.
[3]纪纲.流量测量仪表应用技巧[M].北京：化学工业出版社，2009，7.
[4]郑德智，樊尚春，刑维魏.科氏质量流量计相位差检测新方法[J].仪器仪表学报，2005，26(5).(end)
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(8/29/2013) |
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