質(zhì)量流量計(jì)在氣液兩相測(cè)量中的應(yīng)用分析
1 常見(jiàn)流體的測(cè)量方法
1.1氣體流量的測(cè)量方法
需要測(cè)量流量的氣體種類(lèi)繁多，其測(cè)量的儀器儀表也有很大的差別。以天然氣流量的測(cè)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(guó)家質(zhì)量計(jì)量和能量計(jì)量?jī)煞N方法都在使用，而我國(guó)目前基本上以體積計(jì)量為主。
1.2 液體流量的測(cè)量方法
常見(jiàn)的液體有水、石油、液化氣體等。水流量的測(cè)量難度不高，不同原理的流量計(jì)大多數(shù)都可以測(cè)量水的容量，但也不是隨便裝一臺(tái)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(cè)量的范圍就會(huì)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?jī)x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(cè)量前還需要過(guò)濾；液化氣體屬于高飽和蒸氣壓液體，測(cè)量時(shí)必須考慮氣化的問(wèn)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(cè)量方法
氣液兩相流體的流量測(cè)量從制造商的資料可看出，有幾種儀表可用來(lái)測(cè)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(dòng)狀態(tài)下評(píng)定其測(cè)量性能，現(xiàn)在還沒(méi)有以單相流標(biāo)定的流量計(jì)用來(lái)測(cè)量?jī)上嗔鲿r(shí)系統(tǒng)變化的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，因此這樣的應(yīng)用究竟帶來(lái)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(cè)量?jī)x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(cè)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(guó)工程師科里奧利斯在研究水輪機(jī)的機(jī)械理論時(shí)發(fā)現(xiàn)的?？剖狭?，是對(duì)旋轉(zhuǎn)體系中進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)由于慣性相對(duì)于旋轉(zhuǎn)體系產(chǎn)生的直線運(yùn)動(dòng)的偏移的一種描述，科里奧利力來(lái)自于物體運(yùn)動(dòng)所具有的慣性。
在旋轉(zhuǎn)體系中進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)，由于慣性，有沿著原有運(yùn)動(dòng)方向繼續(xù)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，但是由于體系本身是旋轉(zhuǎn)的，在經(jīng)歷了一段時(shí)間的運(yùn)動(dòng)之后，體系中質(zhì)點(diǎn)的位置會(huì)有所變化，而它原有的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的方向，如果以旋轉(zhuǎn)體系的視角去觀察，就會(huì)發(fā)生一定程度的偏離。
當(dāng)一個(gè)質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于慣性系做直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，相對(duì)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(gè)力驅(qū)使質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡形成曲線，這個(gè)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(duì)于靜止參考系質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度（矢量）；ω為旋轉(zhuǎn)體系的角速度（矢量）；×表示兩個(gè)向量的外積符號(hào)（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(cè)介質(zhì)通過(guò)振動(dòng)的測(cè)量管道時(shí)，科氏力能直接用于質(zhì)量流量的測(cè)量。測(cè)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(lì)器E沿A-A\'軸產(chǎn)生振動(dòng)，形成沿該軸的一個(gè)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(dòng)。當(dāng)彎管向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，形成一個(gè)方向朝下的科氏力。同時(shí)，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(gè)方向朝上的科氏力。由B稱(chēng)的配置在兩邊呈現(xiàn)出相同數(shù)值但不同符號(hào)的科氏力。在流體流動(dòng)時(shí)，由于力矩的作用，導(dǎo)致測(cè)量管道沿B-B\'軸產(chǎn)生一個(gè)附加的扭曲運(yùn)B動(dòng)。在入口段和出口段分別安裝傳感器S1和S2檢測(cè)管道沿A-A\'和B-B\'軸的位移量。信號(hào)過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間差事管道扭曲的檢測(cè)量，它與通過(guò)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(cè)量原理
兩端拉緊固定的測(cè)量管道是直徑d和長(zhǎng)度l的鈦合金管。由安裝在管道中間的振動(dòng)裝置以一階模式方式產(chǎn)生振動(dòng)。工作頻率fB=ωB/2π接近于一階頻率。在傳感器檢測(cè)位置±z=±l/3處，振動(dòng)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(guò)由角速度ω振動(dòng)的管道，那么這質(zhì)量元就會(huì)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(dòng)。一階和二階模式振動(dòng)的疊加在時(shí)間上產(chǎn)生90°的相移。因此，當(dāng)管道中存在質(zhì)量流量時(shí)，測(cè)量管道產(chǎn)生擺動(dòng)運(yùn)
1.4.4 雙直管流量計(jì)的測(cè)量原理
雙直管質(zhì)量流量計(jì)有2根測(cè)量管道、優(yōu)化的流速分配器、4個(gè)位移傳感器和2個(gè)電磁式振蕩驅(qū)動(dòng)器組成。其原理是：2個(gè)電磁式振蕩驅(qū)動(dòng)器以諧振頻率使兩根測(cè)量管道同步的相向振動(dòng)。每個(gè)電磁式驅(qū)動(dòng)器兩邊的對(duì)稱(chēng)位置各安裝有一個(gè)位移檢測(cè)傳感器用于測(cè)量科氏力效應(yīng)。當(dāng)沒(méi)有介質(zhì)流過(guò)測(cè)量管道時(shí)，測(cè)量管道處于自然諧振狀態(tài)。2個(gè)位移傳感器所測(cè)到的位移正弦信號(hào)無(wú)相位差。 當(dāng)有介質(zhì)流過(guò)時(shí)，由于有科氏力FC的作用，測(cè)量管道有微小的變形，從而使2個(gè)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(guò)測(cè)量管道的質(zhì)量流量成正比。相當(dāng)于2個(gè)單直管質(zhì)量流量計(jì)軸向?qū)ΨQ(chēng)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(shí)間差與測(cè)量效應(yīng)成線性關(guān)系；直接測(cè)量質(zhì)量流量；測(cè)量?jī)x還可附加檢測(cè)流體密度ρ 和介質(zhì)溫度T ；測(cè)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(cè)量結(jié)果與壓力和溫度無(wú)關(guān)；測(cè)量結(jié)果與流體的性能（密度、黏度、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率）無(wú)關(guān)；測(cè)量結(jié)果與流速分布無(wú)關(guān)，即不需要特殊的入口引導(dǎo)管道，流量計(jì)能測(cè)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(cè)量；所有可加壓力的介質(zhì)都能測(cè)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?jī)?yōu)點(diǎn)外，同樣也存在不足，如：流量計(jì)價(jià)格貴，復(fù)雜幾何形狀的測(cè)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(cè)量管道的材料與被測(cè)介質(zhì)要注意它們的相容性；可測(cè)量zui大的流量限制為680T/h ；強(qiáng)烈的振動(dòng)和沖擊會(huì)影響流量計(jì)的機(jī)械裝置，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生較大的測(cè)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(cè)量不均勻的介質(zhì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差；測(cè)量高黏度介質(zhì)要求附加激勵(lì)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(cè)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(cè)量方法所沒(méi)有的。通?？剖腺|(zhì)量流量計(jì)的精度如下：
液體：±0.10%（示值相對(duì)誤差）± 零點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)值。
氣體：±0.50%（示值相對(duì)誤差）± 零點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)值。
3.1 丙烯氣液兩相流量測(cè)量技術(shù)參考
丙烯（propylene）常溫下為無(wú)色、無(wú)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(chǔ)存中必須進(jìn)行加壓處理，另外，這種流體的流量測(cè)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(lái)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(cè)量系統(tǒng)誤差的生成與處理
在輸送過(guò)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(shí)，丙烯會(huì)處于氣液兩相狀態(tài)。此時(shí)，丙烯氣液混合物密度相應(yīng)會(huì)發(fā)生變化，因而給質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量帶來(lái)誤差。誤差可以通過(guò)密度補(bǔ)償來(lái)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(zhǎng)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(shí)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(shí)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(jiàn)，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(cè)量時(shí)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(lái)，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(cè)量液體時(shí)，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(cè)量。應(yīng)用上述配置的流量計(jì)測(cè)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(guò)程中，可減少經(jīng)輸送管道從大氣中吸收熱量。同時(shí)，安裝位置應(yīng)盡量低些，這樣可提高過(guò)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(guò)此閥時(shí)，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(guò)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(cè)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(shí)，因零點(diǎn)不穩(wěn)定性引入的誤差是很可觀的，所以?xún)x表選用時(shí)，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(cè)量度。
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