質量流量計在氣液兩相測(cè)量中的應(yīng)用分析

1 常見流(liú)體的測量方(fāng)法(fǎ)  
1.1氣體流量的測(cè)量方法  
需要測量流量的氣體種類(lèi)繁多，其測量的儀器儀表也有很大的差别。以天然氣流量的測量爲例：目前，天然(rán)氣貿易計量分爲體(tǐ)積計量、質量計量和能量計量 3種，工業發達國家質量計量和能量計量兩種方法(fǎ)都在使用，而我國目前基本上以體積計量爲主。  
1.2 液體流量的測量方法  
常見的液(yè)體有水、石油、液化(huà)氣體等。水流量的測量難度(dù)不高，不同原理的流量計大多(duō)數都可以測(cè)量水的容量，但也(yě)不是随便裝一(yī)台就肯定能用好的。這是因爲水的潔淨程度不同，流體(tǐ)工況條件各異，流(liú)量測量的範(fàn)圍就(jiù)會出現懸殊；石(shí)油具有一定的黏稠(chóu)度，因(yīn)此不同黏度的石油産品所選擇的計量儀器不同，高黏(nián)度油品如原油、重油、渣油，爲了便(biàn)于輸送，往往(wǎng)被加熱到(dào)較高的溫度。流體中含有固态雜質，測量前還(hái)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，因此使用的流量計也比較特(tè)殊，如渦街流量(liàng)計、渦輪流量計、容積式流量計、科氏(shì)質量流量計等。  
1.3 氣液(yè)多相流體(tǐ)的測量方法  
氣液兩相(xiàng)流(liú)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(liú)量，在實際應用中也有一些成功應用的實例，但目前使用的流量計都(dōu)是在單相流動狀态下評定其測量性能，現在(zài)還沒有以單相流标定的流量計用來(lái)測量兩相流時系統變化的評定标準，因此這樣(yàng)的應用究竟帶來多(duō)大的誤差還不很清楚，僅有一些零(líng)星的數據和一些定性的分析。常用(yòng)的氣液兩相流(liú)量測量儀器有：電磁(cí)流量計、科氏力(lì)質量流量計、超聲流量計等。  
1.4 科(kē)氏質量流量計的測量原理  
1.4.1 科氏力的形(xíng)成  
由(yóu)科氏加速度作用産生科氏力。該加速度是法國工程師科裏(lǐ)奧利斯在(zài)研究水輪機的機械(xiè)理論時發現的。科氏力，是對旋轉體系(xì)中進行直線(xiàn)運動的質點由于慣性相對于旋轉體系産生的直線運動的偏移的一(yī)種描述，科(kē)裏奧利力來自于物體運動所具有的慣性。  
在旋轉體系中進(jìn)行直線運動的質點，由于慣性，有沿著原有運(yùn)動(dòng)方向繼續運動(dòng)的(de)趨勢，但是由于體系本身是旋轉的，在經曆了(le)一段時間的運動之後，體(tǐ)系中質點的位置會有所變化(huà)，而它原有的運動趨(qū)勢的方向，如果以旋轉體(tǐ)系的視角去觀察，就會發生一定程(chéng)度的偏離。  
當一(yī)個質點相對于慣(guàn)性系做直線運動時，相對于旋轉體系，其軌迹是一條曲(qǔ)線。立足(zú)于旋轉體系，我們(men)認爲有一個力驅(qū)使質點運動軌迹形成曲(qǔ)線，這個力就是科裏奧(ào)利力。  
科裏奧利力的計算公式爲： F=2mVr×ω 
式中 F爲科(kē)裏奧利力； m爲質點的質量； Vr爲相(xiàng)對于(yú)靜止參考(kǎo)系質(zhì)點的運動(dòng)速度（矢量）； ω爲旋轉體系的(de)角速度（矢量）； ×表示兩(liǎng)個向量的外積符号(hào)（ Vr×ω：大小等于 v·ω·sinθ，，方向滿足右手螺旋定則）。  
1.4.2 彎管流量計的(de)原理  
原理上，當被測介質通過振動(dòng)的測量管道時，科氏力能(néng)直接(jiē)用于質量流量的(de)測量。測量管道經常呈(chéng) U形如圖所示。管道用剛性(xìng)固定件支撐，并經激勵器(qì) E沿 A-A\'軸産生振動(dòng)，形成沿該軸的一個旋轉參考(kǎo)系統。如果在入口段觀察一(yī)小(xiǎo)團流體，那麽它(tā)的質量元流出(chū)固定端。該質量元随管道半徑逐漸(jiàn)增大而作圓弧軌迹運動。當彎管向上運動時，形成一個方向朝下的科(kē)氏力。同時，觀察出口段的狀态，質量元流入固定端。同樣産生一個方向朝上的科氏(shì)力。由 B稱的配置(zhì)在(zài)兩邊(biān)呈現出相同數值但不同(tóng)符号的科氏力。在流體(tǐ)流動時，由于力矩的作用，導緻測量管道沿 B-B\'軸産生一個附加的扭曲運 B動。在入(rù)口段和出(chū)口段分别安裝傳感器 S1和(hé) S2檢測管(guǎn)道沿 A-A\'和 B-B\'軸的位移(yí)量。信(xìn)号過零點的時間差(chà)事管道扭(niǔ)曲的檢測量，它(tā)與通過管道的質量流量成正比。
科氏質量流(liú)量計(jì)原理的結構

1.4.3 單直管流量計的測量原理  
兩端拉緊(jǐn)固定的測量管道是直徑 d和長(zhǎng)度 l的钛合金管。由安裝在(zài)管道中間(jiān)的振動裝置以(yǐ)一階模式方式産生振動。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，振動幅度調整約爲 x±m（ ±z）。如(rú)果(guǒ)流體質量元 m以(yǐ)速度 v流過(guò)由角速度 ω振動的管道，那麽這質量元就會在管壁上産生(shēng)科氏力，即 FC=2mv×ω在管(guǎn)道的(de)前(qián)後半段上，除了一階諧振外，還産(chǎn)生作用力方形相(xiàng)反的二(èr)階模式振(zhèn)動。一階和二(èr)階(jiē)模式振動的疊加(jiā)在時間上産生 90°的相移。因此，當管道中(zhōng)存在質量流(liú)量時，測量(liàng)管道産生擺動運

1.4.4 雙直管流量計的測量原理  

雙直管質量流量計有 2根測量(liàng)管道、優化的流速分配(pèi)器、 4個位移傳感器(qì)和 2個電(diàn)磁式振蕩驅動器組成。其原理是： 2個電磁式(shì)振蕩驅動器以諧振頻率使兩(liǎng)根測量管道同步的相(xiàng)向振(zhèn)動(dòng)。每個電磁式驅動器兩邊的(de)對稱位(wèi)置各安裝有一(yī)個位移檢測傳感器用于測量科氏力效應。當沒有介(jiè)質流過測量管道時，測量(liàng)管道處于自然諧振狀态。 2個位移傳感器所測到(dào)的位移正弦信号無相位差。 當有介(jiè)質流(liú)過時，由于有科(kē)氏(shì)力 FC的作(zuò)用，測量管道有微小的變形，從(cóng)而使 2個位移傳感器有相位偏差。該相位(wèi)偏差與科氏力 FC成正比，即(jí)與流過測量管道的質量流量成正比。相(xiàng)當于(yú) 2個單直管質量流量計(jì)軸向對稱地同步工作。  

2 科氏質量(liàng)流量計的優缺點  

2.1 科氏質量流量計(jì)的優點  

時間差與(yǔ)測量效應成線性關系；直接(jiē)測量質量流量(liàng)；測量儀還可附加檢測流體密度 ρ 和介質(zhì)溫度 T ；測量結果有很(hěn)高的精度（典型(xíng)的精度：質量流量爲(wèi) ±0.1%+ 末端(duān)值的 ±0.005% ；密度 ρ爲(wèi) ±0.5kg/m3； ΔT爲 ±0.05%+5℃ ）；測量(liàng)結果與壓力和溫(wēn)度無關；測量結果與流體的性能（密度、黏度、電導率和(hé)熱導率）無(wú)關；測量結果與流(liú)速分布無關，即不需要(yào)特殊的入(rù)口(kǒu)引導管道，流量計能測量真(zhēn)正的質量流量平均值；出(chū)口端不需要施加反壓力，也就不需(xū)要出口引導導管；安裝位(wèi)置可以任(rèn)意選(xuǎn)擇；可進行(háng)雙向測量；所有可加壓力的介質都能測(cè)量，如液态和氣态介質，特别是(shì)受污染有腐(fǔ)蝕性的介質。  

2.2 科氏流量計的缺點  

除了(le)上述大量優點外，同(tóng)樣也存在(zài)不足，如：流(liú)量計價格貴，複雜幾何形(xíng)狀的測量管道使壓力損耗增大；除單直管外，有(yǒu)些流量(liàng)計彎頭較多，很難清洗，而(ér)且自行排空能力差；測量管道的材料與被測介質要注(zhù)意它(tā)們的相容性；可測量zui大的流量限制爲 680T/h ；強烈的振動和沖擊會(huì)影響(xiǎng)流量計的機械裝(zhuāng)置，嚴重時産生較大的(de)測量誤差；有(yǒu)些流量計的安裝(zhuāng)受到(dào)安裝規程的(de)限(xiàn)制；采用流量分配器的流量計，在測量不均勻的介(jiè)質時(shí)，會産生較大(dà)的測量誤差；測量(liàng)高黏度介質要求附加激勵能量和(hé)需要特殊的标定等。  

3 科氏質量流量計在氣液兩相測量(liàng)中的應用  

科(kē)氏質量(liàng)流量計(jì)的應用已遍及幾乎所有工業領域。主要原因是高精(jīng)度和大量程，這是大多數其他(tā)流量測量方法所(suǒ)沒有的。通常科氏質量流量計的精度如下(xià)：  

液體： ±0.10%（示值相(xiàng)對誤差） ± 零點的穩态值。  

氣體： ±0.50%（示值相對誤差） ± 零點(diǎn)的穩态值。  

3.1 丙烯氣(qì)液兩(liǎng)相流量(liàng)測量技術參考  

丙烯(xī)（ propylene）常溫下爲無(wú)色、無臭、稍帶有甜(tián)味的氣體。分子量 42.08，在标準(zhǔn)大氣壓下(xià)密度 0.5139g/cm3（ 20/4℃ ），冰點 -185.3℃ ，沸點 -47.4℃ 。丙烯在輸送和儲存中必(bì)須進行加壓處理，另外，這(zhè)種流(liú)體的流量測量中容易因儀表(biǎo)的壓力損失而在流量計的出口處産生(shēng)氣穴和伴随而來的氣蝕現象，引起流量計示值偏(piān)高和流量一次(cì)裝置受損。  

3.2 丙烯流量測量系(xì)統誤差的生成與處理  

在輸送過程中當溫度将降低或由于調節閥突然(rán)關小導緻(zhì)管道内壓力增(zēng)加時(shí)，丙烯會處于氣液兩相狀(zhuàng)态。此時，丙(bǐng)烯氣液混合物密度相應會發(fā)生變(biàn)化，因(yīn)而給質量(liàng)流量計測(cè)量帶來誤差。誤差(chà)可以通過密度補償來處理。  

一常用壓力爲 1.0MPa 的丙烯氣(qì)體，其流量爲 qm，假(jiǎ)設經長距(jù)離輸送後有 10%qm冷凝成液态，令其爲 qml，而保持氣态的部分爲 qms，從定義知，此時濕氣的幹度爲

采用(yòng)溫度補償，所以按(àn)照臨界飽和狀态查表，得到此(cǐ)時的丙烯氣體密度爲(wèi) ρs，液體密度爲 ρL，顯然液(yè)體與氣體部分的體積流量(liàng)爲

式中 qvl表示丙烯液體的體積流量， m3/s； qvs表示丙烯(xī)氣體部分的體積(jī)流量， m3/s。  

由定義知，氣體幹部(bù)分流量占氣液兩相(xiàng)總體積流量 qv之比 Rv爲

因(yīn)爲

所以

在該例中， Rv=99.93%，由此可見，在氣(qì)液混合中，液體部(bù)分(fèn)占的體積基本可以忽略不計(jì)。  

另外，爲了避免丙烯流量測量時出(chū)現氣液兩相混(hùn)合現(xiàn)象，選用下面的設計和安裝方法将是(shì)有效的(de)。  

3.2.1 選用更的(de)儀表  

近年來，科(kē)氏力流量計的制造技術獲得了快速(sù)發展，例如 CMF100傳(chuán)感器與 2700變送器配用，測量液體時，流體的質量流量度可達流量值(zhí)的 ±0.05%，而且已延伸到氣體流量的(de)測量。應用上述配置(zhì)的流量計測量氣體質量流量，度可達流(liú)量值的 ±0.35%。并且能直接顯示(shì)質量流量。  

3.2.2 合理選擇(zé)安裝位置  

流量傳感(gǎn)器安裝位置應選擇在槽的頂部出口管道上。保證直管段的前提下，與(yǔ)槽的出口處盡(jìn)量(liàng)近些。這樣，丙烯在輸送過(guò)程中，可減少經輸(shū)送管道從大氣中吸收熱量。同時，安裝位置應盡量低些，這樣可提高(gāo)過冷深度。  

3.2.3 将調節(jiē)閥安裝在流量計後邊(biān)  

丙烯中間槽與丙烯分離器之間(jiān)有較大壓差，此壓差絕大部(bù)分降落(luò)在調節閥上。丙烯(xī)流過此(cǐ)閥時，壓力突然升高，一定(dìng)數量的氣體液化，從而出現氣液兩相(xiàng)流。爲了避免(miǎn)流過(guò)流量計的流體中存在(zài)兩相流，節流(liú)閥必須裝在流量計下遊。  

3.3 提高(gāo)丙烯流量測量度的方法  

大部(bù)分質量流量計制(zhì)造商以 “量程誤差加(jiā)零點不穩定(dìng)度 ”的方式表達基本誤差，這是因爲(wèi)這種儀表零點穩定性較差。這種表達方式初看上去度很高，但計入零點不穩定度後，度并不那(nà)麽高。  

零點(diǎn)不穩定性通常以 %FS表示，也有(yǒu)以(yǐ)流量值 kg/min表(biǎo)示，零點不穩定度一般在(zài) ±（ 0.01~0.04） %FS之間。當流量爲下限(xiàn)流量時，因(yīn)零點不(bú)穩(wěn)定性引入的誤差是(shì)很(hěn)可觀的，所以儀表(biǎo)選用時，應将口徑選得盡可能小一些，這(zhè)樣可将零點不穩定度的(de)數值(zhí)減小，提高實際(jì)得到的測量(liàng)度(dù)。  

參考文獻(xiàn)  
[1]張(zhāng)可欣 .城鎮供(gòng)水排水行(háng)業流量計量儀表的選型與應用技術 [M].北京：中國建築工業出版社(shè)， 2010， 5. 
[2]梁國偉 蔡武昌 .流量測量(liàng)技術及儀表 [M].北京：機械工業出(chū)版社， 2002， 5. 
[3]紀綱 .流量測量儀表(biǎo)應用技巧 [M].北京：化學工(gōng)業出版社， 2009， 7. 
[4]鄭德智，樊尚(shàng)春，刑維魏 .科氏(shì)質量流量計相位差檢測新方法 [J].儀器儀表學報， 2005， 26(5).(end)