影響科氏力流量計的因素分析及應(yīng)用

吳維新

(中國石化武漢分公司計量站，武漢 430082)

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影響科氏力流量計的因素分析及應(yīng)用

吳維新

(中國石化武漢分公司計量站，武漢 430082)

從溫度、壓力、粘度、流體狀態(tài)、振動、兩相流、零點穩(wěn)定性方面討論影響科氏力流量計的因素，并采取相應(yīng)對策減少或消除這些測量誤差，提高科氏力流量計測量精度，保證科氏力流量計計量系統(tǒng)不確定度<0.3%；最后簡述科氏力流量計在我公司對外貿(mào)易交接計量的成功應(yīng)用。

科氏力流量計；測量誤分析；測量不確定度

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，高精度質(zhì)量流量計在石化行業(yè)應(yīng)用越來越廣泛；由于精細化管理深入，對科氏力流量計應(yīng)用要求也越來越高，因此工藝狀況及物理參數(shù)對科氏力流量計測量精度影響越來越得到重視。

1 科氏力流量計的工作原理

科里奧利質(zhì)量流量計(簡稱科氏力流量計)基于下述原理：當一個位于一旋轉(zhuǎn)體(管道)內(nèi)的質(zhì)點作向心或背離旋轉(zhuǎn)中心的運動時，將產(chǎn)生一慣性力，這個力來自管道，而流體質(zhì)點反作用于管道上的力就是科氏力，測量在旋轉(zhuǎn)管道中流體的科氏力就可以直接測得質(zhì)量流量。當液體在處于振動狀態(tài)的測量管中流動時，測量管除以自激振蕩頻率ω做主振動外，由于科氏力的存在，還使測量管產(chǎn)生同一頻率下的強制扭轉(zhuǎn)振動。屆時，測量管實際處于同一頻率的主振動與扭轉(zhuǎn)振動之復(fù)合振動之中。通過對簡諧振動運動方程及穩(wěn)定解和數(shù)學(xué)推導(dǎo)分析出測量管進、出口檢測信號的相位差Δt與質(zhì)量流量qm的關(guān)系(有關(guān)數(shù)學(xué)推導(dǎo)省略)：

(1)

式中：G為測量管材料的剪切彈性模量；K為決定于測量管結(jié)構(gòu)尺寸量；ω為主振動角頻率，rad/s；ωθ為測量管扭轉(zhuǎn)振動的角頻率，rad/s；Δt為測量管兩檢測信號時間差，s。

這就是科科氏力流量計流量測量數(shù)學(xué)模型。通過傳感器的設(shè)計，把對科里奧利力的測量變成對振動管兩側(cè)時差的測量，這就是流量傳感器的工作原理。

2 測量因素對科氏力流量計影響分析

從科氏力流量計測量質(zhì)量流量數(shù)學(xué)模型可以看出，一種理想的科氏力流量計將不受流體熱力學(xué)狀態(tài)(密度、溫度、壓力)的影響，不受它的流變學(xué)特性(動力粘度)的影響，也不受流動狀態(tài)(雷諾數(shù)、流速分布)的影響。但實際上，由于科氏力流量計是利用金屬薄管的機械振動作為敏感元件來檢測流量，因此它不可避免地會受到各種物理參數(shù)不同程度的影響，迄今尚無“絕對理想”的流量儀表。

2.1 溫度影響

當被測液體溫度升高時，科氏力流量計的振動管系統(tǒng)的剛性減少，這是由于測量管材料的固有彈性常數(shù)產(chǎn)生變化的原因，從式(1)彈性模量G減少，則流量qm減少。由于傳感器安裝RTD溫度傳感器檢測測量管的溫度，介質(zhì)工藝溫度變化引起傳感器測量管材料彈性模量變化所產(chǎn)生的誤差在儀表設(shè)計中已經(jīng)作了補償。但零點穩(wěn)定性受溫度的影響效應(yīng)是不能被補償?shù)?，因為它是由傳感器中幾何結(jié)構(gòu)的不均衡引起的，是無規(guī)律性的。環(huán)境溫度的變化會引起電子元器件的性能漂移，以致影響儀表的信號處理電路和模擬輸出電路，但影響比較小，因此改善電子元器件的性能，提高其穩(wěn)定性，可保證計量準確性。

2.2 壓力影響

在一般測量環(huán)境和工況條件下，介質(zhì)溫度和壓力變化的影響很小。但在實際工作條件下，如果介質(zhì)溫度、壓力與標定時溫度、壓力差異很大時，對于精密測量，則應(yīng)給以必要的修正。

由式(1)表明:當測量介質(zhì)的壓力、溫度改變時，傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸會發(fā)生變化，則K會發(fā)生變化。溫度變化，影響K的變化不大，廠家在儀表出廠給出溫度修正系數(shù)；而壓力的影響較大，這是由于傳感器的U形管是一個彈性體，一般管壁較薄，壓力增大，K值增大，反應(yīng)在流量計上，一定的流量，只要壓力增大，流量計的顯示值將減小。

根據(jù)國外科氏力流量計資料表明：傳感器型號不同，壓力變化對流量修正系數(shù)不同。如果工藝壓力相對穩(wěn)定，可以通過調(diào)整流量系數(shù)確定壓力補償。為了避免實際應(yīng)用中壓力變化對流量計測量精度的影響，采取以下方法：選型時盡量選用受壓力變化影響小的科氏力流量計；流量計進行在線檢定；在不具備在線檢定條件時，也應(yīng)使流量計在工作壓力下進行離線檢定；受壓力影響所產(chǎn)生附加誤差的變化較穩(wěn)定的流量計，可采用安裝壓力變送器的方法以軟件的方式進行實時的壓力補償計算。

2.3 粘度影響

粘度對科氏力流量計影響極微少，通常應(yīng)用中不需要補償。但當液體粘度過高時，可能會消耗激勵驅(qū)動系統(tǒng)較多的能量，特別是在流動開始時，這種現(xiàn)象可能引起測量管瞬間阻塞，直到流量達到適當?shù)某潭葹橹?。這種情況下，通常會在變送器內(nèi)引起一個瞬間報警狀態(tài)。有的產(chǎn)品帶有輔助電源箱，當粘度升高時，接入激勵系統(tǒng)，以補充其能量不足。

2.4 流動狀況的影響

由上游和下游管子的構(gòu)成狀態(tài)所引起的旋渦和非均勻的畸形流速分布，科氏力流量計的性能通常是不受影響的，因而一般不要求專門的直管段。盡管如此，一個好的管路系統(tǒng)均應(yīng)遵守最優(yōu)的原則?？剖狭α髁坑嬕话阋材茉诿}動流條件下應(yīng)用。但流體脈沖頻率同管子振動頻率相近時，就會影響科氏力流量計的性能，這要求避開諧振頻率這樣的脈沖狀況，也可采用脈沖減振器。

2.5 振動影響

由于科氏力流量計是基于振動原理而工作的，如何防止來自泵、管路系統(tǒng)及其他機械的外來振動以及流動介質(zhì)的水力學(xué)噪聲等對儀表性能的影響，是十分重要的問題。主要有4個方面的措施來解決：1)在產(chǎn)品設(shè)計上加以考慮。所有設(shè)計者都采取了不同程度的抑制振動對測量管干擾的措施。2)制造廠家應(yīng)向用戶說明自己產(chǎn)品工作振動頻率范圍，以便在應(yīng)用中加以注意。一般彎管式頻率為80～100Hz,而直管式為700～1000Hz，各廠家有所不同。3)安裝時儀表的進口和出口應(yīng)有夾持和支撐，軸向管接頭應(yīng)與科氏力流量計接頭相等，防止安裝期間有過分的應(yīng)力施加在科氏力流量計上。4)在安裝環(huán)境較差時，考慮采用振動隔離，用柔性管連接(注意柔性管不能直接連接在傳感器上)。

2.6 零點穩(wěn)定性

很多制造廠家給出的科氏力流量計精確度指標中，在百分比誤差之后有“+零點穩(wěn)定性”一項，這是對于零點不穩(wěn)定性的一項控制指標。形成零點不穩(wěn)定的因素有如下幾點：1)兩根測量管不可避免的不對稱性，從而在實際使用條件下由于溫度、壓力等影響而造成零流量下的輸出偏差；2)液體中含有物質(zhì)的非均勻性，甚至有某些沉淀產(chǎn)生，造成不對稱；3)儀表出廠時動平衡補償達不到理想要求；4)由于測量管的環(huán)繞產(chǎn)生的應(yīng)力，在安裝過程中產(chǎn)生應(yīng)力，以及在安裝過程中產(chǎn)生的其他應(yīng)力，均附在測量管上。

減少零點漂移的途徑，首先應(yīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝上加以考慮，保證兩支管的對稱性。為了更好應(yīng)用，儀表安裝后在現(xiàn)場使用的條件下重新調(diào)零。還要注意科氏力流量計安裝地點不應(yīng)靠近有較強電磁場的設(shè)備。

2.7 兩相流影響

科氏力流量計原則上可以測量兩相流體，但實際上這只是在一定范圍內(nèi)有效。特別是當氣、液兩相中，氣相所占比例增大到一定量值時，流量計將不能正常工作。因此，在實際應(yīng)用中盡量安裝在管線上最低處，始終讓管線充滿液體，盡量減少兩相流對科氏力流量計的影響。對易產(chǎn)生氣化的液體測量在表前安裝消氣器，或在流量計下游提供足夠背壓，確保流量計測量準確。

3 科氏力流量計在貿(mào)易交接計量中的應(yīng)用

為了保證我廠成品油出廠計量準確，減少成品油出廠損耗，避免由于完全靠人工檢尺計量帶來的人為誤差，從1995年開始對出廠管線引進國外先進高精度科氏力流量計，到目前已在所有出廠管線上都安裝科氏力流量計，同時在水路出廠各碼頭安裝電動閥，二次信號采用深圳公司開發(fā)的計量監(jiān)控管理系統(tǒng)，自動打印采集數(shù)據(jù)，交接計量單及統(tǒng)計報表，并可查詢發(fā)油過程流量、密度、溫度趨勢。

3.1 數(shù)據(jù)對比

為了使科氏力流量計既為工廠取得經(jīng)濟效益和社會效益，又使用戶完全接受這一項新技術(shù)，一方面向用戶宣傳應(yīng)用科氏力流量計的優(yōu)點及人工計量的弊病，另一方面堅持儀表量和人工量并舉進行。用真實的數(shù)據(jù)說話，使懷疑者打消故慮。表1為1997年剛投用0#柴油科氏力流量計部分儀表量與人工量比較數(shù)據(jù)。投用6年后對0#柴油表又進行比對。

表1 0#柴油科氏力流量計人工量與儀表量比對數(shù)據(jù)表

從以上數(shù)據(jù)及用戶反映情況來看，科氏力流量計投用確實維護了武漢石化的效益和信譽，得到了用戶的認可。

由于碼頭出廠管線電動閥離船仍有近200m，管線約2～3噸油，因此經(jīng)常引起船方計量爭議，差量剛好2t油左右，上一船多，下一船少，跟罐量無關(guān)。因此建議廠部在碼頭平臺上裝高精度體積流量計進行監(jiān)控。目前在碼頭上共裝五臺體積流量計，對所有出廠的汽油和柴油品種進行比對、監(jiān)督。表2是科氏力流量計與體積表比對數(shù)據(jù)。

表2 科氏力流量計與體積表比對數(shù)據(jù)

從表2看出：由于操作可能不規(guī)范，從碼頭平臺到船上管線全部放空，如果閥門內(nèi)漏則龍門架油品也可能放空，造成體積表量比科氏力流量計大，如8月8日202#平臺體積表比流量計大3.505t,偏大，但大部分情況很正常。

3.2 效益分析

成品油出廠計量采用科氏力流量計計量及電動閥控制系統(tǒng)后，不僅大大減少了與用戶商務(wù)糾紛，提高了工信譽，而且大大減少了成品油出廠損失，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

1)由于不需要檢尺，大大縮短油品出廠時間，加速油品周轉(zhuǎn)，最大限度降低油品庫存，加速資金周轉(zhuǎn)，提高資金利用率；同時大大減輕工人的勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率。

2)以前輕油、重油罐區(qū)出現(xiàn)竄油等事故造成效益流失，但科氏力流量計的投用仍能準確地測量發(fā)油量，對罐區(qū)起監(jiān)控作用。

3)科氏力流量計具有自動測量溫度和密度功能，對罐區(qū)溫度及密度取比對監(jiān)督作用。

4)高精度體積表投用有效監(jiān)控碼頭及管輸發(fā)油情況，避免非正常發(fā)油狀態(tài)可能造成的計量糾紛，提高油品出廠的可靠性和準確性，更有利于計量的公平、公正原則。

4 結(jié)論

目前科氏力式流量計已成為應(yīng)用廣泛和成熟的流量測量儀表。通過對影響質(zhì)量流量參數(shù)分析，采取相應(yīng)對策，并在實際應(yīng)用中加以改進，提高其測量準確度，保證了科氏力流量計在我廠交接計量中的成功應(yīng)用。

[1] 肖素琴.質(zhì)量流量計應(yīng)用.北京:中國石化出版社，1997

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[6] 石油靜態(tài)和輕烴計量標準化技術(shù)歸口單位編.石油計量表.北京:中國標準化出版社,1999

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10.3969/j.issn.1000-0771.2015.10.23