科里奧利質(zhì)量流量計壓力影響仿真與實驗研究

邱 惠,劉治華,魏 娜

(中石油管道有限責(zé)任公司 西氣東輸分公司,上海 200122)

科里奧利質(zhì)量流量計其最大的特點就是能夠直接測量流體的質(zhì)量,它不但具有準確性、重復(fù)性、穩(wěn)定性,而且在流體通道內(nèi)沒有阻流元件和可動部件,因而其可靠性好,使用壽命長,還能測量高粘度流體和高壓氣體的流量[1-3].

科里奧利流量計由兩部分組成,一是流體從中流過的機械傳感器,另一部分是流量計量變送器.傳感器由外殼、微振動測量管、振動器和信號檢測器及溫度補償元件組成.當流體通過測量管時,由于科氏力的作用,測量管發(fā)生微小的扭曲,導(dǎo)致振動時的相位差轉(zhuǎn)換為線性的電信號輸出.變送器接收信號對其處理,就可顯示出計量流體的質(zhì)量.

由于科里奧利質(zhì)量流量計可以直接測量得到天然氣的質(zhì)量流量,故越來越多地用于公司內(nèi)部壓縮機燃料氣和自用氣計量；但也存在一定的問題,例如國內(nèi)至今仍沒有針對天然氣質(zhì)量流量計應(yīng)用研究與性能評價的結(jié)論.關(guān)于天然氣質(zhì)量流量計性能測試方面的論文可供參考的不多,是否可以用水或空氣代替天然氣作為介質(zhì)檢定;在不同壓力條件下,質(zhì)量流量計的測量結(jié)果是否可靠;在使用期間流量計的計量性能是否穩(wěn)定;是否會出現(xiàn)漂移和其他影響因素等這些問題[4-5]均需要深究.

對在不同壓力條件下分別用水與天然氣介質(zhì)的檢定測試結(jié)果進行分析評價,以認證用水代替天然氣對質(zhì)量流量計進行檢定校準的可行性,哪一種結(jié)果更接近現(xiàn)場,其性能指標和測量結(jié)果如何[6].

本文選取三臺不同型號、不同口徑的科里奧利流量計進行測試實驗,依據(jù)檢定規(guī)程獲得實驗

數(shù)據(jù).由于流量計新舊程度不一,相關(guān)測試結(jié)果不能完全表征對應(yīng)的品牌性能,為避免誤會,流量計的編號用字母代替.具體流量計信息如表1.

表1 被測流量計信息匯總

1 水流量測試

根據(jù)檢定規(guī)程,利用靜態(tài)質(zhì)量法水流量標準裝置,相關(guān)測試在浙江省計量科學(xué)研究院開展,裝置測試流量范圍為(0.2～220)t/h,相對擴展不確定度為0.05%(k=2).連接好裝置、配套儀器以及流量計的電路,選用脈沖輸出方式,手動啟動水流量裝置系統(tǒng),使管道充滿靜態(tài)水介質(zhì),關(guān)閉兩端閥,對儀表進行調(diào)零操作.根據(jù)規(guī)程,依次按照Qmax、0.5Qmax、0.2Qmax、Qmin、Qmax的流量點順序,測試并記錄數(shù)據(jù),每個流量點測試三次.

測試的誤差與重復(fù)性曲線如圖1-3.

圖1 流量計A水測試實驗結(jié)果Figure 1 Water test results of flowmeter A

圖2 流量計B水測試實驗結(jié)果Figure 2 Water test results of flowmeter B

圖3 流量計C水測試實驗結(jié)果Figure 3 Water test results of flowmeter C

第i試驗點的重復(fù)性按式(1)計算：

(1)

式(1)中：(Er)i—第i試驗點的重復(fù)性,%.

圖1～3為三種型號流量計的誤差和重復(fù)性曲線,可看出誤差曲線較平穩(wěn),均介于-0.25%～0.2%之間,且均存在正偏差;重復(fù)性曲線有一定規(guī)律：在流量為10 t/h之后,重復(fù)性曲線會有明顯的下降,隨著流量的增大,曲線逐漸上升,最后趨于平穩(wěn),說明科里奧利質(zhì)量流量計在大流量檢測時有更好的重復(fù)性.

2 天然氣測試

天然氣測試在國家石油天然氣大流量計量站廣州分站進行,采用標準表法氣體流量裝置測試,其測試流量范圍為(8～15 000) m3/h,相對擴展不確定度為0.29%(k=2),測試過程氣路壓力為7 MPa左右.關(guān)閉流量計自帶的壓力補償功能,測試流程同上,三臺流量計測試結(jié)果如圖4～6.

圖4 流量計A天然氣測試實驗結(jié)果Figure 4 Natural gas test results of flowmeter A

圖5 流量計B天然氣測試實驗結(jié)果Figure 5 Natural gas test results of flowmeter B

圖6 流量計C天然氣測試實驗結(jié)果Figure 6 Natural gas test results of flowmeter C

從測試結(jié)果看,一方面天然氣的計量誤差相對較大,如流量計A和流量計B最大誤差均超過-0.5%,另一方面,三臺流量計測試結(jié)果均為負偏差.

為對比分析流量計在不同介質(zhì)下性能的差異,將三臺流量計的測試數(shù)據(jù)放在同一坐標系,由于水測試和天然氣測試質(zhì)量流量相差較大,為便于繪圖,橫坐標為最大流量百分比,縱坐標為誤差.相應(yīng)的對比曲線如圖7～9.

圖7 流量計A實驗結(jié)果對比分析Figure 7 Results comparative analysis of flowmeter A

圖8 流量計B實驗結(jié)果對比分析Figure 8 Results comparative analysis of flowmeter B

圖9 流量計C實驗結(jié)果對比分析Figure 9 Results comparative analysis of flowmeter C

從對比結(jié)果可以看出,測試介質(zhì)為水時,流量計誤差曲線較為平滑,波動較小,而介質(zhì)為天然氣時,則出現(xiàn)較為明顯的波動,這和氣體介質(zhì)密度相對較低(為水介質(zhì)1/20左右)有一定關(guān)系；另外,天然氣流量標準裝置自身的不確定度也比較低,也會對結(jié)果有所影響.此外,天然氣測試時,其誤差曲線普遍在水流量以下,平均偏移幅度在(-0.5%～-0.3%),由于測試前關(guān)閉了各自的壓力補償,初步分析應(yīng)與介質(zhì)壓力的影響有關(guān),因此本文擬開展相應(yīng)的分析.

3 仿真分析

為分析介質(zhì)壓力對流量計計量特性的影響,本文在SolidWorks中建立科里奧利質(zhì)量流量計的仿真模型,結(jié)構(gòu)形式與尺寸按照實際流量計設(shè)置,忽略非流動管路部分.在simulation插件中選擇應(yīng)力分析,材料設(shè)置為不銹鋼,固定管道截面,生成網(wǎng)格后進行計算分析[7-8].

首先對DN80流量計進行仿真,施加的載荷分別為0.1 MPa、0.5 MPa、6 MPa,用于模擬檢測介質(zhì)分別為空氣、水、天然氣時的情況.從圖10的仿真結(jié)果可知,由于兩端接口固定,流量計在介質(zhì)壓力下,最大形變處都集中在U型管的中心處.當壓力為0.1 MPa、0.5 MPa、6 MPa時,直徑方向最大形變分別為7.634×10-4mm、7.108×10-2mm、6.356×10-2mm,可知壓力越大,對U型管的形變影響越大.

由于膨脹系數(shù)是表征物體膨脹性質(zhì)的物理量,即表征物體受壓時其長度、面積、體積增大程度的物理量,計算公式如下：

(2)

式(2)中:R0為膨脹前的尺寸,R1為膨脹后的尺寸.

根據(jù)上式可以計算得到三臺科里奧利質(zhì)量流量計在天然氣測試時管路截面積的變化量,記為K1,而流量計真實流量與檢測流量比值的平均值,記為K2,可知K2即近似于流量計的壓力補償系數(shù).匯總后的仿真系數(shù)K1與實驗系數(shù)K2如表2所示.從表2中數(shù)據(jù)可以看到,二者之間在數(shù)值大小和變化方向上具有較好的一致性.但由于K2由檢測誤差計算得來,受流量計自身性能以及檢測過程影響較大,在定量評估上參考價值有限[9-10].

圖10 不同壓力工況仿真結(jié)果Figure 10 Simulation results under different pressure conditions

編號仿真系數(shù)K1實驗系數(shù)K2A1.008 91.0061 0B1.008 91.0041 6C1.003 81.0005 8

4 結(jié)語

通過對三臺科里奧利質(zhì)量流量計的實驗比對可知,用水作為介質(zhì)和用天然氣作為介質(zhì)的檢測結(jié)果總體一致,介質(zhì)為水時,誤差皆介于-0.25%～0.2%之間;天然氣檢測由于裝置自身不確定度較低以及介質(zhì)密度比水低的緣故,誤差比水略大,其中兩臺流量計均超過-0.5%,由于關(guān)閉壓力補償,天然氣檢測結(jié)果存在明顯的負偏移.針對測試壓力對流量計產(chǎn)生的影響,開展了靜力學(xué)仿真,結(jié)果表明壓力增大會導(dǎo)致計量管膨脹,從而產(chǎn)生負偏差,與實驗數(shù)據(jù)相比有較好的一致性.

初步判定科里奧利質(zhì)量流量計可以用水代替天然氣進行檢測,但在使用時,應(yīng)針對介質(zhì)壓力進行壓力補償.本課題將繼續(xù)針對科里奧利質(zhì)量流量計進行深入測試比對研究.