氣液兩相流對(duì)科里奧利質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量精度的影響研究

陳曉晨

（中國(guó)人民解放軍91724部隊(duì) 科研課題研究組，浙江 寧波 315800）

0 引言

科里奧利質(zhì)量流量計(jì)在石化行業(yè)中的應(yīng)用十分廣泛，其精度一般為1‰～2‰。流量計(jì)計(jì)量的準(zhǔn)確性對(duì)于貿(mào)易交接和內(nèi)部精細(xì)化管理都具有重要意義。本文對(duì)科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行介紹，分析影響流量計(jì)量準(zhǔn)確性的因素，分析實(shí)際工作中計(jì)量不準(zhǔn)確的原因并提出改進(jìn)措施建議。

1 科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的結(jié)構(gòu)及計(jì)量原理

流量計(jì)由一次儀表和二次儀表組成，一次儀表為直接測(cè)量單元，二次儀表為信息傳輸處理單位。根據(jù)一次儀表結(jié)構(gòu)的差異，質(zhì)量流量計(jì)可分為直管、U型管、Ω管、雙梯形管等。如圖1為U型結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 科里奧利質(zhì)量流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

科里奧利流量計(jì)基于科里奧利力測(cè)量原理設(shè)計(jì)而成。當(dāng)管道流經(jīng)平衡管（也稱諧振管）時(shí)，諧振管以一定頻率振動(dòng)，此時(shí)諧振管相當(dāng)于一個(gè)勻速運(yùn)動(dòng)參考系。當(dāng)液體流經(jīng)諧振管時(shí)，液體對(duì)于諧振管有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，液體受到科里奧利力。根據(jù)作用力與反作用力原理，諧振管受到反向作用力，造成諧振管扭曲，諧振管在不同部位之間具有相對(duì)扭轉(zhuǎn)角[1]。液體的流量與扭轉(zhuǎn)角成正比，通過(guò)傳感器測(cè)量扭轉(zhuǎn)角就能計(jì)算得到液體流量。質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量過(guò)程中，不破壞流場(chǎng)特性，無(wú)壓力損失，也不會(huì)造成液體污染，精度較高。

2 影響流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確性的因素

2.1 管道振動(dòng)的影響

流量計(jì)通過(guò)諧振管振動(dòng)頻率來(lái)確定流體質(zhì)量。安裝管道本身的振動(dòng)會(huì)對(duì)諧振管的振動(dòng)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致計(jì)量產(chǎn)生偏差。管道振動(dòng)的產(chǎn)生原因可能來(lái)自泵、電機(jī)、閥門、過(guò)濾器的振動(dòng)，也可能來(lái)自管道自身的低頻振動(dòng)[2]。

2.2 液相流中氣體的影響

利用流量計(jì)計(jì)量液體質(zhì)量時(shí)，若流經(jīng)諧振管的液體中含有的氣體超過(guò)5%時(shí)，流量計(jì)的誤差將明顯增大。當(dāng)液體中的氣體體積分?jǐn)?shù)超出10%時(shí)，可能導(dǎo)致諧振管停止振動(dòng)，無(wú)法有效計(jì)量。因此，在流量計(jì)工作時(shí)，盡量使管道內(nèi)充滿液體[2,3]。

2.3 液體溫度和壓力的影響

液體溫度和壓力對(duì)于流量計(jì)諧振管的硬度具有影響，從而影響諧振頻率。工作中，為了減小溫度和壓力的影響，可以通過(guò)加裝熱敏電阻或者壓感電阻對(duì)流量計(jì)進(jìn)行補(bǔ)償修正[3]。

2.4 安裝工藝的影響

流量計(jì)安裝過(guò)程中，若由于安裝法蘭間距不合適，易造成流量計(jì)法蘭應(yīng)力過(guò)大，會(huì)對(duì)諧振管的振動(dòng)產(chǎn)生影響，繼而影響計(jì)量精度[3]。

3 某企業(yè)交易流量計(jì)計(jì)量誤差特征及原因分析

3.1 流量計(jì)的安裝及實(shí)際工作狀態(tài)

某企業(yè)于2020年將本地計(jì)量式腰輪流量計(jì)更換為本地遠(yuǎn)程雙功能科里奧利質(zhì)量流量計(jì)。流量計(jì)嚴(yán)格按照廠家要求安裝施工，前端預(yù)留直管段長(zhǎng)度超過(guò)1米，減少過(guò)濾器下游不穩(wěn)定流動(dòng)對(duì)于諧振管工作狀態(tài)的影響。流量計(jì)前后除閘閥、過(guò)濾器外無(wú)其他附件，管道自身無(wú)異常振動(dòng)。流量計(jì)工作時(shí)無(wú)異常振動(dòng)和聲音，從外觀狀態(tài)來(lái)看，工作狀態(tài)正常。

3.2 流量計(jì)瞬時(shí)工作特性分析

通過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)流量計(jì)數(shù)據(jù)與罐測(cè)數(shù)據(jù)之間存在偏差。偏差的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：

（1）相同交易數(shù)量條件下，計(jì)量累計(jì)數(shù)相對(duì)誤差不盡相同，相對(duì)誤差偏差較大。大多數(shù)情況下，流量計(jì)數(shù)值相比于油罐檢尺數(shù)值偏少9‰。少數(shù)情況下，流量計(jì)流量數(shù)值與油罐檢尺計(jì)量數(shù)值相當(dāng)；

（2）不同交易數(shù)量條件下，流量計(jì)誤差存在明顯規(guī)律性特征。在400噸的交易數(shù)量條件下，流量計(jì)的相對(duì)計(jì)量誤差最高可到16‰。當(dāng)交易數(shù)量達(dá)到800噸時(shí)，流量計(jì)的相對(duì)計(jì)量誤差相比400噸普遍偏小，均在10‰以內(nèi)。當(dāng)交易數(shù)量達(dá)到3000噸時(shí)，流量計(jì)的相對(duì)計(jì)量誤差小于4‰。

流量計(jì)的瞬時(shí)流量曲線特征如圖2所示。

圖2 流量計(jì)的瞬時(shí)流量曲線特征

如圖2所示，流量計(jì)瞬時(shí)曲線隨著時(shí)間的增大逐漸降低，這是由于隨著罐內(nèi)油料數(shù)量的減少，輸送作業(yè)的壓差逐漸減小，管道內(nèi)流量逐漸降低，屬于正常作業(yè)特征。除此以外，在整個(gè)作業(yè)過(guò)程中，先后7次出現(xiàn)了不正常的瞬時(shí)流量躍變。具體表現(xiàn)為，流量計(jì)瞬時(shí)流量在很短的時(shí)間內(nèi)降低到一個(gè)較低數(shù)值，再在很短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到原有流量數(shù)值。瞬時(shí)流量躍變的流量低值可能是0，也可能是20噸/小時(shí)，也肯能是40噸/小時(shí)或者60噸/小時(shí)等。從流量瞬時(shí)躍變的時(shí)間來(lái)看，躍變前后時(shí)間跨度約為40秒，與整個(gè)輸送作業(yè)瞬時(shí)流量相乘積后，以躍變到瞬時(shí)流量為0來(lái)舉例，一次躍變導(dǎo)致的計(jì)量偏差約為1.7噸。多次躍變導(dǎo)致整個(gè)流量計(jì)計(jì)量的偏差累計(jì)接近8噸。對(duì)于800噸的輸轉(zhuǎn)量而言，計(jì)量誤差接近10‰，遠(yuǎn)超出交接計(jì)量精度要求。

3.3 流量計(jì)計(jì)量誤差原因分析

為了查找流量計(jì)計(jì)量誤差產(chǎn)生的原因，聯(lián)合廠家就流量計(jì)瞬時(shí)流量特性進(jìn)行分析。通過(guò)模擬，同批次同規(guī)格流量計(jì)連續(xù)輸送液體時(shí)并未發(fā)現(xiàn)瞬時(shí)流量躍變特征。當(dāng)流量計(jì)輸送氣液混合流時(shí)，流量計(jì)瞬時(shí)流量會(huì)產(chǎn)生類似躍變特征，分析導(dǎo)致誤差的原因可能為管道中的氣體。

對(duì)流量計(jì)安裝管道的工作狀態(tài)進(jìn)行分析，儲(chǔ)罐至流量計(jì)之間管道經(jīng)過(guò)山林、河流、公路等地段，沿線地勢(shì)為丘陵地帶，管道存在兩處局部高點(diǎn)。由于管道系統(tǒng)未設(shè)置漲油回收管路，為防止溫度變化引起漲管現(xiàn)象發(fā)生，每次作業(yè)完畢，需要局部放空管道，預(yù)留液體膨脹空間。在下次作業(yè)前，再次進(jìn)行充管作業(yè)，減少因管道不滿流產(chǎn)生的輸量糾紛。充管作業(yè)時(shí)，在管線局部高點(diǎn)區(qū)域設(shè)置放氣閥，由于局部放氣閥過(guò)小，充油流量較快，很難確保管道內(nèi)氣體排放徹底。在作業(yè)過(guò)程中，上游輸送流體中夾帶管道內(nèi)未及時(shí)釋放的氣體流經(jīng)質(zhì)量流量計(jì)的情況無(wú)法避免。隨著輸轉(zhuǎn)作業(yè)的持續(xù)進(jìn)行，隨著管道內(nèi)氣體減少，在作業(yè)中后期的氣體數(shù)量逐漸減小，因此流量計(jì)產(chǎn)生的損失流量躍變相對(duì)較小，躍變頻次相比作業(yè)初期更低。

4 減小流量計(jì)計(jì)量誤差的對(duì)策措施分析

為減小氣體對(duì)于流量計(jì)影響，應(yīng)從三個(gè)方面改進(jìn)：

（1）作業(yè)完畢后管道局部放空數(shù)量不宜過(guò)大。管道內(nèi)氣體產(chǎn)生的唯一正常來(lái)源為管道放空時(shí)的放氣閥進(jìn)氣。減少管道放空容量能有效減少管道內(nèi)氣體原始數(shù)量。在合理計(jì)算年內(nèi)最高晝夜溫差或者日間最高溫度與最低液體溫度插值后，合理計(jì)算管道內(nèi)液體膨脹體積，預(yù)留合理安區(qū)余量，滿足使用需求即可，無(wú)需過(guò)度放空管道；

（2）改善充管作業(yè)條件。一方面是控制充管作業(yè)流速，確保管道局部高點(diǎn)空間氣體能夠有效排出，減少過(guò)快充管作業(yè)時(shí)產(chǎn)生氣阻段；另一方面是增大氣體排放速度，結(jié)合管道整修改造施工，更換大口徑閘閥，提高氣流排放速度；

（3）在流量計(jì)上游增設(shè)消氣過(guò)濾器。消氣過(guò)濾器的排氣閥在過(guò)濾器內(nèi)氣體體積增多到一定量時(shí)能夠自動(dòng)打開(kāi)排氣，對(duì)于管道局部殘留的少量氣體，經(jīng)過(guò)消氣過(guò)濾器后排出，能夠有效較少氣體的瞬時(shí)微弱干擾。在選擇安裝消氣過(guò)濾器時(shí)，應(yīng)該注意流量范圍、口徑、安裝空間等條件。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)質(zhì)量流量計(jì)的工作原理和影響計(jì)量精度的因素進(jìn)行了分析。針對(duì)某單位計(jì)量交接質(zhì)量流量計(jì)的計(jì)量誤差，分析了瞬時(shí)流量特征，指出了瞬時(shí)流量躍變對(duì)于計(jì)量精度的影響。通過(guò)分析管道工作狀態(tài)，得到了流量計(jì)誤差產(chǎn)生的原因是管道內(nèi)氣液兩相流對(duì)諧振管的影響造成的，針對(duì)性的提出了減小管道放空容量、減小管道充管流速和安裝適配的消氣過(guò)濾器三種減小流量計(jì)計(jì)量誤差的措施。