科里奧利質(zhì)量流量計在成品油管道輸送中的應用

張一波 譚 輝

〔1中國石化銷售股份有限公司華中分公司 湖北武漢 430023；2國家管網(wǎng)集團有限公司華中分公司 湖北武漢 430023〕

在成品油進銷存過程中，不僅涉及體積流量，也涉及質(zhì)量流量的測量。它們是生產(chǎn)過程控制、數(shù)質(zhì)量管理、經(jīng)濟核算和貿(mào)易交接等活動的重要依據(jù)。科里奧利質(zhì)量流量計問世前，以往的質(zhì)量流量測量方法是在測量流體的密度、體積、溫度、壓力等參數(shù)后，通過修正、換算和補償?shù)乳g接得到的。這種測量方法中間環(huán)節(jié)多，累計誤差大，測量的準確度難以得到保證。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，直接測量質(zhì)量流量的科里奧利質(zhì)量流量計應運而生?？评飱W利力，英語Coriolis effect，簡稱科氏力，是對旋轉(zhuǎn)體系中進行直線運動的質(zhì)點由于慣性相對于旋轉(zhuǎn)體系產(chǎn)生的直線運動的偏移的一種描述。質(zhì)量流量計是科里奧利力的典型應用?？评飱W利力僅與流體的質(zhì)量和運動速度有關(guān)，從理論上消除了溫度、壓力、流體狀態(tài)、密度等參數(shù)的變化對測量精度的影響，直接獲得各種介質(zhì)在復雜環(huán)境條件下精確的流量值和密度值，不需要經(jīng)過中間參數(shù)的轉(zhuǎn)換，避免了因中間轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的測量誤差，從而實現(xiàn)高準確度的精準測量。在實際應用過程中，可提高貿(mào)易交接和經(jīng)濟核算計量方面的精確度，避免不必要的損失，保證公司的經(jīng)濟效益。

1 科里奧利質(zhì)量流量計的結(jié)構(gòu)特點和工作原理

1.1 質(zhì)量流量計的結(jié)構(gòu)和特點

科里奧利質(zhì)量流量計(Coriolis Mass Flowmeter)簡稱科氏力流量計，質(zhì)量流量計的測量完由傳感器和變送器兩大部分構(gòu)成。

(1)傳感器。目前在用的質(zhì)量流量計傳感器絕大多數(shù)是某公司生產(chǎn)的CMF系列“U”型彎管傳感器(帶核心處理器)?，F(xiàn)場質(zhì)量流量計安裝如圖1。

圖1 現(xiàn)場質(zhì)量流量計安裝圖

(2)變送器。目前，成品油輸油管道在用的質(zhì)量流量計變送器大多數(shù)是1700R系列或2700R系列，與傳感器核心處理器采用的4芯電纜連接。變送器一般可以輸出三種類型的信號:4～20 mA DC模擬量、脈沖、數(shù)字通訊。其中4～20 mA DC模擬量可以組態(tài)為瞬時流量、密度或溫度;脈沖信號可以組態(tài)為質(zhì)量流量或體積流量;通訊接口可以輸出瞬時流量、累積流量、密度、溫度以及流量計的診斷信息。

質(zhì)量流量計變送器見圖2。

1.2 質(zhì)量流量計的工作原理

科里奧利力立足于旋轉(zhuǎn)體系，被認為有一個力驅(qū)使質(zhì)點運動的軌跡發(fā)生偏移，這個力就是科里奧利力。質(zhì)量流量計讓被測量的流體通過一個轉(zhuǎn)動或者振動中的測量管，流體在管道中的流動相當于直線運動，測量管的轉(zhuǎn)動或振動會產(chǎn)生一個角速度，由于轉(zhuǎn)動或振動是受到外加電磁場驅(qū)動的，有著固定的頻率，流體在管道中受到的科里奧利力僅與其質(zhì)量和運動速度有關(guān)，而質(zhì)量和運動速度即流速的乘積就是需要測量的質(zhì)量流量。目前的產(chǎn)品均代之以管道振動產(chǎn)生這個角速度。

目前使用的質(zhì)量流量計傳感器絕大多數(shù)是CMF系列“U”型彎管，下面以彎管型傳感器為例進一步說明質(zhì)量流量計工作原理，如圖3(剖視圖)。

圖3 質(zhì)量流量計工作原理圖

驅(qū)動線圈(激勵單元)驅(qū)動流量管以其特定頻率向相對方向振動，流體流入傳感器后被平分成兩部分流入兩根流量管中，介質(zhì)流體流經(jīng)傳感器的振動管，就會在振動管上產(chǎn)生科氏力效應，使兩根振動管扭轉(zhuǎn)振動，安裝在振動管兩端的檢測線圈(測量單元)將產(chǎn)生相位不同的兩組信號，這兩個信號的相位差與流經(jīng)傳感器的流體質(zhì)量流量成比例關(guān)系。當流量管振動但流量為零時，不會產(chǎn)生科里奧利效應，因此形成的正弦波會相互重合,如圖4。

圖4 無流量時流量信號曲線

當流量不為零時，兩根流量管都會產(chǎn)生科里奧利力，這些力會使流量管彼此相對扭曲振動，此時產(chǎn)生的正弦波出現(xiàn)了不同步現(xiàn)象，兩個正弦波間的時間延遲△T稱為相位差，相位差乘上流量標定系數(shù)K就可以確定質(zhì)量流量，如圖5。

圖5 有流量時流量信號曲線

流量標定系數(shù)K值在質(zhì)量流量計測試檢定中得出，寫入核心處理器中，例：

K=4.5523值具體含義為每產(chǎn)生1us相位差時對應的質(zhì)量流量為4.5523 g/s,溫度修正系數(shù)為Ftc=5.13 %，代表溫度變化100 ℃時由于流量管剛性變化而引起的流量百分比誤差。質(zhì)量流量表達式為：Qm=K×(△T-To) ×(1-T℃×Ftc)。

表達式中：△T為有流量時產(chǎn)生的相位差，(μs);To為傳感器無流量時的相差;T℃為傳感器流量管的溫度。質(zhì)量流量的累計計算工作由質(zhì)量流量計變送器完成。

不同的介質(zhì)流經(jīng)傳感器時，振動管的主振頻率不同，據(jù)此可以解算出介質(zhì)密度。安裝在傳感器振動管上的鉑電阻可間接測量介質(zhì)的溫度。

2 質(zhì)量流量計在實際應用中故障情況的分析和處理

質(zhì)量流量計的精度高，優(yōu)點多，在油品貿(mào)易交接中起到了至關(guān)重要的作用，但在實際應用中也出現(xiàn)過一些問題，下面就出現(xiàn)的問題進行分析和處理。

2.1 質(zhì)量流量計在輸油過程中出現(xiàn)密度值和瞬時流量值波動過大

2018年3月，某公司輸油站2號CMF400質(zhì)量流量計在輸油作業(yè)時變送器顯示面板上出現(xiàn)密度值、瞬時流量值劇烈跳變的現(xiàn)象，影響正確計量。現(xiàn)場檢查：①分析檢查2700R系列變送器電源，9號和10號接線端電源DC24 V正常,排除不能正常供電引起的數(shù)據(jù)跳變現(xiàn)象。②檢查流量計驅(qū)動增益值，發(fā)現(xiàn)其超過20 % ，分析可能是氣液兩相造成。③工藝檢查：打開流量計后端壓力表兩閥組排污閥，發(fā)現(xiàn)管線內(nèi)有集氣現(xiàn)象，采取措施對輸油管線進行排氣處理，同時適當關(guān)小流量計后閥，適當加大質(zhì)量流量計背壓，經(jīng)過近30 min處理，故障解決，密度和瞬時流量數(shù)值恢復正常，顯示無劇烈跳變，質(zhì)量流量計恢復正常工作。

2.2 質(zhì)量流量計在停止輸油后出現(xiàn)振動大和非正常噪音

2016年2月，某公司輸油站3號臺進站質(zhì)量流量計計量偏差過大，同時在停止輸狀態(tài)下出現(xiàn)振動大和非正常噪音情況?，F(xiàn)場檢查：①檢查流量計驅(qū)動增益值60 %，K1和K2系數(shù)值正常，分析流量計傳感器內(nèi)存在不滿管或氣液兩相。②檢查工況，流量計前后閥和油罐進料閥都未關(guān)閉。③現(xiàn)場查看安裝環(huán)境，質(zhì)量流量計安裝位置相對進站管線處于低位，但實際上油罐在遠處地下5 m，質(zhì)量流量計海拔高度比油罐零位高5 m，質(zhì)量流量計實際的安裝位置在相對的高位。分析認為：流量計前后閥和油罐進料閥未關(guān)閉，造成質(zhì)量流量計傳感器內(nèi)存在局部氣穴現(xiàn)象。當管線停輸后，質(zhì)量流量計附近的油品因為落差而回流入油罐，造成此處不滿管，形成氣液兩相發(fā)出非正常噪音和振動偏大現(xiàn)象。通過進一步了解，因為建站時土地征收問題，設(shè)計院設(shè)計只能就近選址，對質(zhì)量流量計安裝位置未考慮周全，造成質(zhì)量流量計在整個管輸系統(tǒng)中落差偏高，無法改變。后續(xù)只能從工藝上想辦法，停止輸油后關(guān)閉質(zhì)量流量計前后閥，接收安慶煉廠來油時調(diào)整后閥開度，保證質(zhì)量流量計有一定的背壓。通過后續(xù)連續(xù)觀察，質(zhì)量流量計工作正常，讀數(shù)穩(wěn)定，計量準確，處理效果極佳。

2.3 質(zhì)量流量計在停止輸油狀態(tài)下出現(xiàn)小流量

2019年4月，某公司輸油站新投用的3號CMF300質(zhì)量流量計在停止輸油狀態(tài)下1700R系列變送器顯示面板上出現(xiàn)小流量1.28 t/h，同時質(zhì)量及體積累加量不斷增加，影響正常的貿(mào)易交接計量，儀表維護人員攜帶475手操器及檢修工具到達現(xiàn)場查看：①檢查報警代碼，同時檢查流量計前后閥，發(fā)現(xiàn)前后閥關(guān)閉嚴密，無內(nèi)漏現(xiàn)象，排除內(nèi)漏引起小流量。②質(zhì)量流量計顯示的密度值在標準范圍內(nèi)。③檢查傳感器介質(zhì)滿管符合要求。④檢查安裝環(huán)境周邊無強電磁環(huán)境，排除電磁干擾引起小流量。⑤475HART通訊檢查質(zhì)量流量計零點值較原來記錄0.02偏高，分析發(fā)現(xiàn)質(zhì)量流量計零點漂移。儀表維護人員對質(zhì)量流量計按規(guī)范要求進行零點調(diào)校3次后再觀察小流量顯示為0.6 t/h。進一步分析檢查應力情況，松開質(zhì)量流量計傳感器一端檢查，發(fā)現(xiàn)流量計傳感器與管線不同心，偏差和應力都較大。通過分析得出，安裝應力過大引起零點偏移產(chǎn)生小流量。鑒于不具備動火改造條件，儀表維護人員暫時加大小流量切除值為0.6t/h，故障解決，流量計恢復正常工作狀態(tài)。后續(xù)仍需在輸油站具備改造動火條件后采取與管道同軸安裝等辦法消除應力影響。

2.4 質(zhì)量流量計在檢定回裝后顯示瞬時量-138t/h

2018年12月，某公司輸油站4號質(zhì)量流量計檢定回裝充滿油后顯示瞬時量-138t/h,儀表維護人員到達現(xiàn)場后：①檢查工藝前后閥關(guān)閉嚴密；②檢查報警代碼；③檢查驅(qū)動增益值正常；④檢查溫度正常；⑤檢查密度值較正常值偏高。通過分析判斷，問題應該出在檢測線圈上，斷電取下核心處理器，檢查發(fā)現(xiàn)檢測線圈左側(cè)對傳感器外殼阻值不正常，存在短路現(xiàn)象，查其它阻值正常。后續(xù)經(jīng)了解發(fā)現(xiàn)，流量計檢定拖回裝卸過程中變送器和傳感器都出現(xiàn)失誤跌落現(xiàn)象，該故障用戶無法修復，后續(xù)只能采取返廠維修或重新采購傳感器處理。

3 質(zhì)量流量計的安裝、使用和維護等方面的要點

通過對質(zhì)量流量計使用過程中出現(xiàn)的故障進行處理、分析和總結(jié)后，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量流量計不能正常工作的原因大部分是受安裝不規(guī)范和介質(zhì)流體工藝狀況的影響，日常檢定拆卸回裝過程中出現(xiàn)的問題也不能忽視。

3.1 嚴格規(guī)范安裝質(zhì)量流量計

3.1.1 安裝不規(guī)范產(chǎn)生的應力影響

質(zhì)量流量計傳感器兩側(cè)的管道不在同一水平面或不對中，管道法蘭與管道不垂直，預留法蘭間距過大或過小(>10 mm)，管道法蘭與傳感器法蘭的螺栓孔不對齊等因素的影響都會產(chǎn)生應力，應力使電磁檢測探頭產(chǎn)生不對稱，導致零點變動。

調(diào)零概念：在實際使用過程中，零流量時，前后檢測線圈相位差(△T)間的基準偏移被確定,這個過程稱為調(diào)零。

3.1.2 振動的影響

科里奧利質(zhì)量流量計的測量原理和結(jié)構(gòu)決定了外界振動會對其造成影響，所以在保證質(zhì)量流量計傳感器和管線同軸安裝的同時，質(zhì)量流量計兩端還需要加支撐固定，嚴禁由外部物體支撐在傳感器上或以傳感器作為管道支撐，以消除振動對質(zhì)量流量計的影響。

3.1.3 電磁環(huán)境的影響

科里奧利質(zhì)量流量計的測量原理中，激勵磁場決定了大功率電磁環(huán)境會對其造成影響，所以流量計的安裝應盡量遠離變壓器、變頻器、大功率電機等強干擾設(shè)備。

3.1.4 安裝位置的選擇

安裝質(zhì)量流量計應該參考整個管輸系統(tǒng)，嚴格考慮安裝位置，防止測量過程中產(chǎn)生氣液兩相。測液體介質(zhì)，流量計傳感器應該朝下安裝；測量氣體介質(zhì)時，流量計傳感器應該朝上安裝；測量漿液介質(zhì)時，應該旗式安裝。

3.2 介質(zhì)流體工藝狀況對質(zhì)量流量計的影響

質(zhì)量流量計在實際使用中，與檢定過程的介質(zhì)流體工藝狀況很難達到一致，實踐研究發(fā)現(xiàn)其在一定程度上會受到溫度、壓力的影響，特別是氣液兩相的影響，從而影響其正常工作和計量精度。

3.2.1 介質(zhì)流體溫度及介質(zhì)流體壓力的影響

質(zhì)量流量計在設(shè)計時考慮有溫度補償修正的功能，這里主要闡述實際使用情況下，介質(zhì)壓力對質(zhì)量流量計的影響。質(zhì)量流量計在測量過程中，壓力偏離標定壓力會引起傳感器靈敏度的變化，從而導致質(zhì)量流量計產(chǎn)生一定測量誤差。作為貿(mào)易交接使用的質(zhì)量流量計，該誤差需要引起重視。Emenson公司測試研究出不同型號傳感器測量靈敏度受過程壓力變化而變化的誤差對照表，如表1。

表1 傳感器測量靈敏度受過程壓力變化而變化的誤差對照表

從表1可以看出，Emenson公司的大口徑質(zhì)量流量計受壓力變化的影響比較明顯，在貿(mào)易交接時需要考慮。實際使用過程中，在機柜間流量計算機內(nèi)做了壓力補償修正，同時在輸油作業(yè)時，采取下載調(diào)解閥調(diào)壓控制，從而保證質(zhì)量流量計的測量精度，不影響貿(mào)易交接。

3.2.2 介質(zhì)流體出現(xiàn)氣泡，團狀流或氣液兩相的影響

當管道內(nèi)介質(zhì)出現(xiàn)氣泡，團狀流或氣液兩相運行時，將直接影響質(zhì)量流量計的正確計量。介質(zhì)的狀態(tài)對測量的影響取決于流體中氣體分布的情況。液體含氣泡時，質(zhì)量流量計讀數(shù)變化取決于氣泡的大小和數(shù)量；液體為團狀流，雜亂的讀數(shù)取決于氣團的大小和頻率；氣液兩相流嚴重時，質(zhì)量流量計會產(chǎn)生極端的讀數(shù)跳變，巨大的誤差，流量計甚至可能會轉(zhuǎn)向故障報警模式。所以，在輸油作業(yè)過程中要將質(zhì)量流量計的后閥緩慢開啟，調(diào)整質(zhì)量流量計的背壓(背壓是指傳感器下游端口處流體的壓力)。保證質(zhì)量流量計傳感器中有足夠背壓，防止被測介質(zhì)汽化，產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象；使被測介質(zhì)始終充滿傳感器內(nèi)測量管，避免出現(xiàn)介質(zhì)不滿管或氣液兩相導致的測量結(jié)果不準確、數(shù)值跳變，從而保證質(zhì)量流量計的正常工作和精確測量。

3.2.3 介質(zhì)流體流速的影響

在實際使用過程和Emenson公司測試研究中發(fā)現(xiàn)，輸送流體的流量最好穩(wěn)定在質(zhì)量流量計額定流量的60 %～80 %之間，這有利于保證質(zhì)量流量計運行的精度和穩(wěn)定性，運行流量的波動量一般不要超過±10 %。

3.3 檢定拆卸回裝過程中的影響

質(zhì)量流量計屬于高精度精密儀器儀表，檢定拆卸回裝過程中一定要注意輕拿輕放、防跌落，否則可能會對其造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害。

4 結(jié)束語

科里奧利質(zhì)量流量計的發(fā)明是科技界苦苦求索幾十年的結(jié)果，它的問世帶來流體測量技術(shù)的深刻變革，科里奧利質(zhì)量流量計實現(xiàn)了質(zhì)量流量的直接測量，具有高精度，可測多重介質(zhì)和多個工藝參數(shù)的特點，廣泛應用于石化、制藥、食品等行業(yè)。

想要保證質(zhì)量流量計的正常可靠工作，安裝過程中務必考慮安裝應力等因素的影響，嚴格規(guī)范安裝；使用過程中，儀表維護人員和操作人員應考慮流體介質(zhì)、管輸流量、背壓的影響，關(guān)注質(zhì)量流量計的零點、活零點、小流量切除值、壓力、驅(qū)動增益值，使用過程中都應對以上因素進行綜合分析。在檢定拆卸回裝過程中，一定要輕拿輕放，確保質(zhì)量流量計傳感器和變送器的完好，確保計量精度達到要求，保證貿(mào)易交接的順利進行。