質量流(liu)量計(ji)在(zai)氣液(ye)兩相測量中的應用分(fen)析(xi)
1 常見流體的(de)測(ce)量方法(fa)
1.1氣體(ti)流量(liang)的測量(liang)方(fang)法(fa)
需要測(ce)量(liang)(liang)流量(liang)(liang)的(de)氣體(ti)種(zhong)類繁多，其測(ce)量(liang)(liang)的(de)儀(yi)器(qi)儀(yi)表也有很大(da)的(de)差別(bie)。以(yi)天然(ran)氣流量(liang)(liang)的(de)測(ce)量(liang)(liang)為例：目前，天然(ran)氣貿(mao)易計(ji)(ji)量(liang)(liang)分為體(ti)積計(ji)(ji)量(liang)(liang)、質(zhi)量(liang)(liang)計(ji)(ji)量(liang)(liang)和能量(liang)(liang)計(ji)(ji)量(liang)(liang)3種(zhong)(zhong)，工業(ye)發(fa)達國(guo)家(jia)質(zhi)量計量和(he)能量計量兩種(zhong)(zhong)方(fang)法都(dou)在使用，而我國(guo)目前基本上(shang)以體(ti)積計量為主(zhu)。
1.2 液體流量的測(ce)量方法
常見的(de)液體(ti)(ti)(ti)有(you)(you)水(shui)、石油、液化氣體(ti)(ti)(ti)等。水(shui)流量(liang)(liang)(liang)(liang)的(de)測(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)難度(du)不(bu)高，不(bu)同(tong)(tong)原(yuan)理(li)的(de)流量(liang)(liang)(liang)(liang)計(ji)(ji)大(da)多數都可以測(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)水(shui)的(de)容量(liang)(liang)(liang)(liang)，但也不(bu)是隨便裝一臺就肯(ken)定(ding)能(neng)用好的(de)。這是因(yin)(yin)為水(shui)的(de)潔凈(jing)程度(du)不(bu)同(tong)(tong)，流體(ti)(ti)(ti)工況條件各異，流量(liang)(liang)(liang)(liang)測(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)的(de)范(fan)圍就會出現懸殊(shu)(shu)；石油具(ju)有(you)(you)一定(ding)的(de)黏(nian)稠度(du)，因(yin)(yin)此(ci)不(bu)同(tong)(tong)黏(nian)度(du)的(de)石油產(chan)品(pin)所(suo)選擇的(de)計(ji)(ji)量(liang)(liang)(liang)(liang)儀器不(bu)同(tong)(tong)，高黏(nian)度(du)油品(pin)如(ru)原(yuan)油、重油、渣油，為了(le)便于輸送，往(wang)往(wang)被(bei)加(jia)熱到較高的(de)溫度(du)。流體(ti)(ti)(ti)中含(han)有(you)(you)固態雜質，測(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)前還(huan)需要過濾(lv)；液化氣體(ti)(ti)(ti)屬于高飽和蒸(zheng)氣壓液體(ti)(ti)(ti)，測(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)時(shi)必須考慮氣化的(de)問題(ti)，因(yin)(yin)此(ci)使用的(de)流量(liang)(liang)(liang)(liang)計(ji)(ji)也比較特殊(shu)(shu)，如(ru)渦街流量(liang)(liang)(liang)(liang)計(ji)(ji)、渦輪(lun)流量(liang)(liang)(liang)(liang)計(ji)(ji)、容積式流量(liang)(liang)(liang)(liang)計(ji)(ji)、科氏質量(liang)(liang)(liang)(liang)流量(liang)(liang)(liang)(liang)計(ji)(ji)等。
1.3 氣液多相流體的測(ce)量方法
氣液兩相(xiang)(xiang)流(liu)體(ti)的(de)(de)流(liu)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)測(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)從制造商的(de)(de)資料(liao)可(ke)看(kan)出，有幾種儀表(biao)可(ke)用(yong)(yong)(yong)(yong)來(lai)(lai)測(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)離散相(xiang)(xiang)濃度(du)不高的(de)(de)兩相(xiang)(xiang)流(liu)體(ti)的(de)(de)流(liu)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)，在(zai)實際應(ying)用(yong)(yong)(yong)(yong)中也(ye)有一(yi)些成(cheng)功應(ying)用(yong)(yong)(yong)(yong)的(de)(de)實例，但目前(qian)使用(yong)(yong)(yong)(yong)的(de)(de)流(liu)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)計(ji)都是在(zai)單相(xiang)(xiang)流(liu)動(dong)狀態下評定(ding)(ding)其測(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)性能(neng)，現在(zai)還(huan)沒有以單相(xiang)(xiang)流(liu)標定(ding)(ding)的(de)(de)流(liu)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)計(ji)用(yong)(yong)(yong)(yong)來(lai)(lai)測(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)兩相(xiang)(xiang)流(liu)時系(xi)統(tong)變化的(de)(de)評定(ding)(ding)標準，因此這樣(yang)的(de)(de)應(ying)用(yong)(yong)(yong)(yong)究(jiu)竟帶來(lai)(lai)多大的(de)(de)誤差還(huan)不很清楚(chu)，僅(jin)有一(yi)些零星(xing)的(de)(de)數據和一(yi)些定(ding)(ding)性的(de)(de)分析。常用(yong)(yong)(yong)(yong)的(de)(de)氣液兩相(xiang)(xiang)流(liu)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)測(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)儀器有：電磁流(liu)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)計(ji)、科(ke)氏力質(zhi)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)流(liu)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)計(ji)、超聲流(liu)量(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)(liang)計(ji)等。
1.4 科氏質量流量計的測量原(yuan)理
1.4.1 科氏力(li)的形成(cheng)
由科(ke)(ke)氏(shi)加速(su)度作(zuo)用產生科(ke)(ke)氏(shi)力(li)。該(gai)加速(su)度是(shi)法國工程師科(ke)(ke)里奧利(li)斯在研究水輪機(ji)的(de)(de)機(ji)械理(li)論時(shi)發現的(de)(de)。科(ke)(ke)氏(shi)力(li)，是(shi)對(dui)旋(xuan)轉(zhuan)體(ti)系中進行直(zhi)(zhi)線(xian)運(yun)(yun)動的(de)(de)質點(dian)由于(yu)慣性相(xiang)對(dui)于(yu)旋(xuan)轉(zhuan)體(ti)系產生的(de)(de)直(zhi)(zhi)線(xian)運(yun)(yun)動的(de)(de)偏移的(de)(de)一種描述(shu)，科(ke)(ke)里奧利(li)力(li)來自于(yu)物體(ti)運(yun)(yun)動所具有的(de)(de)慣性。
在旋(xuan)轉體(ti)(ti)(ti)系(xi)中進行直線運動(dong)的質點(dian)，由(you)于慣性(xing)，有沿著(zhu)原(yuan)有運動(dong)方向(xiang)繼續(xu)運動(dong)的趨勢(shi)，但是由(you)于體(ti)(ti)(ti)系(xi)本身是旋(xuan)轉的，在經歷了一段時(shi)間的運動(dong)之后，體(ti)(ti)(ti)系(xi)中質點(dian)的位置(zhi)會(hui)有所變化，而它原(yuan)有的運動(dong)趨勢(shi)的方向(xiang)，如果(guo)以旋(xuan)轉體(ti)(ti)(ti)系(xi)的視角去觀察，就會(hui)發(fa)生一定程度的偏離。
當一(yi)個(ge)質(zhi)(zhi)點相(xiang)對(dui)于慣性系(xi)做直線運動時，相(xiang)對(dui)于旋(xuan)轉(zhuan)體(ti)系(xi)，其(qi)軌(gui)跡是一(yi)條曲線。立足(zu)于旋(xuan)轉(zhuan)體(ti)系(xi)，我們(men)認為有(you)一(yi)個(ge)力驅使(shi)質(zhi)(zhi)點運動軌(gui)跡形(xing)成曲線，這(zhe)個(ge)力就是科(ke)里奧利力。
科里奧利力(li)的計算公式為：F=2mVr×ω
式(shi)中(zhong)F為科里奧利力；m為質點的質量；Vr為相對于(yu)靜(jing)止參考系(xi)質點的(de)運動速度（矢量）；ω為(wei)旋(xuan)轉體系的角速度（矢量）；×表示(shi)兩個向量(liang)的外積符號（Vr×ω：大(da)小(xiao)等(deng)于v·ω·sinθ，，方向滿足右(you)手螺(luo)旋(xuan)定則）。
1.4.2 彎(wan)管(guan)流量(liang)計的原理
原理上(shang)，當被(bei)測(ce)介質通過振動的測(ce)量(liang)管道(dao)時，科氏力能直接(jie)用于質量(liang)流量(liang)的測(ce)量(liang)。測(ce)量(liang)管道(dao)經常呈U形(xing)如圖所示(shi)。管道用(yong)剛性固(gu)定件支撐，并經激勵器E沿A-A\'軸(zhou)產生振動(dong)，形成沿該軸(zhou)的(de)(de)一(yi)個(ge)(ge)旋轉參(can)考系統。如果在(zai)入口段觀(guan)察一(yi)小團流體(ti)，那么它的(de)(de)質(zhi)(zhi)量元流出(chu)固(gu)定端(duan)。該質(zhi)(zhi)量元隨管道半徑逐漸增大(da)而作圓弧軌跡運(yun)動(dong)。當(dang)彎管向上(shang)運(yun)動(dong)時，形成一(yi)個(ge)(ge)方向朝(chao)下的(de)(de)科氏力(li)。同時，觀(guan)察出(chu)口段的(de)(de)狀(zhuang)態，質(zhi)(zhi)量元流入固(gu)定端(duan)。同樣產生一(yi)個(ge)(ge)方向朝(chao)上(shang)的(de)(de)科氏力(li)。由B稱(cheng)的配置在兩邊(bian)呈現出(chu)相同(tong)數值但不同(tong)符號的科氏力。在流(liu)(liu)體(ti)流(liu)(liu)動時，由于力矩(ju)的作用，導致測量管(guan)道(dao)沿B-B\'軸產生(sheng)一個附(fu)加的扭曲運B動。在(zai)入口段和出口段分別安裝傳感(gan)器(qi)S1和S2檢測管道沿A-A\'和B-B\'軸的位移量(liang)(liang)。信號過零點的時(shi)間差事管(guan)道扭曲的檢測量(liang)(liang)，它與通過管(guan)道的質量(liang)(liang)流量(liang)(liang)成正比(bi)。
科氏(shi)質量(liang)流量(liang)計原理的結(jie)構
1.4.3 單直管流量計的測(ce)量原(yuan)理
兩端拉緊固定的測量管道是直徑d和長(chang)度l的(de)鈦合金管。由(you)安裝(zhuang)在管道中間的(de)振動裝(zhuang)置以一階模式方(fang)式產生振動。工作頻(pin)率(lv)fB=ωB/2π接近于一(yi)階頻(pin)率。在(zai)傳感器檢測位置±z=±l/3處，振動(dong)幅度調整約為x±m（±z）。如(ru)果流體(ti)質量元m以(yi)速(su)度v流過由角速(su)度ω振動的管道，那么這質量元就會在管壁上產生科氏力，即FC=2mv×ω在管道的(de)(de)前后半段上，除(chu)了一(yi)階諧振外，還(huan)產生作(zuo)用(yong)力方形(xing)相反(fan)的(de)(de)二階模(mo)式振動。一(yi)階和二階模(mo)式振動的(de)(de)疊加(jia)在時間上產生90°的相(xiang)移。因(yin)此，當管(guan)道(dao)(dao)中存(cun)在(zai)質量(liang)(liang)流(liu)量(liang)(liang)時，測量(liang)(liang)管(guan)道(dao)(dao)產(chan)生(sheng)擺動運
1.4.4 雙直管流量計(ji)的測量原(yuan)理
雙直管(guan)質量流量計有2根測量管道、優化的流速(su)分配器、4個位移傳感(gan)器和2個電磁(ci)式振蕩驅(qu)動器組成。其(qi)原理是：2個(ge)電(dian)(dian)磁式(shi)振蕩驅動(dong)器(qi)以諧振頻率使(shi)兩根(gen)測(ce)(ce)量(liang)管(guan)(guan)道同(tong)步(bu)的相向振動(dong)。每個(ge)電(dian)(dian)磁式(shi)驅動(dong)器(qi)兩邊(bian)的對(dui)稱位(wei)置(zhi)各安裝有(you)一個(ge)位(wei)移檢測(ce)(ce)傳(chuan)感器(qi)用于(yu)測(ce)(ce)量(liang)科(ke)氏力(li)效(xiao)應。當沒有(you)介質(zhi)流過測(ce)(ce)量(liang)管(guan)(guan)道時(shi)，測(ce)(ce)量(liang)管(guan)(guan)道處于(yu)自然諧振狀態。2個位(wei)移(yi)傳感器所測(ce)到的位(wei)移(yi)正弦信號(hao)無相位(wei)差。 當有介質流過時，由(you)于有科氏力FC的(de)作用，測量(liang)管道有微小的(de)變形，從(cong)而(er)使2個位(wei)移傳(chuan)感器有相(xiang)位(wei)偏差。該相(xiang)位(wei)偏差與(yu)科(ke)氏力FC成(cheng)正比(bi)，即(ji)與流(liu)過測(ce)量管道的質量流(liu)量成(cheng)正比(bi)。相當于(yu)2個單直管質(zhi)量流量計軸向對稱地同步(bu)工(gong)作。
2 科(ke)氏質量(liang)流量(liang)計(ji)的優缺點
2.1 科氏質量流量計(ji)的優點
時間(jian)差與(yu)測量(liang)(liang)效應成線性關(guan)系；直接測量(liang)(liang)質量(liang)(liang)流(liu)量(liang)(liang)；測量(liang)(liang)儀還可附加檢測流(liu)體密度ρ 和介質溫度T ；測量結果有很(hen)高的精度（典(dian)型的精度：質量流量為±0.1%+ 末端值的±0.005% ；密度ρ為(wei)±0.5kg/m3；ΔT為±0.05%+5℃）；測量(liang)(liang)(liang)結果(guo)與壓力(li)和溫度無(wu)關；測量(liang)(liang)(liang)結果(guo)與流體的性(xing)能(neng)（密度、黏度、電(dian)導(dao)率和熱導(dao)率）無(wu)關；測量(liang)(liang)(liang)結果(guo)與流速分布無(wu)關，即不需要特(te)殊的入口(kou)(kou)引導(dao)管(guan)道，流量(liang)(liang)(liang)計(ji)能(neng)測量(liang)(liang)(liang)真正的質量(liang)(liang)(liang)流量(liang)(liang)(liang)平均(jun)值；出(chu)口(kou)(kou)端不需要施加反壓力(li)，也(ye)就不需要出(chu)口(kou)(kou)引導(dao)導(dao)管(guan)；安裝位(wei)置可(ke)以(yi)任(ren)意(yi)選擇；可(ke)進行雙向測量(liang)(liang)(liang)；所有可(ke)加壓力(li)的介(jie)質都(dou)能(neng)測量(liang)(liang)(liang)，如液態和氣態介(jie)質，特(te)別是(shi)受污染有腐蝕性(xing)的介(jie)質。
2.2 科(ke)氏(shi)流量計的缺(que)點
除(chu)了上述大(da)量(liang)(liang)優點外，同(tong)樣也存(cun)在不足(zu)，如：流量(liang)(liang)計(ji)價格貴(gui)，復雜幾何形狀的(de)(de)測量(liang)(liang)管道使壓(ya)力損耗增(zeng)大(da)；除(chu)單直管外，有些流量(liang)(liang)計(ji)彎(wan)頭較(jiao)多，很難清洗，而且自行排空能力差；測量(liang)(liang)管道的(de)(de)材料與被測介質要注意(yi)它們的(de)(de)相容性；可(ke)測量(liang)(liang)zui大(da)的(de)(de)流量(liang)(liang)限(xian)制為680T/h ；強烈的(de)(de)(de)(de)振動和(he)沖(chong)擊(ji)會影響流量(liang)計(ji)的(de)(de)(de)(de)機械裝置，嚴重時產(chan)生(sheng)較(jiao)大(da)的(de)(de)(de)(de)測量(liang)誤差；有(you)些流量(liang)計(ji)的(de)(de)(de)(de)安裝受到安裝規(gui)程的(de)(de)(de)(de)限(xian)制；采用流量(liang)分(fen)配器(qi)的(de)(de)(de)(de)流量(liang)計(ji)，在測量(liang)不均勻(yun)的(de)(de)(de)(de)介(jie)質時，會產(chan)生(sheng)較(jiao)大(da)的(de)(de)(de)(de)測量(liang)誤差；測量(liang)高黏(nian)度介(jie)質要求附加激勵能量(liang)和(he)需要特(te)殊的(de)(de)(de)(de)標定等。
3 科氏質量流(liu)量計(ji)在氣液兩相(xiang)測量中的應用
科氏質量(liang)(liang)流(liu)量(liang)(liang)計(ji)(ji)的應用已遍及幾乎所(suo)有工業領域。主要原因是高精度和大量(liang)(liang)程，這(zhe)是大多數其(qi)他(ta)流(liu)量(liang)(liang)測(ce)量(liang)(liang)方法所(suo)沒有的。通常(chang)科氏質量(liang)(liang)流(liu)量(liang)(liang)計(ji)(ji)的精度如下：
液體：±0.10%（示值相(xiang)對誤差）± 零點(dian)的(de)穩態(tai)值。
氣體(ti)：±0.50%（示值相對誤(wu)差）± 零點的穩(wen)態值(zhi)。
3.1 丙(bing)烯氣液兩相流量測(ce)量技術參考
丙烯（propylene）常溫(wen)下為無色、無臭、稍帶(dai)有(you)甜(tian)味(wei)的(de)氣體。分(fen)子量42.08，在標準(zhun)大氣壓下密度0.5139g/cm3（20/4℃），冰點-185.3℃，沸點-47.4℃。丙烯在輸送和儲存(cun)中必須進行加壓(ya)處理，另(ling)外，這(zhe)種流(liu)體(ti)的流(liu)量測量中容易因儀(yi)表的壓(ya)力損失而在流(liu)量計(ji)(ji)的出口處產生氣穴和伴隨而來的氣蝕現(xian)象，引(yin)起流(liu)量計(ji)(ji)示(shi)值偏高和流(liu)量一(yi)次裝置(zhi)受損。
3.2 丙烯(xi)流量(liang)測量(liang)系統(tong)誤差(cha)的生成與(yu)處理
在輸送(song)過程中當溫度將降低或由于調節(jie)閥突然(ran)關小導致管道內(nei)壓力(li)增加時，丙(bing)烯會處于氣(qi)液(ye)兩相(xiang)狀態。此時，丙(bing)烯氣(qi)液(ye)混合(he)物密(mi)度相(xiang)應會發(fa)生變化，因而給質量(liang)流(liu)量(liang)計測量(liang)帶來(lai)誤差(cha)。誤差(cha)可以通過密(mi)度補償來(lai)處理。
一常用壓力為1.0MPa 的丙烯氣體，其流(liu)量為qm，假設經長距(ju)離(li)輸送后有10%qm冷(leng)凝成(cheng)液態，令其為(wei)qml，而保(bao)持(chi)氣態的部分為qms，從(cong)定義知，此時濕氣的(de)干(gan)度(du)為(wei)
采用溫度補償，所以按照臨(lin)界飽和狀態查表，得到此時的丙烯(xi)氣體(ti)密度為ρs，液體(ti)密度為ρL，顯然液體(ti)與氣體(ti)部分的體(ti)積(ji)流量為(wei)
式中qvl表示丙(bing)烯液體的體積流量，m3/s；qvs表示(shi)丙烯氣體部分的體積流量，m3/s。
由(you)定(ding)義知，氣(qi)體(ti)干部分(fen)流量占氣(qi)液兩(liang)相總體(ti)積(ji)流量qv之比(bi)Rv為
因為(wei)
所(suo)以(yi)
在該例中，Rv=99.93%，由此可見，在氣液混合(he)中，液體部分(fen)占(zhan)的體積基本可以忽(hu)略不計(ji)。
另外，為了避(bi)免丙烯流量測量時出現氣液(ye)兩相混合現象，選用下面的設(she)計和(he)安裝方(fang)法(fa)將是有效的。
3.2.1 選(xuan)用更的(de)儀表
近年來(lai)，科(ke)氏力流量計的制(zhi)造技術獲得了快速發展，例如CMF100傳感器與2700變送器配用(yong)，測量(liang)液體(ti)時，流體(ti)的(de)質量(liang)流量(liang)度可達流量(liang)值的(de)±0.05%，而且已延(yan)伸到氣(qi)體(ti)流(liu)量(liang)(liang)(liang)的測(ce)量(liang)(liang)(liang)。應用上述(shu)配(pei)置的流(liu)量(liang)(liang)(liang)計測(ce)量(liang)(liang)(liang)氣(qi)體(ti)質量(liang)(liang)(liang)流(liu)量(liang)(liang)(liang)，度可達(da)流(liu)量(liang)(liang)(liang)值(zhi)的±0.35%。并(bing)且能直接顯示質量(liang)流量(liang)。
3.2.2 合理選擇安(an)裝位置
流(liu)量傳感器安裝(zhuang)位置(zhi)(zhi)應選擇在(zai)槽(cao)(cao)的(de)頂部出(chu)口管(guan)道(dao)上。保證直(zhi)管(guan)段的(de)前提下，與槽(cao)(cao)的(de)出(chu)口處盡量近些。這(zhe)樣，丙(bing)烯在(zai)輸(shu)送過程中(zhong)，可(ke)減少(shao)經輸(shu)送管(guan)道(dao)從大(da)氣中(zhong)吸收(shou)熱量。同時(shi)，安裝(zhuang)位置(zhi)(zhi)應盡量低些，這(zhe)樣可(ke)提高過冷(leng)深度。
3.2.3 將調節(jie)閥安(an)裝(zhuang)在流量計后邊(bian)
丙烯(xi)中間槽與丙烯(xi)分離器之間有較大壓差(cha)，此(ci)壓差(cha)絕大部(bu)分降(jiang)落在調節(jie)閥(fa)(fa)上(shang)。丙烯(xi)流(liu)過(guo)此(ci)閥(fa)(fa)時，壓力突然升高(gao)，一定(ding)數(shu)量(liang)的氣體液(ye)化，從而出現氣液(ye)兩相(xiang)(xiang)流(liu)。為了避(bi)免流(liu)過(guo)流(liu)量(liang)計的流(liu)體中存在兩相(xiang)(xiang)流(liu)，節(jie)流(liu)閥(fa)(fa)必須(xu)裝在流(liu)量(liang)計下游。
3.3 提高(gao)丙烯流量測量度的方法
大(da)部分質(zhi)量流量計(ji)制造商以“量程(cheng)誤差加(jia)零點不穩定度”的方式表達基本誤差(cha)，這是因為這種儀表零點穩定性較差(cha)。這種表達方式初看上去(qu)度很高，但(dan)計入(ru)零點不(bu)(bu)穩定度后，度并不(bu)(bu)那(nei)么高。
零(ling)點不穩(wen)定性通常以%FS表示，也有以流量(liang)值kg/min表示，零點不穩定(ding)度一般(ban)在±（0.01~0.04）%FS之間(jian)。當流(liu)量(liang)為下限流(liu)量(liang)時，因零(ling)點不穩(wen)(wen)定性引入的(de)誤(wu)差是很可(ke)(ke)觀的(de)，所以儀表選用時，應將口徑(jing)選得盡(jin)可(ke)(ke)能小一(yi)些，這(zhe)樣可(ke)(ke)將零(ling)點不穩(wen)(wen)定度的(de)數值減小，提高實際得到的(de)測量(liang)度。
參考(kao)文獻
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