質量流量計在(zài)氣液兩相測量中(zhong)的應用分析

1 常見流體的(de)測量方法  
1.1氣(qi)體流量的測量方(fang)法  
需要測量(liang)流量的氣體種類(lei)繁多，其測量的儀(yi)器儀表也☂️有很大(dà)的差别。以天然氣(qi)流量的測量爲例(li)：目前，天然氣貿易(yì)計量分爲體積計(jì)量、質量計量和能(neng)量計量 3種，工(gong)業發達國家質量(liang)計量和能量計量(liang)兩種方法都在♻️使(shi)‼️用🐇，而💛我國目前基(ji)本上以體積計量(liàng)爲主。  
1.2 液體流(liu)量的測量方法  
常見的液體有(you)水、石油、液化氣體(tǐ)等。水流量的測量(liang)難♻️度不高，不同原(yuan)理的流量計大多(duō)數都可以測量水(shui)的容量，但也不是(shì)随便裝一台就肯(ken)定能用好的。這是(shì)因爲水的潔淨程(chéng)度不同，流體工況(kuàng)條件各異，流量測(cè)量的範圍就會出(chu)現懸殊；石油具有(you)一定的🈲黏稠度，因(yin)此不同黏度的石(shí)油産品所選擇的(de)計量🔆儀器不同，高(gao)✔️黏🤩度油品如原油(you)、重油、渣油，爲了便(bian)于✍️輸送，往往被加(jia)熱到較高🙇🏻的溫度(dù)。流體中含有固态(tài)♈雜🌈質，測量前還需(xu)要㊙️過濾；液化氣體(tǐ)屬于高飽和蒸氣(qi)壓液體🌏，測量時必(bì)須❓考慮氣化的問(wen)題，因此使用的流(liú)量計也比較特殊(shu)，如渦街流量計、渦(wō)輪流量計、容積式(shi)流量計、科氏質量(liang)流量計等。  
1.3 氣(qi)液多相流體的測(ce)量方法  
氣液(yè)兩相流體的流量(liàng)測量從制造商的(de)資料可看出，有幾(jǐ)種儀表可用來測(cè)量離散相濃度不(bú)高的兩相流體的(de)流量，在實際應用(yòng)中也有一些成功(gong)應用的實例，但目(mu)前🌈使用的流量計(ji)😍都是在🍓單相流動(dòng)狀💚态下評定💔其測(ce)量性⁉️能，現在還沒(méi)有以單相流标定(ding)☁️的流量計用來測(ce)量兩相♌流時系統(tong)變化的評定标準(zhǔn)，因此這樣的⭐應用(yòng)究竟帶來多大的(de)誤差還不很清楚(chǔ)，僅有一些零星的(de)數據和一些🙇🏻定性(xing)的分析。常用的氣(qì)液兩相流量💘測量(liàng)儀器有：電磁流量(liàng)計、科氏力質量流(liu)量計、超聲流量計(ji)等⛹🏻‍♀️。  
1.4 科氏質量(liàng)流量計的測量原(yuán)理  
1.4.1 科氏力的(de)形成  
由科氏(shì)加速度作用産生(sheng)科氏力。該加速度(du)是法國工程🚶師科(kē)裏奧利斯在研究(jiū)水輪機的機械理(lǐ)論時發現的。科氏(shì)力🐪，是對🔴旋轉💞體系(xi)中進行直線運動(dong)的質點由于慣性(xìng)相對于💁旋轉體系(xì)産生的直線運動(dong)🧡的偏移的一種描(miáo)述，科裏奧利🈲力來(lai)自于物體運動所(suǒ)具有的慣性。  
在旋轉體系中進(jin)行直線運動的質(zhì)點，由于慣性，有沿(yan)著📐原有運動方向(xiang)繼續運動的趨勢(shì)，但是由于體系本(ben)身是旋轉的，在經(jīng)曆了一段時間的(de)運動之後，體系中(zhōng)⚽質點的位置會有(yǒu)所變化，而它原有(yǒu)的運動趨勢的方(fāng)🍉向，如果以🈲旋轉體(tǐ)系的視角去觀察(cha)，就會發生一定程(cheng)度的偏離。  
當(dāng)一個質點相對于(yú)慣性系做直線運(yùn)動時，相對于🏃‍♂️旋💯轉(zhuǎn)體🤩系，其軌迹是一(yī)條曲線。立足于旋(xuan)轉體系，我🌏們認爲(wei)有一個力驅使質(zhi)點運動軌迹形成(chéng)曲線，這個力就是(shì)科裏奧利力。  
科裏奧利力的計(jì)算公式爲： F=2mVr×ω 
式(shi)中 F爲科裏奧(ào)利力； m爲質點(dian)的質量； Vr爲相(xiàng)對于靜止參考系(xì)質點的運動速度(dù)（矢量）； ω爲旋轉(zhuǎn)體系的角速度（矢(shǐ)量）； ×表示兩個(gè)向量的外積符号(hào)（ Vr×ω：大小等于 v·ω·sinθ，，方向滿足右手(shou)螺旋定則）。  
1.4.2 彎(wan)管流量計的原理(li)  
原理上，當被(bei)測介質通過振動(dòng)的測量管道時，科(kē)氏力🈚能直接⭐用❄️于(yu)質量流量的測量(liang)。測量管道經常呈(chéng) U形如圖所示(shi)。管道用剛性固定(dìng)件支撐，并經激勵(lì)器 E沿 A-A\'軸(zhou)産生振動，形成沿(yán)該軸的一個旋轉(zhuan)參考系統。如果在(zài)入🔴口段觀察一小(xiǎo)團流體，那麽它的(de)質量元流出固定(dìng)端。該質量元随管(guǎn)道半徑逐漸增大(da)而作圓弧軌迹運(yùn)動。當彎管向上運(yun)動時，形成一個方(fāng)向朝下的科氏力(lì)。同時，觀察出口段(duan)的狀态，質💔量元流(liu)入固定端。同樣産(chan)生一個方向朝上(shang)的科氏力。由 B稱的配置在兩邊(biān)呈現出相同數值(zhí)但不同符号的科(kē)氏力。在流體流動(dòng)時，由于力矩的作(zuo)用，導緻測量管道(dao)💛沿 B-B\'軸産生一(yī)個附加的扭曲運(yùn) B動。在入口段(duan)和出口段分别安(an)裝傳感器 S1和(he) S2檢測管道沿(yán) A-A\'和 B-B\'軸的(de)位移量。信号過零(ling)點的時間差事管(guan)道扭曲的檢💋測量(liàng)，它與💋通過管道的(de)質量流量成正比(bǐ)。
科氏質量流(liú)量計原理的結構(gou)

1.4.3 單直管流量(liang)計的測量原理  
兩端拉緊固定(dìng)的測量管道是直(zhi)徑 d和長度 l的钛合金管。由(yóu)安裝在管道中間(jiān)的振動裝置以一(yi)階模式方式産生(sheng)振動。工作頻率 fB=ωB/2π接近于一階頻(pín)率。在傳感器檢測(ce)位置 ±z=±l/3處，振動(dòng)幅度調整約爲 x±m（ ±z）。如果流體(ti)質量元 m以速(sù)度 v流過由角(jiao)速度 ω振動的(de)管道，那麽這質量(liàng)元就會在管壁上(shàng)産生科氏力，即 FC=2mv×ω在管道的前後(hou)半段上，除了一階(jiē)諧振外，還産生作(zuò)📞用力㊙️方形相🏃‍♂️反的(de)二階模式振動。一(yī)階和二階模式振(zhen)動的疊加在時間(jian)上産生 90°的相(xiang)移。因此，當管道中(zhong)存在質量流量時(shi)，測量管道産生擺(bǎi)動運

1.4.4 雙直管(guǎn)流量計的測量原(yuán)理  

雙直管質(zhì)量流量計有 2根測量管道、優化(huà)的流速分配器、 4個位移傳感器(qi)和 2個電磁式(shi)振蕩驅動器組成(chéng)。其原理是： 2個(gè)電磁式振蕩驅動(dòng)器以諧振頻率使(shi)兩根測量管道同(tong)步的🚶相向振動。每(měi)個電磁式驅動器(qi)兩邊的對稱位置(zhi)各安裝㊙️有一個位(wèi)🙇‍♀️移檢測傳感器用(yòng)于測量😘科氏力🔞效(xiao)應。當沒有介質流(liu)過✍️測量管道時，測(cè)量管道處于自然(ran)諧振狀态。 2個(gè)位移傳感器所測(ce)到的位移正弦信(xin)号無相位差。 當有介質流過時(shi)，由于有科氏力 FC的作用，測量管(guǎn)道有微小的變形(xing)，從而使 2個位(wèi)移傳感器有相位(wèi)偏差。該相位偏差(chà)與科氏力 FC成(chéng)正比，即與流過測(cè)量管道的質量流(liu)量成正比。相當于(yú) 2個單直管質(zhi)量流量計軸向對(dui)稱地同步工作。  

2 科氏質量流量(liang)計的優缺點  

2.1 科氏質量流量計(jì)的優點  

時間(jian)差與測量效應成(cheng)線性關系；直接測(cè)量質量流量；測量(liang)儀還可附加檢測(cè)流體密度 ρ 和(hé)介質溫度 T ；測(ce)量結果有很高的(de)精度（典型的精度(dù)：質量流量爲 ±0.1%+ 末端值的 ±0.005% ；密(mi)度 ρ爲 ±0.5kg/m3； ΔT爲 ±0.05%+5℃ ）；測(ce)量結果與壓力和(he)溫度無關；測量結(jie)果與流體的性能(neng)（密度、黏度、電導率(lü)和熱導率）無關；測(cè)量結果與流速分(fèn)布無關，即不需要(yào)特殊的入口引導(dao)管道，流㊙️量計能🌈測(ce)量真正的質💁量流(liú)量🈲平均值；出口端(duān)不需要施加反壓(ya)力，也就不需要出(chu)口引導導管；安裝(zhuang)位☎️置可以任意🔴選(xuan)擇；可進行雙向測(cè)量；所有可加壓力(lì)的介質都能測量(liang)，如液态和氣态介(jiè)質，特别是💘受污染(rǎn)有腐蝕性的介質(zhì)。  

2.2 科氏流量計(jì)的缺點  

除了(le)上述大量優點外(wài)，同樣也存在不足(zú)，如：流量計價格貴(gui)，複雜幾何形狀的(de)測量管道使壓力(lì)損耗增大；除單直(zhi)管外，有些流量計(jì)彎頭較多，很難清(qing)洗，而且自行🏃🏻‍♂️排空(kong)能力差；測🙇🏻量管道(dào)的材料☎️與被測介(jie)質要注意它們的(de)相容性；可測量zui大(da)的流量限制爲 680T/h ；強烈的振動和(he)沖擊會影響流量(liang)計的機械裝置，嚴(yan)重時🔆産🔴生較大的(de)測量誤差；有些流(liu)量計的安裝受到(dào)安裝規程的限制(zhì)；采用🔞流量分配器(qì)的流量計，在測量(liàng)不均勻的介質時(shí)，會産生較大的測(cè)量誤差；測🙇🏻量高黏(nian)度😘介質要求附加(jia)激勵能量和需要(yao)特殊的标定等。  

3 科氏質量流量(liang)計在氣液兩相測(cè)量中的應用  

科氏質量流量計(ji)的應用已遍及幾(ji)乎所有工業領域(yù)🏃‍♀️。主要原因是高精(jīng)度和大量程，這是(shì)大多數其他流量(liàng)🐕測量方法所沒🏒有(you)的。通常科氏質量(liàng)流量計的精度如(ru)🚩下：  

液體： ±0.10%（示值相對誤差） ± 零點的穩态值(zhí)。  

氣體： ±0.50%（示(shi)值相對誤差） ± 零點的穩态值。  

3.1 丙烯氣液兩相(xiang)流量測量技術參(cān)考  

丙烯（ propylene）常溫下爲無色、無(wu)臭、稍帶有甜味的(de)氣體。分子量 42.08，在标準大氣壓下(xià)密度 0.5139g/cm3（ 20/4℃ ），冰點 -185.3℃ ，沸點 -47.4℃ 。丙(bǐng)烯在輸送和儲存(cun)中必須進行加壓(ya)處理，另外，這種流(liu)體的流量測量中(zhong)容易因儀表的壓(yā)力損失而在流🧑🏾‍🤝‍🧑🏼量(liàng)計的出口處産生(sheng)氣穴和伴随而來(lái)的氣蝕現象，引起(qi)流量計示值偏高(gao)和流量一♍次裝置(zhi)受損。  

3.2 丙烯流(liu)量測量系統誤差(cha)的生成與處理  

在輸送過程中(zhong)當溫度将降低或(huò)由于調節閥突然(ran)關小導緻管道内(nei)壓力增加時，丙烯(xi)會處于氣液兩相(xiàng)狀♻️态。此🔞時，丙烯氣(qi)👨‍❤️‍👨液混合物密度相(xiàng)應會發生變♊化，因(yin)而給質量流量計(jì)測量帶來誤差。誤(wù)差可以通過密度(du)補償來處理。  

一常用壓力爲 1.0MPa 的丙烯氣體，其(qí)流量爲 qm，假設(she)經長距離輸送後(hòu)有 10%qm冷凝成液(yè)态，令其爲 qml，而(er)保持氣态的部分(fen)爲 qms，從定義知(zhi)，此時濕氣的幹度(du)爲

采用溫度(du)補償，所以按照臨(lín)界飽和狀态查表(biǎo)，得到⚽此時的丙🔞烯(xī)氣體密度爲 ρs，液體密度爲 ρL，顯然液體與氣體(tǐ)部分的體積流量(liàng)爲

式中 qvl表示丙烯液體的(de)體積流量， m3/s； qvs表示丙烯氣體(ti)部分的體積流量(liàng)， m3/s。  

由定義(yi)知，氣體幹部分流(liú)量占氣液兩相總(zong)體積流量 qv之(zhi)比 Rv爲

因(yin)爲

所以

在該例中， Rv=99.93%，由(you)此可見，在氣液混(hun)合中，液體部分占(zhan)的體積基本可以(yǐ)忽略不計。  

另(ling)外，爲了避免丙烯(xi)流量測量時出現(xian)氣液兩相混合現(xiàn)象，選用下面的設(shè)計和安裝方法将(jiang)是有效的。  

3.2.1 選(xuan)用更的儀表  

近年來，科氏力流(liú)量計的制造技術(shù)獲得了快速發展(zhǎn)，例如 CMF100傳感器(qì)與 2700變送器配(pèi)用，測量液體時，流(liú)體的質量流量度(dù)可達📧流量值的 ±0.05%，而且已延伸到(dao)氣體流量的測量(liàng)。應用上述配置的(de)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼流量計測量氣體(ti)質量流量，度可達(dá)流量值的 ±0.35%。并(bing)且能直接顯示質(zhì)量流量。  

3.2.2 合理(lǐ)選擇安裝位置  

流量傳感器安(ān)裝位置應選擇在(zai)槽的頂部出口管(guǎn)♌道上。保證直管段(duan)的前提下，與槽的(de)出口處盡量近些(xiē)。這樣，丙烯在輸送(song)過程中，可減少經(jing)輸送管道從🏃‍♂️大氣(qì)中吸收熱🧡量。同時(shí)，安裝位置應盡量(liang)低些，這樣可提高(gao)過冷深度。  

3.2.3 将(jiāng)調節閥安裝在流(liú)量計後邊  

丙(bing)烯中間槽與丙烯(xi)分離器之間有較(jiao)大壓差，此壓差絕(jué)大部分降落在調(diao)節閥上。丙烯流過(guò)此閥時，壓⚽力突🔴然(rán)升高，一💋定數量的(de)氣體液化，從而出(chū)現氣液兩相流。爲(wei)了避☂️免流過流量(liang)計的流體中存在(zài)兩相流，節流閥必(bì)須裝在流量計下(xia)遊。  

3.3 提高丙烯(xī)流量測量度的方(fang)法  

大部分質(zhi)量流量計制造商(shāng)以 “量程誤差(chà)加零點不穩定度(dù) ”的方式表達(dá)基本誤差，這是因(yīn)爲這種儀表零點(dian)穩定♈性較差。這種(zhǒng)表達方式初看上(shang)去度很高，但計入(rù)零點不穩定度後(hòu)，度🍓并不那麽高。  

零點不穩定性(xìng)通常以 %FS表示(shì)，也有以流量值 kg/min表示，零點不穩(wěn)定度一般在 ±（ 0.01~0.04） %FS之間。當(dang)流量爲下限流量(liàng)時，因零點不穩定(dìng)性引入的誤差是(shi)很💋可觀的，所以儀(yi)表選用時，應将口(kǒu)徑選得盡⛹🏻‍♀️可能小(xiao)一些，這樣可将零(líng)點不穩定度的數(shù)值減小，提💁高實際(ji)⛱️得到的測量度。  

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