吳維新

(中國石化武漢分公司計(jì)量站，武漢 430082)

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影響科氏力流量計(jì)的因素分析及應(yīng)用

吳維新

(中國石化武漢分公司計(jì)量站，武漢 430082)

從溫度、壓力、粘度、流體狀態(tài)、振動(dòng)、兩相流、零點(diǎn)穩(wěn)定性方面討論影響科氏力流量計(jì)的因素，并采取相應(yīng)對策減少或消除這些測量誤差，提高科氏力流量計(jì)測量精度，保證科氏力流量計(jì)計(jì)量系統(tǒng)不確定度<0.3%；最后簡述科氏力流量計(jì)在我公司對外貿(mào)易交接計(jì)量的成功應(yīng)用。

科氏力流量計(jì)；測量誤分析；測量不確定度

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，高精度質(zhì)量流量計(jì)在石化行業(yè)應(yīng)用越來越廣泛；由于精細(xì)化管理深入，對科氏力流量計(jì)應(yīng)用要求也越來越高，因此工藝狀況及物理參數(shù)對科氏力流量計(jì)測量精度影響越來越得到重視。

1 科氏力流量計(jì)的工作原理

科里奧利質(zhì)量流量計(jì)(簡稱科氏力流量計(jì))基于下述原理：當(dāng)一個(gè)位于一旋轉(zhuǎn)體(管道)內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)作向心或背離旋轉(zhuǎn)中心的運(yùn)動(dòng)時(shí)，將產(chǎn)生一慣性力，這個(gè)力來自管道，而流體質(zhì)點(diǎn)反作用于管道上的力就是科氏力，測量在旋轉(zhuǎn)管道中流體的科氏力就可以直接測得質(zhì)量流量。當(dāng)液體在處于振動(dòng)狀態(tài)的測量管中流動(dòng)時(shí)，測量管除以自激振蕩頻率ω做主振動(dòng)外，由于科氏力的存在，還使測量管產(chǎn)生同一頻率下的強(qiáng)制扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。屆時(shí)，測量管實(shí)際處于同一頻率的主振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)之復(fù)合振動(dòng)之中。通過對簡諧振動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程及穩(wěn)定解和數(shù)學(xué)推導(dǎo)分析出測量管進(jìn)、出口檢測信號的相位差Δt與質(zhì)量流量qm的關(guān)系(有關(guān)數(shù)學(xué)推導(dǎo)省略)：

(1)

式中：G為測量管材料的剪切彈性模量；K為決定于測量管結(jié)構(gòu)尺寸量；ω為主振動(dòng)角頻率，rad/s；ωθ為測量管扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的角頻率，rad/s；Δt為測量管兩檢測信號時(shí)間差，s。

這就是科科氏力流量計(jì)流量測量數(shù)學(xué)模型。通過傳感器的設(shè)計(jì)，把對科里奧利力的測量變成對振動(dòng)管兩側(cè)時(shí)差的測量，這就是流量傳感器的工作原理。

2 測量因素對科氏力流量計(jì)影響分析

從科氏力流量計(jì)測量質(zhì)量流量數(shù)學(xué)模型可以看出，一種理想的科氏力流量計(jì)將不受流體熱力學(xué)狀態(tài)(密度、溫度、壓力)的影響，不受它的流變學(xué)特性(動(dòng)力粘度)的影響，也不受流動(dòng)狀態(tài)(雷諾數(shù)、流速分布)的影響。但實(shí)際上，由于科氏力流量計(jì)是利用金屬薄管的機(jī)械振動(dòng)作為敏感元件來檢測流量，因此它不可避免地會受到各種物理參數(shù)不同程度的影響，迄今尚無“絕對理想”的流量儀表。

2.1 溫度影響

當(dāng)被測液體溫度升高時(shí)，科氏力流量計(jì)的振動(dòng)管系統(tǒng)的剛性減少，這是由于測量管材料的固有彈性常數(shù)產(chǎn)生變化的原因，從式(1)彈性模量G減少，則流量qm減少。由于傳感器安裝RTD溫度傳感器檢測測量管的溫度，介質(zhì)工藝溫度變化引起傳感器測量管材料彈性模量變化所產(chǎn)生的誤差在儀表設(shè)計(jì)中已經(jīng)作了補(bǔ)償。但零點(diǎn)穩(wěn)定性受溫度的影響效應(yīng)是不能被補(bǔ)償?shù)?，因?yàn)樗怯蓚鞲衅髦袔缀谓Y(jié)構(gòu)的不均衡引起的，是無規(guī)律性的。環(huán)境溫度的變化會引起電子元器件的性能漂移，以致影響儀表的信號處理電路和模擬輸出電路，但影響比較小，因此改善電子元器件的性能，提高其穩(wěn)定性，可保證計(jì)量準(zhǔn)確性。

2.2 壓力影響

在一般測量環(huán)境和工況條件下，介質(zhì)溫度和壓力變化的影響很小。但在實(shí)際工作條件下，如果介質(zhì)溫度、壓力與標(biāo)定時(shí)溫度、壓力差異很大時(shí)，對于精密測量，則應(yīng)給以必要的修正。

由式(1)表明:當(dāng)測量介質(zhì)的壓力、溫度改變時(shí)，傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸會發(fā)生變化，則K會發(fā)生變化。溫度變化，影響K的變化不大，廠家在儀表出廠給出溫度修正系數(shù)；而壓力的影響較大，這是由于傳感器的U形管是一個(gè)彈性體，一般管壁較薄，壓力增大，K值增大，反應(yīng)在流量計(jì)上，一定的流量，只要壓力增大，流量計(jì)的顯示值將減小。

根據(jù)國外科氏力流量計(jì)資料表明：傳感器型號不同，壓力變化對流量修正系數(shù)不同。如果工藝壓力相對穩(wěn)定，可以通過調(diào)整流量系數(shù)確定壓力補(bǔ)償。為了避免實(shí)際應(yīng)用中壓力變化對流量計(jì)測量精度的影響，采取以下方法：選型時(shí)盡量選用受壓力變化影響小的科氏力流量計(jì)；流量計(jì)進(jìn)行在線檢定；在不具備在線檢定條件時(shí)，也應(yīng)使流量計(jì)在工作壓力下進(jìn)行離線檢定；受壓力影響所產(chǎn)生附加誤差的變化較穩(wěn)定的流量計(jì)，可采用安裝壓力變送器的方法以軟件的方式進(jìn)行實(shí)時(shí)的壓力補(bǔ)償計(jì)算。

2.3 粘度影響

粘度對科氏力流量計(jì)影響極微少，通常應(yīng)用中不需要補(bǔ)償。但當(dāng)液體粘度過高時(shí)，可能會消耗激勵(lì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)較多的能量，特別是在流動(dòng)開始時(shí)，這種現(xiàn)象可能引起測量管瞬間阻塞，直到流量達(dá)到適當(dāng)?shù)某潭葹橹?。這種情況下，通常會在變送器內(nèi)引起一個(gè)瞬間報(bào)警狀態(tài)。有的產(chǎn)品帶有輔助電源箱，當(dāng)粘度升高時(shí)，接入激勵(lì)系統(tǒng)，以補(bǔ)充其能量不足。

2.4 流動(dòng)狀況的影響

由上游和下游管子的構(gòu)成狀態(tài)所引起的旋渦和非均勻的畸形流速分布，科氏力流量計(jì)的性能通常是不受影響的，因而一般不要求專門的直管段。盡管如此，一個(gè)好的管路系統(tǒng)均應(yīng)遵守最優(yōu)的原則。科氏力流量計(jì)一般也能在脈動(dòng)流條件下應(yīng)用。但流體脈沖頻率同管子振動(dòng)頻率相近時(shí)，就會影響科氏力流量計(jì)的性能，這要求避開諧振頻率這樣的脈沖狀況，也可采用脈沖減振器。

2.5 振動(dòng)影響

由于科氏力流量計(jì)是基于振動(dòng)原理而工作的，如何防止來自泵、管路系統(tǒng)及其他機(jī)械的外來振動(dòng)以及流動(dòng)介質(zhì)的水力學(xué)噪聲等對儀表性能的影響，是十分重要的問題。主要有4個(gè)方面的措施來解決：1)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上加以考慮。所有設(shè)計(jì)者都采取了不同程度的抑制振動(dòng)對測量管干擾的措施。2)制造廠家應(yīng)向用戶說明自己產(chǎn)品工作振動(dòng)頻率范圍，以便在應(yīng)用中加以注意。一般彎管式頻率為80～100Hz,而直管式為700～1000Hz，各廠家有所不同。3)安裝時(shí)儀表的進(jìn)口和出口應(yīng)有夾持和支撐，軸向管接頭應(yīng)與科氏力流量計(jì)接頭相等，防止安裝期間有過分的應(yīng)力施加在科氏力流量計(jì)上。4)在安裝環(huán)境較差時(shí)，考慮采用振動(dòng)隔離，用柔性管連接(注意柔性管不能直接連接在傳感器上)。

2.6 零點(diǎn)穩(wěn)定性

很多制造廠家給出的科氏力流量計(jì)精確度指標(biāo)中，在百分比誤差之后有“+零點(diǎn)穩(wěn)定性”一項(xiàng)，這是對于零點(diǎn)不穩(wěn)定性的一項(xiàng)控制指標(biāo)。形成零點(diǎn)不穩(wěn)定的因素有如下幾點(diǎn)：1)兩根測量管不可避免的不對稱性，從而在實(shí)際使用條件下由于溫度、壓力等影響而造成零流量下的輸出偏差；2)液體中含有物質(zhì)的非均勻性，甚至有某些沉淀產(chǎn)生，造成不對稱；3)儀表出廠時(shí)動(dòng)平衡補(bǔ)償達(dá)不到理想要求；4)由于測量管的環(huán)繞產(chǎn)生的應(yīng)力，在安裝過程中產(chǎn)生應(yīng)力，以及在安裝過程中產(chǎn)生的其他應(yīng)力，均附在測量管上。

減少零點(diǎn)漂移的途徑，首先應(yīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝上加以考慮，保證兩支管的對稱性。為了更好應(yīng)用，儀表安裝后在現(xiàn)場使用的條件下重新調(diào)零。還要注意科氏力流量計(jì)安裝地點(diǎn)不應(yīng)靠近有較強(qiáng)電磁場的設(shè)備。

2.7 兩相流影響

科氏力流量計(jì)原則上可以測量兩相流體，但實(shí)際上這只是在一定范圍內(nèi)有效。特別是當(dāng)氣、液兩相中，氣相所占比例增大到一定量值時(shí)，流量計(jì)將不能正常工作。因此，在實(shí)際應(yīng)用中盡量安裝在管線上最低處，始終讓管線充滿液體，盡量減少兩相流對科氏力流量計(jì)的影響。對易產(chǎn)生氣化的液體測量在表前安裝消氣器，或在流量計(jì)下游提供足夠背壓，確保流量計(jì)測量準(zhǔn)確。

3 科氏力流量計(jì)在貿(mào)易交接計(jì)量中的應(yīng)用

為了保證我廠成品油出廠計(jì)量準(zhǔn)確，減少成品油出廠損耗，避免由于完全靠人工檢尺計(jì)量帶來的人為誤差，從1995年開始對出廠管線引進(jìn)國外先進(jìn)高精度科氏力流量計(jì)，到目前已在所有出廠管線上都安裝科氏力流量計(jì)，同時(shí)在水路出廠各碼頭安裝電動(dòng)閥，二次信號采用深圳公司開發(fā)的計(jì)量監(jiān)控管理系統(tǒng)，自動(dòng)打印采集數(shù)據(jù)，交接計(jì)量單及統(tǒng)計(jì)報(bào)表，并可查詢發(fā)油過程流量、密度、溫度趨勢。

3.1 數(shù)據(jù)對比

為了使科氏力流量計(jì)既為工廠取得經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，又使用戶完全接受這一項(xiàng)新技術(shù)，一方面向用戶宣傳應(yīng)用科氏力流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)及人工計(jì)量的弊病，另一方面堅(jiān)持儀表量和人工量并舉進(jìn)行。用真實(shí)的數(shù)據(jù)說話，使懷疑者打消故慮。表1為1997年剛投用0#柴油科氏力流量計(jì)部分儀表量與人工量比較數(shù)據(jù)。投用6年后對0#柴油表又進(jìn)行比對。

表1 0#柴油科氏力流量計(jì)人工量與儀表量比對數(shù)據(jù)表

從以上數(shù)據(jù)及用戶反映情況來看，科氏力流量計(jì)投用確實(shí)維護(hù)了武漢石化的效益和信譽(yù)，得到了用戶的認(rèn)可。

由于碼頭出廠管線電動(dòng)閥離船仍有近200m，管線約2～3噸油，因此經(jīng)常引起船方計(jì)量爭議，差量剛好2t油左右，上一船多，下一船少，跟罐量無關(guān)。因此建議廠部在碼頭平臺上裝高精度體積流量計(jì)進(jìn)行監(jiān)控。目前在碼頭上共裝五臺體積流量計(jì)，對所有出廠的汽油和柴油品種進(jìn)行比對、監(jiān)督。表2是科氏力流量計(jì)與體積表比對數(shù)據(jù)。

表2 科氏力流量計(jì)與體積表比對數(shù)據(jù)

從表2看出：由于操作可能不規(guī)范，從碼頭平臺到船上管線全部放空，如果閥門內(nèi)漏則龍門架油品也可能放空，造成體積表量比科氏力流量計(jì)大，如8月8日202#平臺體積表比流量計(jì)大3.505t,偏大，但大部分情況很正常。

3.2 效益分析

成品油出廠計(jì)量采用科氏力流量計(jì)計(jì)量及電動(dòng)閥控制系統(tǒng)后，不僅大大減少了與用戶商務(wù)糾紛，提高了工信譽(yù)，而且大大減少了成品油出廠損失，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1)由于不需要檢尺，大大縮短油品出廠時(shí)間，加速油品周轉(zhuǎn)，最大限度降低油品庫存，加速資金周轉(zhuǎn)，提高資金利用率；同時(shí)大大減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。

2)以前輕油、重油罐區(qū)出現(xiàn)竄油等事故造成效益流失，但科氏力流量計(jì)的投用仍能準(zhǔn)確地測量發(fā)油量，對罐區(qū)起監(jiān)控作用。

3)科氏力流量計(jì)具有自動(dòng)測量溫度和密度功能，對罐區(qū)溫度及密度取比對監(jiān)督作用。

4)高精度體積表投用有效監(jiān)控碼頭及管輸發(fā)油情況，避免非正常發(fā)油狀態(tài)可能造成的計(jì)量糾紛，提高油品出廠的可靠性和準(zhǔn)確性，更有利于計(jì)量的公平、公正原則。

4 結(jié)論

目前科氏力式流量計(jì)已成為應(yīng)用廣泛和成熟的流量測量儀表。通過對影響質(zhì)量流量參數(shù)分析，采取相應(yīng)對策，并在實(shí)際應(yīng)用中加以改進(jìn)，提高其測量準(zhǔn)確度，保證了科氏力流量計(jì)在我廠交接計(jì)量中的成功應(yīng)用。

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10.3969/j.issn.1000-0771.2015.10.23