蔡武昌

(中國(guó)儀器儀表行業(yè)協(xié)會(huì) 流量?jī)x表工作委員會(huì)，上海 200233)

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黏稠液體滲入氣泡對(duì)流量計(jì)測(cè)量的影響

蔡武昌

(中國(guó)儀器儀表行業(yè)協(xié)會(huì) 流量?jī)x表工作委員會(huì)，上海 200233)

摘要：針對(duì)高黏性液體在交接存儲(chǔ)過程中流量測(cè)量存在誤差的問題，英國(guó)工程實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)研究了超聲波流量計(jì)和科里奧利質(zhì)量流量計(jì)在運(yùn)動(dòng)黏度為200mm2/s液體中受滲入氣泡的流量或密度測(cè)量影響程度。氣泡體積分?jǐn)?shù)在0～1%內(nèi)測(cè)試不同流量下的測(cè)量誤差，氣泡體積分?jǐn)?shù)變動(dòng)和流量變動(dòng)均會(huì)造成測(cè)量誤差變化。兩種變動(dòng)產(chǎn)生的誤差變化呈現(xiàn)不同趨勢(shì)，從而可能實(shí)現(xiàn)儀表自診斷功能，補(bǔ)償或改善儀表性能。結(jié)論： 低黏性液體用流量?jī)x表不能簡(jiǎn)單移植到高黏性液體中應(yīng)用，必須做性能評(píng)估或儀表改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：超聲波流量計(jì)科里奧利質(zhì)量流量計(jì)密度測(cè)量高黏性液體含氣泡混合液測(cè)量誤差

1概述

對(duì)于低黏性液體(如水等)滲入氣泡對(duì)超聲波流量計(jì)(USF)和科里奧利質(zhì)量流量計(jì)(CMF)測(cè)量的影響，有人做了實(shí)驗(yàn)并在實(shí)踐中取得了一些認(rèn)識(shí)。Endress+Hauser公司出版的《流量手冊(cè)》中稱： 氣泡體積分?jǐn)?shù)達(dá)到2%，將使USF不能工作，1%左右測(cè)量就會(huì)呈現(xiàn)問題[1]。1990年意大利計(jì)量院G.A.Cignolo氏等研究市場(chǎng)上7種型號(hào)CMF受含氣泡的影響，在氣泡體積分?jǐn)?shù)為1%的水中進(jìn)行影響實(shí)驗(yàn)，某些儀表中的誤差為1%～2%，當(dāng)氣泡體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，誤差普遍為15%～20%。

關(guān)于氣泡在黏稠液體中影響如何，英國(guó)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室(NEL)在2011年第10屆東南亞烴流量測(cè)量學(xué)術(shù)討論會(huì)上發(fā)表《含滲入氣泡黏稠液的流量測(cè)量》一文[3]，闡述了USF和CMF在測(cè)量黏稠液體時(shí)受滲入氣泡對(duì)流量測(cè)量和CMF密度影響的實(shí)驗(yàn)研究，得出實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在不同體積分?jǐn)?shù)段的影響量值，文中對(duì)此進(jìn)行簡(jiǎn)述。

全球儲(chǔ)藏石油中，30%為低黏性輕油，70%為高黏性油，高黏性石油預(yù)計(jì)100年或更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)將是重要的能源。用中、低黏性油校準(zhǔn)的流量?jī)x表不能簡(jiǎn)單地直接應(yīng)用于高黏度油品，要作性能評(píng)估和必要的補(bǔ)償修正。

氣體可經(jīng)多種途徑混入黏性油品，且不易消散，如油輪裝卸，流入/流出生產(chǎn)流程中的容器，測(cè)試中的分離/匯入，生產(chǎn)過程中工況條件急劇變化等。如果能夠求得滲入氣泡對(duì)各種流量測(cè)量技術(shù)和儀表的影響以及在不同體積分?jǐn)?shù)時(shí)的測(cè)量偏差的趨勢(shì)，就有實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)修正的可能性。

渡越時(shí)間法USF滲入氣泡會(huì)阻礙聲波傳播而降低響應(yīng)，使流量測(cè)量產(chǎn)生偏差。高級(jí)自診斷功能可檢測(cè)信號(hào)衰減程度，當(dāng)接收換能器接收不到信號(hào)就發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

CMF滲入氣泡理論上不會(huì)影響所測(cè)質(zhì)量流量讀數(shù)，然而氣泡在測(cè)量管內(nèi)影響管的阻尼，從而影響質(zhì)量流量和密度的測(cè)量。此外，氣泡在液體中分布不均勻也會(huì)使質(zhì)量流量和密度產(chǎn)生偏差。CMF測(cè)量管阻尼和工作頻率是2個(gè)重要自診斷參數(shù)，兩者的任何波動(dòng)可反映出測(cè)量管內(nèi)是否存在固體顆?；驓馀荨?/p>

2實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)對(duì)象是1臺(tái)DN100 USF、1臺(tái)DN100 CMF和1臺(tái)DN150 CMF。USF系多聲道渡越時(shí)間法測(cè)量?jī)x表(以下簡(jiǎn)稱儀表A)，流量范圍5～100L/s；DN100 CMF系雙測(cè)量管儀表(以下簡(jiǎn)稱儀表B)，標(biāo)稱流量上限150kg/s；DN150 CMF也是雙測(cè)量管儀表(以下簡(jiǎn)稱儀表C)，標(biāo)稱流量上限約220kg/s。

試驗(yàn)是在英國(guó)NEL標(biāo)準(zhǔn)表比較法油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行，參比標(biāo)準(zhǔn)表是Smith Meter公司的DN200刮板式容積流量計(jì)，其不確定度為±0.25%(95%置信度)。參比標(biāo)準(zhǔn)表則用該裝置上所設(shè)靜止啟停法稱重原始標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)。圖1所示是安裝有參比標(biāo)準(zhǔn)表、氣體注入器、1臺(tái)USF和1臺(tái)CMF測(cè)試組例，待測(cè)試流量計(jì)前后直管長(zhǎng)度按制造廠規(guī)定。氣體注入系統(tǒng)由1組流量?jī)x表、壓力/溫度傳感器組成，控制注入氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)。試驗(yàn)液體是運(yùn)動(dòng)黏度為200mm2/s(20℃)的Primol液，流量范圍5～70L/s；氣泡體積分?jǐn)?shù)為0～1%。USF和CMF串聯(lián)測(cè)試組示意如圖1所示。

圖1　USF和CMF串聯(lián)測(cè)試組例

3測(cè)試結(jié)果與討論

1) 超聲波流量計(jì)(儀表A)。由于未裝流動(dòng)調(diào)整器，前、后直管長(zhǎng)度按照制造商規(guī)定，但不得低于20D，5D。試驗(yàn)時(shí)按標(biāo)準(zhǔn)賦值組態(tài)設(shè)定，不因?yàn)槭芨唣ざ?、低流速或滲入氣泡影響而調(diào)整儀表。在液體中注入氣泡的體積分?jǐn)?shù)為0～1%，探求滲入氣泡對(duì)單相液體流量測(cè)量性能的影響。液體體積流量誤差與參比流量計(jì)所測(cè)液體體積流量的關(guān)系如圖2所示。

圖2　不同氣泡體積分?jǐn)?shù)下液體體積流量誤差與液體體積流量的關(guān)系

由圖2可知，儀表響應(yīng)隨著氣泡體積分?jǐn)?shù)增加而呈負(fù)偏差，大部分測(cè)試點(diǎn)在氣泡體積分?jǐn)?shù)低于0.3%時(shí)，與參比流量計(jì)比較誤差均在±1%以內(nèi)。在低流速時(shí)，則所有氣泡體積分?jǐn)?shù)測(cè)試點(diǎn)的儀表響應(yīng)誤差均接近1%，約為±1%。這一現(xiàn)象可認(rèn)為氣泡分布性較差時(shí)，儀表對(duì)滲入氣泡會(huì)更好地處理，該分析得到流量超過50L/s(即流速超過6.4m/s)時(shí)所有氣泡體積分?jǐn)?shù)測(cè)試點(diǎn)誤差增大所證實(shí)。

圖3所示是不同液體體積流量下氣泡體積分?jǐn)?shù)與液體體積流量誤差的關(guān)系。

圖3　不同液體體積流量下氣泡體積分?jǐn)?shù)與液體體積流量誤差的關(guān)系

在大流量時(shí)(本案例流量超過60L/s，流速超過7.6m/s)呈現(xiàn)較大誤差，這可能是氣泡在液流分布均勻所致。此外，由于液/氣體間聲阻抗失配最大，聲波散射和衰減效應(yīng)顯著，會(huì)出現(xiàn)較大的問題。若氣泡潴留在超聲換能器壁龕凹處，阻礙了聲波傳播，更使儀表完全失效或?qū)е潞艽笳`差。

在增加氣泡體積分?jǐn)?shù)或增加液體流速時(shí)，儀表A實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)可辨別兩者儀表響應(yīng)的不同趨勢(shì)。增強(qiáng)儀表診斷功能有可能應(yīng)用例如信噪比(SNR)等參數(shù)，SNR能檢測(cè)氣泡干擾超聲束所引起任何衰減。這種情況下，USF若檢測(cè)出氣泡，可關(guān)閉頂層超聲束，以減少?gòu)棤畲髿馀菅刂攲庸鼙诹鲃?dòng)所引起的誤差。

2) 科里奧利質(zhì)量流量計(jì)(儀表B)。圖4所示儀表B，液體質(zhì)量流量誤差與氣泡體積分?jǐn)?shù)及液體體積流量的關(guān)系。

在參比流量計(jì)的所測(cè)液體體積流量為10L/s時(shí)，質(zhì)量流量誤差(與參比流量間偏差)按指數(shù)規(guī)律隨氣泡體積分?jǐn)?shù)增大而增加，誤差范圍從3%(氣泡體積分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí))到17%(氣泡體積分?jǐn)?shù)為1%時(shí))。在低流速引起誤差大的可能原因是CMF測(cè)量管內(nèi)潴留氣泡，使流量測(cè)量產(chǎn)生不良影響。在較大流速和較大氣泡體積分?jǐn)?shù)時(shí)儀表B呈現(xiàn)負(fù)誤差，散布于約±1%范圍內(nèi)。0.1L/s流量除外，最大誤差為-2.4%(在氣泡體積分?jǐn)?shù)約1%時(shí))。數(shù)據(jù)明顯地也呈現(xiàn)儀表隨著氣泡體積分?jǐn)?shù)增加向負(fù)值誤差增加。通過儀表面板診斷程序，有可能經(jīng)核查例如驅(qū)動(dòng)增益等參數(shù)，補(bǔ)償CMF因氣泡體積分?jǐn)?shù)增加而增加的質(zhì)量流量誤差。

圖4　液體質(zhì)量流量誤差與氣泡體積分?jǐn)?shù)及液體體積流量的關(guān)系

圖5所示是氣液混合體密度數(shù)據(jù)，儀表同樣隨著氣泡體積分?jǐn)?shù)增加而呈現(xiàn)明顯變化的趨勢(shì)。低流速時(shí)儀表誤差與中高流速誤差的趨向不一樣，這也可能是由于儀表測(cè)量管潴留氣泡影響頻率測(cè)量而形成較大的測(cè)量誤差。在較大流速時(shí)密度誤差是與氣泡體積分?jǐn)?shù)增大相關(guān)，密度讀數(shù)隨著氣泡體積分?jǐn)?shù)增大而向負(fù)值增加。氣泡體積分?jǐn)?shù)為1%左右時(shí)誤差最大，而在氣泡體積分?jǐn)?shù)約為0.1%時(shí)誤差最小。測(cè)試數(shù)據(jù)清楚表明，有可能用儀表先進(jìn)診斷功能，從所記錄失誤測(cè)量改善氣泡體積分?jǐn)?shù)低于約1%時(shí)的不確定度。

圖5　密度誤差與氣泡體積分?jǐn)?shù)及液體體積流量的關(guān)系

筆者從略了與儀表B性能相似的DN150儀表C的數(shù)據(jù)。

4結(jié)束語

針對(duì)準(zhǔn)確測(cè)量重油流量的迫切需要，在黏度為200mm2/s，氣泡體積分?jǐn)?shù)為0～1%流體中，對(duì)2例CMF、1例USF市場(chǎng)商品，實(shí)驗(yàn)研究了若干技術(shù)性能。當(dāng)評(píng)估流量?jī)x表在測(cè)量某指定高黏度液體時(shí)的應(yīng)用穩(wěn)定性能時(shí)，應(yīng)十分重視該研究所提示第2組分氣泡滲入流體的可能性。

所測(cè)試評(píng)估的USF性能明顯依承于滲入氣泡體積分?jǐn)?shù)，由于氣泡體積分?jǐn)?shù)和液體流速兩者對(duì)儀表性能影響呈現(xiàn)不同趨向，從而有可能在高黏性液滲入低量氣泡液的應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)以儀表內(nèi)部新的高級(jí)信號(hào)診斷功能作預(yù)測(cè)和修正。實(shí)際上在低流速時(shí)氣泡體積分?jǐn)?shù)最高到1%，儀表仍能良好地運(yùn)行。在高流速時(shí)滲入氣泡分布將更為均勻。因?yàn)橐?氣間聲阻抗為最大，聲波散射和衰減與液/液相比明顯增大，從而產(chǎn)生較大問題。

CMF具有直接測(cè)量質(zhì)量流量和密度的優(yōu)點(diǎn)，混入氣泡原理上不應(yīng)負(fù)面影響儀表讀數(shù)，然而如氣泡分布不均勻或在低流速時(shí)潴留在測(cè)量管內(nèi)，可能會(huì)對(duì)質(zhì)量流量和密度測(cè)量產(chǎn)生不良影響。2臺(tái)不同口徑CMF質(zhì)量流量和密度測(cè)試數(shù)據(jù)僅是誤差大小不同而呈現(xiàn)相似的兩種不同趨向。

除低流速以外，2臺(tái)CMF的質(zhì)量流量呈現(xiàn)負(fù)誤差，且隨著氣泡體積分?jǐn)?shù)增大而增加，在低流速時(shí)則呈現(xiàn)正誤差，上述現(xiàn)象可能也是測(cè)量管內(nèi)潴留氣泡所致。2臺(tái)CMF密度測(cè)量呈現(xiàn)幾乎相等的偏差且具有相似的變化趨向。

該研究測(cè)試數(shù)據(jù)表明CMF在高黏度液體的應(yīng)用是頗有前景的，因其直接測(cè)量質(zhì)量流量，給氣-液流動(dòng)測(cè)量帶來重大優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，該報(bào)告的各項(xiàng)成果說明，未進(jìn)行性能評(píng)估或改進(jìn)的通用儀表，不能簡(jiǎn)單地從低黏度液體應(yīng)用移植到高黏度液體中應(yīng)用。

參考文獻(xiàn):

[1]Flow Handbook—A Practical Guide： Measurement Technologies·Application·Solution [M]. Reinach： Endress+Hauser Flowtec AG, 2004.

[2]蔡武昌.油水混合液第2相含量對(duì)科里奧利流量計(jì)和渦街流量計(jì)測(cè)量的影響[J].石油化工自動(dòng)化，2008，44(01)： 71-73.

[3]Mills C., Belshaw R. Flow Measurement of Viscous Fluid with Entrained Gas [C]// 10th South East Asia Hy-drocarbon Flow Measurement Workshop, 2011.

作者簡(jiǎn)介：蔡武昌(1929—)，男，原上海光華儀表廠總工程師，主要從事流量?jī)x表的研制、開發(fā)和生產(chǎn)工作，任教授級(jí)高工。

中圖分類號(hào)：TH814

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1007-7324(2016)03-0073-04

稿件收到日期： 2016-01-28，修改稿收到日期： 2016-03-16。