孫增華，趙云岷，王 斌

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高準(zhǔn)科氏質(zhì)量流量技術(shù)用于燃油精確管控

孫增華1,2，趙云岷1，王 斌1

（1. 青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 山東青島 266404；2． 大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院， 遼寧大連 116026）

為解決船舶燃油計量不準(zhǔn)和低效率問題，研究船舶面臨的燃油成本壓力、計量誤差產(chǎn)生原因和消耗動態(tài)管控策略；分析高準(zhǔn)科氏質(zhì)量流量計（CMF）的工作原理和特點，可獨立測量燃油的在線密度、直接質(zhì)量流量和溫度，且不受被測燃油物理參數(shù)的影響，并具備智能化的自我校驗功能；進(jìn)行高準(zhǔn)科氏質(zhì)量流量計的船上安裝設(shè)計、應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益分析。實船使用結(jié)果表明：高準(zhǔn)科氏質(zhì)量流量計精度高、穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)船舶燃油管控高效透明，降低了船舶營運成本，其投資回收期少于6個月，對船舶節(jié)能減排具重要意義。

船舶 流量計 高準(zhǔn)科氏質(zhì)量流量計 燃油管控

0 引言

船舶運輸是石油消費的重點行業(yè)，也是溫室效應(yīng)氣體(GHG)和大氣污染排放的重要來源之一，“綠色航運”成為當(dāng)前的熱點。IMO制定的“船舶能效設(shè)計指數(shù)（EEDI）”和“船舶能效管理計劃（SEEMP）”對實施船舶節(jié)能減排具有強(qiáng)制性和巨大的推動力[1]。航運市場低迷，國際油價走高，燃油成本已占船舶營運成本的60%以上。因此，節(jié)能減排已成為航運業(yè)的首要責(zé)任。

目前，航運業(yè)最有效的節(jié)油措施是主機(jī)降速，船舶能效營運指數(shù)(EEOI)值越小，船舶每海里油耗就越低，而船舶油耗及EEOI計算都需要精確的油耗質(zhì)量監(jiān)測。船舶加油、儲存、凈化與使用各個環(huán)節(jié)，燃油計量誤差大，尤其是船舶燃油交易計量精度差是船東面臨的最棘手難題之一。針對燃油管控，船東及船舶租家已采取了很多措施，如加油過程監(jiān)督、第三方量油、量油飛行檢查、調(diào)平船舶吃水量油、油艙表修正、油溫補償、口袋油問題、嚴(yán)防量油孔深度造假、杜絕加油過程中鼓氣或添加起泡劑等等，但效果仍不理想。船舶加油過程，需要多人長時間用油尺反復(fù)測量確認(rèn)，同時根據(jù)吃水差查閱油艙表進(jìn)行修正，然后通過手動方式進(jìn)行換算和溫度補償。這種多人、長時間及手動操作方式效率低、人為誤差大。船舶營運中的燃油消耗不能動態(tài)精確監(jiān)控，不能提供耗油量與航速的實時曲線，無法指導(dǎo)船上實現(xiàn)最佳節(jié)油航速。因此，船舶燃油管控向更加透明高效的方向發(fā)展，燃油精確計量及成本核算是航運業(yè)亟需的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 船舶燃油計量存在的問題

船舶加油不是簡單的買賣雙方貿(mào)易交接過程，必須考慮船舶的營運成本和投資預(yù)算，要求加油數(shù)量足夠、減少因燃油加載造成的時間（船期）延誤，高重復(fù)性的全球認(rèn)可的精確計量技術(shù)，降低對于加油數(shù)量的爭議和投訴次數(shù)等。然而，燃油裝船計量包括燃油從體積到質(zhì)量的轉(zhuǎn)換、燃油溫度補償、油艙表與量油尺的不確定度、燃油品質(zhì)(如含水、雜質(zhì)、氣泡等)問題，實際操作起來很難，存在油艙容量測量的內(nèi)在偏差(油艙表不準(zhǔn)、油尺測量不準(zhǔn))、油中含氣(氣泡)、加油駁船的管道內(nèi)留存、流量計校準(zhǔn)及讀數(shù)問題、流量計內(nèi)油可能反向流動等等。

船舶加油計量誤差包括：油位測量誤差，量油尺的1 cm誤差可導(dǎo)致4 m液位的0.25%誤差[2]，加上船舶橫傾、縱傾或搖晃的影響，誤差會更大。雷達(dá)測量油位的情況，船舶縱傾時，1 cm/m 偏離中心 & 1 m 修正(100 m艙) 產(chǎn)生4米液位的0.25%誤差[2]，不正確的標(biāo)定 (凹陷/空間/障礙物) 能導(dǎo)致約0.5%的誤差[2]。燃油溫度誤差，2℃溫度誤差可產(chǎn)生0.1% 油量誤差(50℃密度991 g/l的燃油)[2]，油溫測量探頭的位置對于燃油體積轉(zhuǎn)換為質(zhì)量的準(zhǔn)確性影響很大，不同位置測的油溫差別較大，實際上測量的是油艙單點溫度，計算時就用這個單點溫度代表油艙平均溫度導(dǎo)致誤差大。油艙內(nèi)的燃油分層及密度誤差產(chǎn)生0.25%～1.5% 油量誤差[2]。高粘度燃油攜帶氣體表現(xiàn)為體積增大(燃油“卡布奇諾”現(xiàn)象)，如果燃油夾帶5%的氣體，體積測量會造成+5%的批量誤差，換算為質(zhì)量會有+5%誤差。體積到質(zhì)量轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的誤差，燃油壓力、溫度等參數(shù)變化較大的情況下，若僅測量體積流量，就會因燃油密度的變化帶來很大的測量誤差。在容積式和差壓式流量計中，被測燃油密度可能變化10%，這會使流量產(chǎn)生10~20%的誤差。上述整個過程由人工操作完成，誤差會更大。

2 船舶燃油計量技術(shù)

船上常用的流量計有差壓式、容積式、渦輪式、電磁式和超聲波式，它們在原理上都是測量體積流量的；雖然差壓式流量計可測量體積流量和質(zhì)量流量，但流量值受流體介質(zhì)的密度、溫度和壓力變化影響，需要修正[3]；因此，上述流量計都不能直接測得質(zhì)量流量，尤其當(dāng)流體中含有氣泡時，會把氣泡當(dāng)作流體介質(zhì)來計量，產(chǎn)生批量誤差。它們安裝要求高，其上游和下游管道必須為水平直管段。

航運以節(jié)約燃油提高經(jīng)濟(jì)效益，對燃油測量準(zhǔn)確度的要求越來越高，但測量體積流量再人工乘上密度求取質(zhì)量流量的方式已不能滿足現(xiàn)代航運的要求，迫切需要流量計能直接測量和顯示船舶燃油的質(zhì)量流量，且不受其它參數(shù)的影響?？剖腺|(zhì)量流量計(CMF)利用力學(xué)原理直接輸出質(zhì)量參數(shù)，不經(jīng)過任何轉(zhuǎn)換就可測量其它流量計難以測量的含氣液體、含固體顆粒液體，且對被測流體的溫度、壓力、粘度、密度不敏感[4-7]。

3 艾默生高準(zhǔn)科氏質(zhì)量流量技術(shù)

3.1 高準(zhǔn)科氏流量計(CMF)的結(jié)構(gòu)

高準(zhǔn)CMF可獨立測量在線密度、溫度、直接質(zhì)量流量三個參數(shù)[2,8]。如圖1(a)所示，主要部件之間以焊接和螺釘連接為主，采用雙U型測量管，實現(xiàn)了兩管相位差測量，降低了外界擾動的影響。高準(zhǔn)CMF的多參數(shù)測量是近期流量計發(fā)展的亮點，它既可直接測取質(zhì)量流量，也可利用測量管諧振頻率與管中被測燃油密度之間的函數(shù)關(guān)系求取密度。通過測量密度，高準(zhǔn)CMF可直接換算出混合在燃油中的水所占百分比，計算出含水率。

3.2 高準(zhǔn)CMF工作原理

Coriolis力與離心力一樣來自于物體運動所具有的慣性。Coriolis力是對旋轉(zhuǎn)體系中直線運動的質(zhì)點由于慣性相對于旋轉(zhuǎn)體系產(chǎn)生的直線運動偏移的一種描述。如圖1(b)所示，變送器提供激勵電壓加到驅(qū)動器上時，雙U型測量管被施加簡諧激振力，使U型管做相對運動。由于閉環(huán)自激電路的作用，激振頻率等于測量管的一階彎曲振動固有頻率，U型管在此固有頻率上諧振。雙U型管在驅(qū)動器作用下繞主管道以一定頻率作往復(fù)周期振動，燃油流經(jīng)雙U型管，流動方向與振動方向垂直，就會在U型管上產(chǎn)生科氏力效應(yīng)，使雙U型管扭轉(zhuǎn)振動，安裝在U型管兩端的檢測線圈將產(chǎn)生相位不同的兩組信號，這兩組信號的相位差與流經(jīng)的燃油質(zhì)量流量成比例關(guān)系[3-7]。根據(jù)彈簧和砝碼系統(tǒng)的工作原理，振動頻率和質(zhì)量成正比，不同密度的燃油流經(jīng)U型管時，U型管主振頻率不同，可得頻率與燃油密度間的線性關(guān)系[3-7]。安裝在測量管入口處的鉑熱電阻(RTD)可間接測量燃油溫度以補償流量檢測管受溫度變化引起的剛性變化。

雙U型高準(zhǔn)CMF工作原理如圖2(b)所示：當(dāng)流量為0時，U型管只有上下振動而不受科氏力作用，兩檢測線圈的信號同相位。圖2(c)所示：當(dāng)燃油流經(jīng)雙U型管時，U型管上下振動過程中，將受到科氏力作用，由于U型管兩側(cè)中流動方向相反，兩側(cè)管壁受到的科氏力方向相反，形成了一對力矩作用在U型管上，使U型管產(chǎn)生扭曲變形，則兩檢測線圈的兩組信號不同步而存在一相位差△，U型管扭曲角與燃油質(zhì)量流量m成正比，只要測出兩檢測線圈的信號時間差△(也就是相位差△)，就可測得質(zhì)量流量m，且與燃油的物性參數(shù)和測試條件無關(guān)。圖3(a)所示：流量為0時，進(jìn)口與出口檢測線圈的信號同步△=0；流量越大，則△越大，即△2>△1；圖3(b)所示：組合密度(流量管和流體)越高，主振頻率就越低，即2>1。

變送器可解算出流經(jīng)U型管的燃油質(zhì)量流量和密度，高準(zhǔn)CMF的測量解算公式如下：

高準(zhǔn)CMF測取流體密度的關(guān)系式[3]為

高準(zhǔn)CMF測取流體含水率的關(guān)系式[3]為

高準(zhǔn)CMF測取質(zhì)量流量的關(guān)系式[4]為

式中：x-被測流體密度，-U型測量管諧振頻率，-流量計常數(shù)，-測量管質(zhì)量，-測量管體積。ε-被測流體含水率，0-純油密度，w-純水密度。m-質(zhì)量流量，s-U型管扭轉(zhuǎn)彈性模量(因變形微小，s為常數(shù))，-U型管扭轉(zhuǎn)角，-U型管彎曲半徑，-U型管長度，-U型管繞主管道(支撐管)擺動的角速度，△-U型管進(jìn)口和出口兩檢測線圈的信號時間差。

3.3 高準(zhǔn)CMF的特點

艾默生Micro Motion(高準(zhǔn))Coriolis(科氏)質(zhì)量流量計(高準(zhǔn)CMF)[2.8]，具有精度高、穩(wěn)定性好、高精度直接質(zhì)量流量測量，且不受被測燃油物理參數(shù)的影響，計量精度已達(dá)0.05%～0.1%，重復(fù)性優(yōu)于0.1%[2,7]。計量結(jié)果有權(quán)威性，可追蹤計量過程，這正是船舶燃油精確管控所迫切期待的。

高準(zhǔn)CMF對介質(zhì)適應(yīng)性較廣，可氣液兩相測量，卓越的含氣測量能力。因不受管內(nèi)流動狀態(tài)的影響，無論是層流還是湍流都不影響其測量精度，對流速分布不敏感[4-7]。無論其上游還是下游，高準(zhǔn)傳感器沒有直管段要求，為船上安裝提供了很多方便。其檢測管內(nèi)無部件，便于維護(hù)和清洗，使用壽命更長。它測量范圍大，在測量質(zhì)量流量的同時，可同時測得在線密度、溫度、體積流量和含水率等。

高準(zhǔn)CMF缺點是對外界震動干擾較敏感。為防止主管道震動的影響，CMF流量傳感器對安裝固定有較高的要求；額定口徑范圍2~300 mm，流量范圍2 kg/hr~3200 Tons/hr[2,8]；測量管內(nèi)壁磨損腐蝕或沉積結(jié)垢會影響其測量精度。但在CMF發(fā)生問題以前能夠通過自校驗功能獲得其狀態(tài)信息。

航運業(yè)全球化特點對CMF標(biāo)定維護(hù)提出了更高要求。高準(zhǔn)CMF具有在線自檢功能，可在任何地點、任何時間在線運行儀表自檢功能，自動分析現(xiàn)有狀態(tài)并與其出廠“指紋”進(jìn)行對比[2,8]，判斷其狀況及零點穩(wěn)定性，決定是否需要拆除儀表進(jìn)行離線標(biāo)定，該方法已獲得國際權(quán)威第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)荷蘭NMI認(rèn)證。如果CMF自檢結(jié)果沒有偏離NMI允許范圍，可無限期使用而無需標(biāo)定，其測量結(jié)果為國際法定計量組織(OIML)所承認(rèn)，并擴(kuò)展到歐盟及其它國家和地區(qū)[2,8]。

4 高準(zhǔn)科氏質(zhì)量流量計(CMF)的應(yīng)用

有效地控制燃油直接關(guān)系到航運業(yè)國際競爭力，測量原理的先進(jìn)性決定了高準(zhǔn)CMF具有極大的優(yōu)越性，備受航運業(yè)關(guān)注。高準(zhǔn)CMF的測量管內(nèi)無運動部件，無阻礙燃油流動的部件，降低壓頭損失意味著降低運營成本。直接獲得質(zhì)量流量、在線密度和溫度，提高燃油交易效率和精度，降低不確定度可使未計入的損失降到最低，尤其是高精度測量帶來了最終效益。

2008年，Maersk船隊開始安裝高準(zhǔn)CMF，ExxonMobil、臺灣長榮、中海集運等也為其船舶安裝高準(zhǔn)CMF。船上安裝高準(zhǔn)CMF后，加油時直接提供質(zhì)量流量，消除了加油數(shù)量上的爭議。船舶主副機(jī)、鍋爐耗油被實時計量、存儲，并傳送到岸上監(jiān)控分析，實現(xiàn)船舶能效精確管理，如表1所示。

表1馬士基應(yīng)用高準(zhǔn)CMF數(shù)據(jù)報告

5 高準(zhǔn)科氏質(zhì)量流量計(CMF)的實船安裝

高準(zhǔn)CMF基體應(yīng)安裝在一個平穩(wěn)堅固和無振動的基礎(chǔ)上；若在高振動環(huán)境使用，應(yīng)注意基礎(chǔ)減振。其傳感器進(jìn)出口與管道之間應(yīng)用柔性管道連接，傳感器不需外部支撐。多臺高準(zhǔn)CMF串聯(lián)或并聯(lián)使用，為防止它們之間相互影響，其傳感器之間的距離應(yīng)足夠遠(yuǎn)，管卡和支撐物應(yīng)分別設(shè)置在各自獨立的基礎(chǔ)上。為防止高準(zhǔn)CMF傳感器內(nèi)積存氣體，U型測量管的彎管應(yīng)朝下，但只要流量管中始終充滿燃油，無論U型管朝向如何，高準(zhǔn)CMF傳感器都能正常工作。盡管高準(zhǔn)CMF不受安裝應(yīng)力影響，但要盡量減小儀表上的彎曲應(yīng)力和扭應(yīng)力。

高準(zhǔn)CMF可在碼頭、船廠、錨地或船舶航行過程中安裝，3-5天即可完成，不影響船期。安裝高準(zhǔn)CMF圖紙需要先通過相關(guān)船級社審核并批準(zhǔn)，流量計安裝管路圖需經(jīng)船級社認(rèn)證，這由船東來完成。提前準(zhǔn)備好符合船級社要求的物料，如管路、法蘭、伴溫管、絕熱材料、電纜、封堵材料等；配備安全員、防火措施、搭腳手架等；符合工藝和技術(shù)要求的安裝焊接。進(jìn)行密閉性能試驗，確保管路密閉性能要求；用玻璃絲棉對流量計及管路進(jìn)行保護(hù)。最后廠家技術(shù)人員進(jìn)行高準(zhǔn)CMF系統(tǒng)的調(diào)試、測試。

HFO和MGO的高準(zhǔn)CMF分別安裝在加油總管上，主機(jī)、副機(jī)和輔鍋爐的燃油進(jìn)口和回油口各安裝1個高準(zhǔn)CMF，確認(rèn)電纜鋪設(shè)通道、電纜開孔、GPS岸轉(zhuǎn)位置和控制單元接線箱等。高準(zhǔn)CMF傳感器配有一體式變送器，它們之間不需要接線。每臺CMF都應(yīng)安裝一臺性能良好的穩(wěn)壓電源，同時安裝接地線。高準(zhǔn)CMF無需調(diào)零，上電使用前確保傳感器流量管內(nèi)充滿燃油即可，其測量結(jié)果經(jīng)RS485、HART、以太網(wǎng)傳輸，經(jīng)衛(wèi)星通訊發(fā)送到岸上辦公室，其測量信息可實時存儲、打印、遠(yuǎn)程傳輸與組態(tài)分析，真正實現(xiàn)了船舶燃油管控的透明高效。

6 安裝高準(zhǔn)CMF投資回報分析

一艘遠(yuǎn)洋船舶需安裝5-8個高準(zhǔn)CMF，包括遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，總價5-18萬美元，材料和人工費約3萬美元。表1表明5.75個月就能收回安裝高準(zhǔn)CMF的初始投資，營運5年可為單船節(jié)約成本123萬美元。

中遠(yuǎn)集運某輪2013年耗油約3萬噸，僅考慮加油環(huán)節(jié)誤差≤3‰，則加油損失90噸，以燃油平均價格620美元/噸計算，則損失5.58萬美元/年，即船上安裝高準(zhǔn)CMF年創(chuàng)造效益至少5萬美元。隨航運形勢好轉(zhuǎn)，船舶恢復(fù)正常航速，耗油量翻倍，再考慮節(jié)省的人力成本，投資回收率會更高。

船舶營運過程中，只要船上提交的報告在耗油定額范圍內(nèi)，公司就不追究油耗精度，也無法確知實際耗油量，那么船上就存在“口袋油”。因此，船舶日耗油計量比加油環(huán)節(jié)更難控制，限定耗油定額已不適應(yīng)現(xiàn)代化航運的要求。

主副機(jī)、鍋爐安裝高準(zhǔn)CMF后，實時監(jiān)測燃油消耗，提供耗油量與航速的實時曲線，獲得最佳節(jié)油航速，可為EEOI精確計算和中午報告提供實時最精確的耗油、航速等數(shù)據(jù)。通過燃油精確管控可獲得國家節(jié)能減排方面的補助。使用高準(zhǔn)CMF后，計量誤差減小的同時還節(jié)省了第三方量油或“飛行量油”費用，增加船東控制燃油成本的信心。因此，綜合上述分析，安裝高準(zhǔn)CMF的投資回收期少于6個月。

7 結(jié)語

高準(zhǔn)CMF可獨立測量燃油的在線密度、直接質(zhì)量流量和溫度，不受被測燃油物理參數(shù)的影響，具有智能化自我校驗功能，測量信息可實時存儲、打印、衛(wèi)星傳輸與組態(tài)分析。高準(zhǔn)CMF實船安裝容易，穩(wěn)定可靠，使用方便，實現(xiàn)燃油高精度計量，高效透明的燃油管控，降低船舶營運成本，其投資回收期少于6個月，提高船公司的國際競爭力。

[1] 康天欽. 基于降低船舶EEDI、EEOI值的總能系統(tǒng)分析[D] (碩士學(xué)位論文). 武漢: 武漢理工大學(xué), 2012年6月.

[2] Emerson process management-coriolis flow & density measurement. http://www.micromotion.com/

[3] 郭子學(xué), 王澍虹, 王崴. Coriolis質(zhì)量流量計的原理及其在海上平臺原油計量中的應(yīng)用[J]. 中國造船, 2007, 48(增刊): 52-58.

[4] 熊文軍. 科氏質(zhì)量流量計實驗和應(yīng)用中關(guān)鍵技術(shù)研究[D](碩士學(xué)位論文). 合肥: 合肥工業(yè)大學(xué), 2013年4月.

[5] 劉穎. 科里奧利質(zhì)量流量計動態(tài)數(shù)值分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D] (碩士學(xué)位論文). 上海: 上海交通大學(xué), 2013年1月.

[6] 王利軍. 基于振動管測量系統(tǒng)建模的科里奧利質(zhì)量流量計零點補償方法研究[D](博士學(xué)位論文). 浙江: 浙江大學(xué), 2013年5月.

[7] 吳東月. 基于Coriolis質(zhì)量流量計和同軸電導(dǎo)傳感器的含油率測量研究[D](博士學(xué)位論文). 天津: 天津大學(xué), 2011年11月.

[8] Micro motion F-series coriolis flow and density sensors. http://www.micromotion.com

Micro Motion Coriolis Mass Flow Technology for Fuel Precise Control

Sun Zenghua1,2, Zhao Yunmin1, Wang Bin1

(1. Qingdao Harbour Vocational and Technical College, Shandong Qingdao 266404, China; 2. College of Marine Engineering, Dalian Maritime University, Liaoning Dalian 116026, China)

TH814+.6

A

1003-4862（2017）12-0010-05

2017-09-15

青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項目(QDGW2014Z02)

孫增華(1972-)，男，副教授，輪機(jī)長。從事船舶新技術(shù)應(yīng)用研究。Email: sunzenghua@126.com