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发表人：donglujin |
发表时间：2010/12/16 16:50:00 |
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质量流量计的原理与应用
天津市液化气有限责任公司 张振治
内容摘要：本文对双U形管质量流量计的结构及工作原理进行阐述，并对其在使用中容易发生的异常现象及相应的解决方式进行分析，从而说明质量流量计在燃气领域的广泛应用价值。
关键词：质量流量计、计量、科氏力、传感器
目前天津市液化气有限责任公司拥有液化气长输管线98公里，分别是天津市大港油田炼油厂至液化气公司大港区罐站的18公里管道和大港区罐站至液化气公司西青区罐站再至北晨区罐站的80公里管道，管径均是Dn159х7，管道设计压力分别为3.0MPa和4.0MPa，管道最高工作压力分别在2.3MPa和3.2MPa左右。另外，天津市大港炼油厂至大港罐站的液化气也是依靠管道输送的，其长度约0.4公里。在长期的输油过程中，计量方式一般采用对卖方储罐检前后尺核算吨位的方式作为结算依据，但传统的直读式玻璃板液位计、钢带液位计、磁浮子式翻板液位计受季节环境温差变化影响较大，并且在运行工观察尺高时也易受天气、明暗、站位高低的影响，较容易产生误差，故不建议以此为商业贸易计量方式。
质量流量计目前在国际上广泛应用，其拥有技术成熟、安装方便、操作简单、功能齐全等特点，还可连接网络微机进行远程监控操作、记录分析等多种扩展功能，下面我结合质量流量计的相关知识，对我公司所使用的，由美国罗斯蒙特公司生产的质量流量计的运行状况及出现的异常情况和相应的解决方法进行分析。
一、质量流量计的原理
一台质量流量计的计量系统包括一台传感器和一台用于信号处理的变送器。
⑴传感器的工作原理，如图1所示，截取一根支管，流体在其内以速度V从A流向B，将此管置于以角速度ω旋转的系统中。设旋转轴为X，与管的交点为O，由于管内流体质点在轴向以速度V、在径向以角速度ω运动，此时流体质点受到一个切向科氏力Fc。这个力作用在测量管上，在O点两边方向相反，大小相同，为：
δFc ＝ 2ωVδm
因此，直接或间接测量在旋转管道中流动的流体所产生的科氏力就可以测得质量流量。这就是科里奥利质量流量计的基本原理。
早期设计的科氏力质量流量计的结构如图2所示。将有流动流体的管道送入一旋转的系统中，由安装在转轴上的扭矩传感器，来完成质量流量的测量。但这种流量计只是在试验室中进行了试制。
在商品化产品设计中，通过测量系统旋转产生科氏力是不切合实际的，因而均采用使测量管振动的方式替代旋转运动。以此同样实现科氏力对测量管的作用，并使得测量管在科氏力的作用下产生位移。由于测量管的两端是固定的，而作用在测量管上各点的力是不同的，所引起的位移也各不相同，因此在测量管上形成一个附加的扭曲。测量这个扭曲的过程在不同点上的相位差，就可得到流过测量管的流体的质量流量。目前常见的测量管的形式有以下几种：S形测量管、U形测量管、双U形测量管、双J形测量管、B形测量管、单直管形测量管、双直管形测量管、Ω形测量管、双环形测量管等，我公司现使用的罗斯蒙特产质量流量计属于双U形测量管质量流量计，下面我着重介绍一下双U形测量管质量流量计的工作原理。
⑵双U形测量管质量流量计的工作原理，如图3所示，这种流量计的测量系统由两根平行的U形测量管、驱动器和传感器组成。
如图4所示，电磁驱动系统以固定频率驱动U形测量管振动，当流体被强制接受管子的垂直运动时，在前半个振动周期内，管子向上运动，测量管中流体在驱动点前产生一个向下压的力，阻碍管子的向上运动，而在驱动点后产生向上的力，加速管子向上运动。这两个力的合成，使得测量管发生扭曲；在振动的另外半周期内，扭曲方向则相反。
测量管扭曲的程度，与流体流过测量管的质量流量成正比，在驱动点两侧的测量管上安装电磁感应器，以测量其运动的相位差，这一相位差直接正比于流过的质量流量。
在双U形测量管结构中，两根测量管的振动方向相反，使得测量管扭曲相位相差180度，如图5所示。相对单测量管型来说，用它们合成的变形量来确定质量流量，这样可以提高仪表的灵敏度，流通能力也有所提高。
现在我们知道因为流体在U形管流入侧及流出侧的流动方向相反，所以U形管的两侧测量管受到大小相同、方向相反的科氏力。科氏力的作用造成测量管变形。形变量的大小与科氏力成正比，即与质量流量成正比。通过位于流量测量管两侧的电磁感应器测量在这两点上管子振动的速度，和由于管子的变形引起这两个速度信号之间的时间差，然后把此信号送到转换器，转换器将信号进行处理并转换成直接与质量流量成正比的电子信号输出，再通过一台用于信号处理的变送器将数据直接显示在仪表上。
二、流量计应用中的常见问题
在质量流量计的使用中振幅运动是流量计测量的根本方式，如何保持正确的振幅运动还要从安装、使用环境及被测介质等方面分析，在我公司使用质量流量计的数年中曾出现了零点漂移和流量计中断计量的现象，下面分别介绍易造成这两种现象发生的原因及解决方案：
⑴零点漂移问题，零点漂移的出现多因为安装不当而造成，流量计的安装应注意以下几点：
1、安装方向。质量流量计可安装在水平或垂直管道上，安装方向取决于应用场合和介质的需要。U型质量流量计安装时，如测液体，则外壳朝下，以免管内积气，如测气体，外壳朝上，以免积冷凝液。
2、安装的地点。质量流量计工作要利用激励磁场，不能安装在变压器、电动机、机泵等产生大磁场的设备附近。
3、流量计的支撑。质量流量计是通过传感器振动实现测量，安装点不能有大的振动源，因为过大的机械应力会影响质量流量计的零点，如果这些应力是不断变化的，仪表将出现不可接受的零点漂移。传感器应由管线系统加以支撑，法兰应同心避免压缩、弯曲或扭曲。管道支撑物应尽可能靠近入口与出口法兰，这些支撑物应附着在共同的结构物上。
4、零点校正。在流量计的安装和使用中应注意根据操作工况变动或环境条件改变，即时检查零点，或作零点调整以消除漂移。
5、变送器的连接。应严格按照连接电缆规定进行连接，因变送器接收的是低电平信号，所以连接不能过长，并使用厂家专用电缆。
6、安装的高度。在U型质量流量测量液态液化气时，应将流量计安装在低于附近工艺管线的位置，还要尽量远离罐区，并且最好保持流量计前后留有5米以上的直管段。
7、保证流量计在非工作时的充满度，在测量液态液化气时，应注意避免液态液化气气化，因为当质量流量计中的液态液化气产生气化并达到一定比例后，流量计就有可能会出现零点漂移现象。
8、定期检定。只有严格按照规定的日期将质量流量计送到国家指定的计量中心站进行检定，才能保证质量流量计的正常运行和精确度。
⑵流量计中断计量的现象，根据相关资料分析造成流量计中断计量的现象有以下几种原因：
1、夹带汽泡。在流量计用于液体流量测量时，当雾沫状气体含量达到一定比例的体积含量后质量流量计将停止工作。这些汽泡衰减了用以产生科氏力的测量管的振动，应将气体消除在传感器之前。如果难以实现，则尽量减少气体含量，即尽可能提高传感器内的压力，并保持较高的液体流速，以保证汽泡被均匀地分散为较小的汽泡。
当液态液化气的压力低于其蒸汽压时，将产生气化。由于测量管的几何形状和液体流动所引起的传感器两端的压降能够将液态液化气的有效压力降至其蒸汽压力之下，管道中液态液化气的气化气体可对传感器产生与雾沫汽泡相同的影响。因此传感器尺寸一旦确定，即可计算出维持液体状态所需的背压，只有在流量计运行中，满足传感器所需的背压，才能有效的避免流量计中断计量现象的发生。
2、沉淀物与悬浮物。质量流量计可以计算出两种成分的溶液或浆料中一种成分的质量含量。准确的密度测量必须避免的情况是：沉淀物附着在测量管壁上或固体颗粒从悬浮液中沉淀出来，应尽量减少流速太低现象的发生。
3、振动。U型双管流量计设计的推出大大减小，但并没完全消除共模振动对质量流量计的影响，由于管线系统引入的外部振动能够引起传感器不期望的振动方式。如果外部振动频率等于或接近传感器驱动系统的频率，则会干扰仪表的驱动控制系统，引起流量管振动不稳定或停振。
一个经常被忽视的振源是安装在同一支撑结构上的其它仪表。有几种方法可消除机械振动：在配管系统上安装减振物，采用软管连接等。泵的振动是另一种经常的振源，这种影响可通过以下方法解决：增大与泵的距离，将传感器安装在弯管或其它管件的下游或安装脉冲衰减器。
综上所述，质量流量计是一个较为准确、快速、可靠、高效、稳定、灵活的流量测量仪表，在燃气等领域有着广泛的应用价值。只要合理的安装和使用质量流量计，可有效的提高计量准确度、降低人力投入、提高经济效益，所以我认为应大力提倡采用质量流量计作为计量依据。以上有不妥之处望多提宝贵意见。
参考文献：
1. 肖素琴 韩厚义 编著《质量流量计-流量计应用指南》.北京：中国石化出版社，1999年
2. 蔡武昌 科里奥利质量流量计的应用[J].世界仪表与自动化.2006年
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