質量流量計(jì)在氣液兩相(xiang)測量中的應(yīng)用分析

1 常見流(liu)體的測量方(fang)法  
1.1氣體(tǐ)流量的測量(liàng)方法  
需(xu)要測量流量(liang)的氣體種類(lèi)繁多，其測量(liàng)的儀器儀⛷️表(biao)也有很大的(de)差别。以天然(rán)氣流量的測(ce)量爲例：目前(qián)，天然氣貿易(yì)計量分爲🧡體(tǐ)積計量、質量(liàng)計量和能量(liang)計量 3種(zhǒng)，工業發達國(guó)家質量計量(liàng)和能量計量(liang)兩種方法都(dou)🔆在使💜用，而我(wo)國目前基本(běn)上以體積計(jì)量爲主。  
1.2 液體流量的(de)測量方法  
常見的液(yè)體有水、石油(yóu)、液化氣體等(děng)。水流量的測(cè)量難度不高(gāo)✍️，不同原理的(de)流量計大多(duō)數都可以測(cè)量水的容量(liàng)，但也💯不是随(suí)便裝一台就(jiù)肯定能用好(hǎo)的。這是因爲(wèi)水的潔淨程(cheng)度不同，流體(ti)工況條件各(ge)異，流量測量(liang)的範圍就會(hui)出現懸🔆殊；石(shí)油具有一定(dìng)的黏稠度，因(yin)此不同黏度(du)的石油産品(pǐn)所✊選擇的計(jì)量儀器不同(tong)，高🚩黏度油品(pǐn)如原油🐇、重油(yóu)、渣油，爲了便(bian)于輸送，往往(wǎng)☂️被加熱到較(jiào)高的溫度。流(liu)體中含有固(gù)态雜⭐質，測量(liang)前還需要過(guò)濾；液化氣體(tǐ)屬于高飽和(hé)蒸⁉️氣壓液體(ti)，測量時必須(xu)🏃🏻‍♂️考慮氣化的(de)問題，因此使(shǐ)用的流量計(jì)也比較特殊(shū)，如渦街流量(liang)計、渦輪流量(liàng)計、容積式流(liu)量計、科氏質(zhì)量流量計等(děng)。  
1.3 氣液多(duo)相流體的測(ce)量方法  
氣液兩相流(liú)體的流量測(ce)量從制造商(shang)的資料可看(kan)出👌，有幾🔴種儀(yi)表可用來測(ce)量離散相濃(nong)度不高的兩(liǎng)相流體的流(liu)量👄，在實際應(yīng)用中也有一(yī)些成功應用(yòng)的實例，但目(mù)前使用的🙇‍♀️流(liú)量計☔都是在(zai)單相流動狀(zhuang)♍态下評定✌️其(qi)測量性能，現(xiàn)在還沒有以(yi)單相流标定(dìng)的流量計用(yòng)來測量兩相(xiang)流時系統變(biàn)化的評定标(biāo)準，因此這樣(yàng)👄的🌈應用究竟(jìng)帶來多大的(de)誤差還不很(hen)🚩清楚，僅有一(yi)些零星的數(shu)據和一些定(ding)性的分析。常(cháng)用的氣液兩(liǎng)相流量測量(liàng)儀器有：電磁(cí)流量計、科氏(shì)力質量流量(liàng)計、超聲流量(liang)計等。  
1.4 科(kē)氏質量流量(liang)計的測量原(yuan)理  
1.4.1 科氏(shì)力的形成  
由科氏加(jia)速度作用産(chǎn)生科氏力。該(gai)加速度是法(fa)國工程師科(kē)裏奧利斯在(zai)研究水輪機(ji)的機械理論(lun)時🌈發現的。科(kē)氏力，是對💜旋(xuan)轉💜體系中進(jin)行直線運動(dòng)的質點由于(yu)慣性相對于(yu)旋轉體系産(chǎn)生的直線運(yun)動的偏移的(de)一種描述💘，科(kē)裏奧利☂️力來(lai)自于物體運(yun)動🌐所具有的(de)慣性。  
在(zai)旋轉體系中(zhong)進行直線運(yùn)動的質點，由(you)于慣性，有沿(yan)著原有運動(dòng)方向繼續運(yun)動的趨勢，但(dàn)是由于體☎️系(xì)本身是旋轉(zhuan)😄的，在經曆了(le)一段時間的(de)運動之後，體(tǐ)系中質點的(de)位置會有所(suo)變🔞化，而它原(yuán)有的運動趨(qū)勢的方向，如(ru)果以旋轉體(tǐ)系的視角去(qù)觀察，就會發(fā)生一定程度(dù)的偏離。  
當一個質點(diǎn)相對于慣性(xìng)系做直線運(yùn)動時，相對于(yu)旋轉📧體系，其(qi)軌迹是一條(tiao)曲線。立足于(yú)旋轉體系，我(wo)們認爲有🐅一(yi)個💞力驅使質(zhì)點運動軌迹(ji)形成曲線，這(zhè)個力就是科(kē)裏奧利力。  
科裏奧利(lì)力的計算公(gong)式爲： F=2mVr×ω 
式(shì)中 F爲科(kē)裏奧利力； m爲質點的(de)質量； Vr爲(wèi)相對于靜止(zhi)參考系質點(diǎn)的運動速度(du)（矢量）； ω爲(wei)旋轉體系的(de)角速度（矢量(liàng)）； ×表示兩(liǎng)個向量的外(wài)積符号（ Vr×ω：大小等于 v·ω·sinθ，，方向滿足(zú)右手螺旋定(ding)則）。  
1.4.2 彎管(guan)流量計的原(yuan)理  
原理(li)上，當被測介(jiè)質通過振動(dong)的測量管道(dao)時，科氏力能(néng)直接👉用于質(zhì)量流量的測(ce)量。測量管道(dao)經常呈☁️ U形如圖所示(shi)。管道用剛性(xing)固定件支撐(cheng)，并經激勵器(qi) E沿 A-A\'軸産生振動(dòng)，形成沿該軸(zhou)的一個旋轉(zhuǎn)參考系統。如(rú)果❗在入口🎯段(duàn)觀察一小團(tuan)流體，那麽它(tā)的質量元流(liu)👣出固定端。該(gai)質🔴量元随管(guan)👉道半徑逐漸(jian)增大而作圓(yuán)弧軌迹運動(dòng)。當彎管向上(shang)運動時，形成(cheng)一個方向朝(cháo)下的科氏力(li)。同時，觀察出(chū)口段的狀态(tài)，質量元流入(rù)固定端。同樣(yàng)🔴産生一個方(fang)向朝上的科(ke)氏力。由 B稱的配置在(zai)兩邊呈現出(chu)相同數值但(dàn)不同符号的(de)💞科氏力。在流(liu)體流動時，由(you)于力矩的作(zuò)用，導緻測量(liàng)管道沿 B-B\'軸産生一個(gè)附加的扭曲(qǔ)運 B動。在(zai)入口段和出(chū)口段分别安(ān)裝傳感器 S1和 S2檢(jian)測管道沿 A-A\'和 B-B\'軸(zhou)的位移量。信(xin)号過零點的(de)時間差事管(guǎn)道扭曲的檢(jiǎn)測量，它與通(tong)過管道的質(zhi)量流量成正(zhèng)比。
科氏(shì)質量流量計(ji)原理的結構(gòu)

1.4.3 單直管(guǎn)流量計的測(ce)量原理  
兩端拉緊固(gu)定的測量管(guǎn)道是直徑 d和長度 l的钛合金(jīn)管。由安裝在(zài)管道中間的(de)振動裝置以(yi)一階模🈚式方(fang)式産生振動(dòng)。工作頻率 fB=ωB/2π接近于一(yi)階頻率。在傳(chuán)感器檢測位(wèi)置 ±z=±l/3處，振(zhèn)動幅度調整(zhěng)約爲 x±m（ ±z）。如果流體(ti)質量元 m以速度 v流過由角速(sù)度 ω振動(dòng)的管道，那麽(me)這質量元就(jiù)會在管壁上(shang)産生科氏力(li)，即 FC=2mv×ω在管(guan)道的前後半(bàn)段上，除了一(yī)階諧振外，還(hai)産生作用力(li)方形相㊙️反的(de)二階模式振(zhèn)動。一階和二(èr)階模式振動(dong)的疊加在時(shí)間🙇🏻上産生 90°的相移。因(yīn)此，當管道中(zhōng)存在質量流(liú)量時，測量管(guan)道🤞産生擺動(dong)運

1.4.4 雙直(zhi)管流量計的(de)測量原理  

雙直管質(zhi)量流量計有(yǒu) 2根測量(liàng)管道、優化的(de)流速分配器(qì)、 4個位移(yi)傳感器和 2個電磁式(shì)振蕩驅動器(qì)組成。其原理(li)是： 2個電(dian)磁式振蕩驅(qu)動器以諧振(zhèn)頻率使兩根(gen)測量管道同(tóng)步的相向振(zhen)動。每個電磁(ci)式驅動器兩(liang)邊的對稱位(wèi)🐇置各⛹🏻‍♀️安裝有(you)一個位移檢(jian)測傳感器用(yong)于測量科氏(shi)力💋效應。當沒(méi)有介質流過(guò)🐉測量管道時(shí)，測量管🌏道處(chù)于自然諧振(zhèn)狀态。 2個(ge)位移傳感器(qi)所測到的位(wèi)移正弦信号(hao)無相位差。 當有介質(zhì)流過時，由于(yu)有科氏力 FC的作用，測(ce)量管道有微(wēi)小的變形，從(cóng)而使 2個(ge)位移傳感器(qì)有相位偏差(chà)。該相位偏差(cha)與科氏力👈 FC成正比，即(jí)與流過測量(liàng)管道的質量(liang)流量成正比(bǐ)。相當于 2個單直管質(zhi)量流量計軸(zhóu)向對稱地同(tóng)步工作。  

2 科氏質量流(liu)量計的優缺(que)點  

2.1 科氏(shi)質量流量計(jì)的優點  

時間差與測(cè)量效應成線(xiàn)性關系；直接(jie)測量質量流(liu)量；測🙇🏻量儀還(hái)可附加檢測(cè)流體密度 ρ 和介質溫(wēn)度 T ；測量(liàng)結果有很高(gao)的精度（典型(xing)的精度：質量(liang)流量爲 ±0.1%+ 末端值的 ±0.005% ；密度 ρ爲 ±0.5kg/m3； ΔT爲 ±0.05%+5℃ ）；測量結果與(yǔ)壓力和溫度(dù)無關；測量結(jié)果與流體的(de)性能（密💜度、黏(nian)度、電導率和(hé)熱導率）無關(guān)；測量結果與(yu)流速分布無(wu)關，即不需要(yào)特殊的入口(kou)引導管道，流(liú)🤞量計能☁️測量(liang)真正的質量(liàng)流量平均值(zhi)；出口端不需(xū)要施加反壓(yā)力，也就不需(xū)要出口引導(dao)導管；安裝位(wei)🛀置可以任意(yì)選擇；可進行(hang)🎯雙向測量；所(suo)有可加壓力(li)🐆的介質都能(neng)🚶測量，如液态(tai)和氣态介質(zhì)，特别是受污(wu)染有腐蝕性(xìng)的介質。  

2.2 科氏流量計(jì)的缺點  

除了上述大(dà)量優點外，同(tong)樣也存在不(bu)足，如：流量計(ji)價🌂格貴，複雜(za)幾何形狀的(de)測量管道使(shi)壓力損耗增(zēng)大；除單直管(guǎn)外，有些流量(liàng)計彎頭較多(duō)，很難清洗，而(ér)且自行排空(kōng)能力差；測量(liàng)管道的材料(liao)與被測介質(zhì)要注意它們(men)的相容性；可(kě)測量zui大的流(liu)量限制爲 680T/h ；強烈的振(zhen)動和沖擊會(huì)影響流量計(jì)的機械裝置(zhì)，嚴重時産生(shēng)較大的測量(liàng)誤差；有些流(liú)量計的安裝(zhuang)受到安裝規(guī)程的☂️限制🏃‍♂️；采(cǎi)用流量分配(pei)器的流量計(jì)，在測量不均(jun1)勻的介質時(shí)，會産生較大(da)的測量誤差(chà)；測量高黏度(dù)👨‍❤️‍👨介質要求附(fù)加激勵👈能量(liang)和需要特殊(shū)的标定等。  

3 科氏質量(liàng)流量計在氣(qi)液兩相測量(liang)中的應用  

科氏質量(liàng)流量計的應(ying)用已遍及幾(jǐ)乎所有工業(ye)領域。主要原(yuán)因是高精度(dù)和大量程，這(zhè)是大多數其(qi)他流量測量(liang)方法🏃‍♂️所沒🏃🏻有(you)的💛。通常科氏(shì)質量流量計(jì)的精度如下(xià)：  

液體： ±0.10%（示值相對(dui)誤差） ± 零(ling)點的穩态值(zhí)。  

氣體： ±0.50%（示值相對(dui)誤差） ± 零(líng)點的穩态值(zhi)。  

3.1 丙烯氣(qì)液兩相流量(liang)測量技術參(can)考  

丙烯(xī)（ propylene）常溫下(xià)爲無色、無臭(chòu)、稍帶有甜味(wèi)的氣體。分子(zi)量 42.08，在标(biao)準大氣壓下(xià)密度 0.5139g/cm3（ 20/4℃ ），冰點(diǎn) -185.3℃ ，沸(fei)點 -47.4℃ 。丙烯在輸送(sòng)和儲存中必(bì)須進行加壓(yā)處理，另外，這(zhè)種流🍓體的✍️流(liu)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼量測量中容(rong)易因儀表的(de)壓力損失而(er)在流量計的(de)出口處産生(shēng)氣穴和伴随(sui)而來的氣蝕(shi)現象，引起流(liú)量計示值偏(pian)高和流量一(yi)次裝置受損(sǔn)。  

3.2 丙烯流(liu)量測量系統(tong)誤差的生成(chéng)與處理  

在輸送過程(chéng)中當溫度将(jiāng)降低或由于(yú)調節閥突然(ran)關小導緻✂️管(guǎn)道内壓力增(zeng)加時，丙烯會(huì)處于氣液兩(liǎng)相狀态。此時(shi)，丙烯氣液混(hùn)⁉️合物密度相(xiang)應會發生變(biàn)化，因而給質(zhì)量流量計測(cè)量帶來誤差(chà)。誤差可以通(tōng)🐕過密度補償(cháng)來處理。  

一常用壓力(lì)爲 1.0MPa 的丙(bing)烯氣體，其流(liú)量爲 qm，假(jia)設經長距離(lí)輸送後有 10%qm冷凝成液(ye)态，令其爲 qml，而保持氣(qi)态的部分爲(wèi) qms，從定義(yi)知，此時濕氣(qì)的幹度爲

采用溫度(dù)補償，所以按(an)照臨界飽和(hé)狀态查表，得(dé)到🌂此時的丙(bing)烯💚氣體密度(du)爲 ρs，液體(ti)密度爲 ρL，顯然液體與(yu)氣體部分的(de)體積流量爲(wèi)

式中 qvl表示丙烯(xi)液體的體積(jī)流量， m3/s； qvs表示丙烯(xi)氣體部分的(de)體積流量， m3/s。  

由定(dìng)義知，氣體幹(gàn)部分流量占(zhàn)氣液兩相總(zǒng)體積流量 qv之比 Rv爲

因爲(wei)

所以

在該例中(zhong)， Rv=99.93%，由此可(ke)見，在氣液混(hùn)合中，液體部(bu)分占的體積(jī)基本可以忽(hu)✔️略不計。  

另外，爲了避(bi)免丙烯流量(liang)測量時出現(xian)氣液兩相混(hun)合現象，選用(yòng)下面的設計(jì)和安裝方法(fǎ)将是有效的(de)。  

3.2.1 選用更(gèng)的儀表  

近年來，科氏(shi)力流量計的(de)制造技術獲(huo)得了快速發(fa)展，例如 CMF100傳感器與 2700變送器配(pèi)用，測量液體(ti)時，流體的質(zhi)量流量度可(ke)達流量值的(de) ±0.05%，而且已(yi)延伸到氣體(ti)流量的測量(liàng)。應用上述配(pèi)置的流量🧑🏽‍🤝‍🧑🏻計(jì)測量氣體質(zhi)量流量，度可(kě)達流量值的(de) ±0.35%。并且能(néng)直接顯示質(zhi)量流量。  

3.2.2 合理選擇安(ān)裝位置  

流量傳感器(qì)安裝位置應(yīng)選擇在槽的(de)頂部出口管(guan)💚道上。保證直(zhí)管段的前提(tí)下，與槽的出(chū)口處盡量近(jin)些。這樣，丙烯(xī)在輸送✂️過程(chéng)中，可減少經(jīng)輸送管道從(cóng)大氣中💯吸收(shōu)熱量。同時，安(an)裝位置應盡(jin)量低些，這樣(yàng)可提高過冷(leng)深度。  

3.2.3 将(jiang)調節閥安裝(zhuāng)在流量計後(hòu)邊  

丙烯(xī)中間槽與丙(bing)烯分離器之(zhī)間有較大壓(yā)差，此壓差絕(jué)大部⛹🏻‍♀️分🔴降落(luo)在調節閥上(shang)。丙烯流過此(cǐ)閥時，壓力突(tu)然升高，一定(dìng)數👨‍❤️‍👨量的🐅氣體(tǐ)液化，從而出(chū)現氣液🏃🏻‍♂️兩相(xiang)流。爲了避免(mian)流過流量計(jì)的流體中存(cún)在兩相🔞流，節(jiē)流閥必須裝(zhuāng)在流量計下(xia)遊。  

3.3 提高(gāo)丙烯流量測(cè)量度的方法(fa)  

大部分(fèn)質量流量計(ji)制造商以 “量程誤差(chà)加零點不穩(wen)定度 ”的(de)方式表達基(jī)本誤差，這是(shì)因爲這種儀(yi)表零點穩定(dìng)性較差。這種(zhǒng)表達方式初(chū)看上去度很(hěn)高，但計入零(ling)點不穩定度(du)❤️後，度🔞并不那(nà)麽高。  

零(ling)點不穩定性(xìng)通常以 %FS表示，也有以(yi)流量值 kg/min表示，零點不(bu)穩定度一般(bān)在 ±（ 0.01~0.04） %FS之間。當(dang)流量爲下限(xiàn)流量時，因零(ling)點不穩定性(xing)引入的誤✌️差(chà)是很可觀的(de)，所以儀表選(xuan)用時，應将口(kou)徑選得盡♊可(ke)能❓小一些，這(zhe)樣可将零點(diǎn)不穩定度的(de)數值🐅減小，提(tí)高實際🙇🏻得到(dao)的測量度👅。  

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