質量流量計(ji)在氣液兩相(xiang)測量中的應(ying)用分析

1 常見流(liu)體的測量方(fāng)法  
1.1氣體(ti)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(qian)，天✨然氣貿易(yì)計量🈲分爲體(tǐ)積計量、質量(liang)計量和能量(liàng)計量 3種(zhǒng)，工業發達國(guó)家質量計量(liang)和能量計量(liang)兩種方法都(dōu)在使用，而我(wo)國目前基本(běn)上以體積計(ji)量爲主。  
1.2 液體流量的(de)測量方法  
常見的液(ye)體有水、石油(you)、液化氣體等(děng)。水流量的測(cè)量✉️難度不高(gao)，不同原理的(de)流量計大多(duo)數都可以測(ce)量水的容量(liàng)，但也不是随(suí)便裝一台就(jiu)肯定能用好(hao)的📐。這是因爲(wei)水的潔淨程(chéng)度不同🌏，流體(ti)工況條件各(ge)異，流量測量(liàng)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼的範圍就會(hui)出現懸殊；石(shí)油具有一定(ding)的黏稠度，因(yin)此不同黏度(dù)的石油産品(pin)所選擇的計(jì)量💔儀器不同(tóng)，高黏度油品(pǐn)如原油、重油(you)、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(gu)态雜質，測量(liàng)前還需要♌過(guò)濾；液化氣體(ti)屬于高飽和(hé)蒸氣壓液體(tǐ)，測量時必須(xu)㊙️考慮氣化的(de)問題，因此使(shǐ)用的流量計(ji)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(duō)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(shāng)的資料可看(kàn)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(yi)些成功應用(yong)的實例，但目(mu)前使用的流(liu)量計都是在(zài)單相流動狀(zhuang)态下評定其(qí)測量性能，現(xiàn)在還💃🏻沒有以(yi)單🌈相流标定(dìng)💰的流量計用(yong)來測量兩相(xiang)流時系統變(bian)化的評定标(biao)💰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(shù)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(liang)計、超聲流量(liàng)計等🔞。  
1.4 科(kē)氏質量流量(liàng)計的測量原(yuán)理  
1.4.1 科氏(shì)力的形成  
由科氏加(jia)速度作用産(chan)生科氏力。該(gāi)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(xuán)轉體系中進(jìn)行直線運動(dong)的🌐質點由🤟于(yú)慣性相對于(yu)旋轉體🈚系産(chan)生💃🏻的直線運(yùn)動的偏移的(de)一種描述，科(ke)裏奧利力來(lái)自于✏️物體運(yun)動♊所具有的(de)慣性。  
在(zài)旋轉體系中(zhong)進行直線運(yun)動的質點，由(yóu)于慣性，有沿(yan)😍著原有運動(dòng)方向繼續運(yùn)動的趨勢，但(dan)是由于體系(xì)本身是旋轉(zhuǎn)🔴的，在經曆了(le)一段時間的(de)運動之後🈲，體(ti)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(dian)相對于慣性(xing)系做直線運(yùn)動時，相對于(yú)旋轉體系，其(qi)軌迹是一條(tiáo)曲線。立足于(yú)旋轉體系，我(wǒ)們認爲有一(yī)個力驅使質(zhì)點運動軌迹(jì)形成曲線，這(zhè)個力就是科(kē)裏❓奧利力。  
科裏奧利(li)力的計算公(gong)式爲： F=2mVr×ω 
式(shi)中 F爲科(ke)裏奧利力； m爲質點的(de)質量； Vr爲(wei)相對于靜止(zhǐ)參考系質點(dian)的運動速度(du)（矢量）； ω爲(wèi)旋轉體系的(de)角速度（矢量(liàng)）； ×表示兩(liǎng)個向量的外(wai)積符号（ Vr×ω：大小等于 v·ω·sinθ，，方向滿足(zu)右手螺旋定(dìng)則）。  
1.4.2 彎管(guǎn)流量計的原(yuán)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(xìng)固定件支撐(chēng)，并經激勵器(qì) E沿 A-A\'軸産生振動(dong)，形成沿該軸(zhou)的一個旋轉(zhuan)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(guǎn)道半徑逐漸(jian)增大而作圓(yuán)弧軌迹運動(dong)。當彎管向上(shàng)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(tai)，質量元流入(rù)固定端。同樣(yàng)🔅産生一個方(fāng)向朝上的科(kē)氏力。由 B稱的配置在(zài)兩邊呈現出(chū)相同數值但(dan)不同符号的(de)科氏力。在流(liú)體流動時，由(yóu)于力矩的作(zuo)用，導緻測量(liàng)管道🔴沿 B-B\'軸産生一個(ge)附加的扭曲(qǔ)運 B動。在(zai)入口段和出(chu)口段分别安(ān)裝傳感器 S1和 S2檢(jiǎn)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(guan)道扭曲的檢(jiǎn)測量，它與通(tong)過管道的質(zhì)量流量成正(zheng)比。
科氏(shì)質量流量計(ji)原理的結構(gou)

1.4.3 單直管(guǎn)流量計的測(cè)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(jin)管。由安裝在(zai)管道中間的(de)振動裝置以(yǐ)一階模✨式💰方(fāng)✌️式産生振動(dòng)。工作頻率 fB=ωB/2π接近于一(yī)階頻率。在傳(chuán)感器檢測位(wei)置 ±z=±l/3處，振(zhen)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(su)度 ω振動(dòng)的管道，那麽(me)這質量元就(jiù)會在管壁上(shàng)産生科氏力(li)，即 FC=2mv×ω在管(guǎn)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(zhen)動。一階和二(èr)階模式振動(dòng)的疊🚶加在時(shi)間上産生 90°的相移。因(yin)此，當管道中(zhong)存在質量流(liu)量時，測量管(guǎn)道産🤟生擺☀️動(dong)運🈚

1.4.4 雙直(zhí)管流量計的(de)測量原理  

雙直管質(zhì)量流量計有(you) 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(qi)組成。其原理(lǐ)是： 2個電(diàn)磁式振蕩驅(qu)動器以諧振(zhèn)頻率使兩根(gen)測量管❌道同(tong)步的相向振(zhen)動。每個電磁(ci)式驅動器兩(liǎng)邊的對稱位(wei)置各安裝有(yǒu)一個位✨移檢(jian)測傳感器用(yong)于測量科氏(shì)力效應。當沒(mei)有介質流過(guò)測量管道時(shi)，測量管道處(chù)于自然諧振(zhen)狀态。 2個(gè)位移傳感器(qi)所測到的位(wei)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(cè)量管道有微(wei)小的變形，從(cóng)而使 2個(ge)位移傳感器(qì)有相位偏差(cha)。該相位偏差(cha)與科氏力 FC成正比，即(jí)與流過測量(liang)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(tong)步工作。  

2 科氏質量流(liú)量計的優缺(quē)點  

2.1 科氏(shì)質量流量計(ji)的優點  

時間差與測(cè)量效應成線(xian)性關系；直接(jiē)測量質量流(liu)量；測量儀⭐還(hai)可附加檢測(ce)流體密度 ρ 和介質溫(wen)度 T ；測量(liàng)結果有很高(gāo)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(nián)度、電導率和(he)熱導率）無關(guān)；測量結果與(yǔ)流速分布無(wú)關，即不需要(yào)特殊的入口(kou)引導管道，流(liú)量計能測量(liàng)真正的質量(liàng)流量平均值(zhí)🤟；出口端不需(xū)要施加反壓(ya)力，也就不需(xu)要出口引導(dao)導管；安裝位(wèi)置可以任意(yì)選擇；可進行(hang)❄️雙向測量；所(suo)有可加壓力(lì)✌️的介質都能(neng)測量，如液态(tài)和氣态介質(zhì)，特别是受污(wu)染有腐蝕性(xing)的介質。  

2.2 科氏流量計(jì)的缺點  

除了上述大(da)量優點外，同(tóng)樣也存在不(bú)足，如：流量計(jì)價格🐇貴💰，複雜(zá)幾何形狀的(de)測量管道使(shi)壓力損耗增(zēng)大；除單直管(guan)外，有些流量(liang)計彎頭較多(duo)，很難清洗，而(ér)🚩且自行🐪排空(kōng)能力差；測量(liàng)管道的材料(liào)與被測介質(zhì)☎️要注意它們(men)的相容性；可(ke)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(zhi)，嚴重時産生(shēng)較大的測量(liang)誤差；有些流(liu)量計的安裝(zhuang)受到安裝規(gui)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(fu)加激勵能量(liàng)和需要特殊(shu)的标定等。  

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

科氏質量(liang)流量計的應(yīng)用已遍及幾(jǐ)乎所有工業(ye)領域。主要原(yuan)因是高精度(du)和大量程，這(zhè)是大多數其(qí)他🔴流量測量(liang)方法🏃🏻所沒有(yǒu)的。通常科氏(shi)質量流量計(jì)的精度如下(xia)：  

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

氣體： ±0.50%（示值相對(duì)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(xia)爲無色、無臭(chou)、稍帶有甜味(wèi)的氣體。分子(zǐ)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(fèi)點 -47.4℃ 。丙烯在輸送(song)和儲存中必(bì)須進行加壓(yā)處理，另外，這(zhe)種流體的流(liu)🏃‍♂️量測量中容(rong)易因儀表的(de)壓力損失而(ér)🔴在流量計的(de)出口處産生(sheng)氣穴和伴随(sui)而來的氣蝕(shí)現象，引起流(liu)量計示值偏(pian)高和🈲流量一(yī)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(jiang)降低或由于(yu)調節閥突然(ran)關小🌈導緻管(guan)道内壓力增(zēng)加時，丙烯會(hui)處于氣液兩(liǎng)相狀🌏态。此時(shí)，丙烯氣液混(hùn)合物密度相(xiàng)應會發生變(bian)化，因而給質(zhì)量💃流量計測(ce)量帶來誤差(chà)。誤差可以通(tong)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(jiǎ)設經長距離(li)輸送後有 10%qm冷凝成液(yè)态，令其爲 qml，而保持氣(qi)态的部分爲(wei) qms，從定義(yì)知，此時濕氣(qi)的幹度爲

采用溫度(du)補償，所以按(àn)照臨界飽和(he)狀态查表，得(de)到此時的丙(bing)烯氣體密度(dù)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(ji)流量， m3/s； qvs表示丙烯(xī)氣體部分的(de)體積流量， m3/s。  

由定(ding)義知，氣體幹(gàn)部分流量占(zhan)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(bù)分占的體積(jī)基本可以忽(hū)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(fa)将是有效的(de)🚶。  

3.2.1 選用更(gèng)的儀表  

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

3.2.2 合理選擇安(an)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(guǎn)道上。保🔱證直(zhi)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(cheng)中，可減少經(jīng)輸送管道從(cóng)大氣中吸收(shōu)熱量。同時，安(ān)裝位🙇🏻置應盡(jin)量低些，這樣(yang)👨‍❤️‍👨可提高過冷(leng)深度。  

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

丙烯(xi)中間槽與丙(bǐng)烯分離器之(zhi)間有較大壓(yā)差，此壓差絕(jue)大部分降落(luo)在調節閥上(shang)。丙烯流過此(ci)閥時，壓力突(tū)然升高，一定(ding)數量的氣體(ti)液化，從而出(chū)現氣液兩相(xiang)流。爲了避免(miǎn)流過流量計(ji)的流體中存(cun)在兩相🌈流，節(jiē)流閥必須裝(zhuang)在流量計下(xià)遊。  

3.3 提高(gao)丙烯流量測(ce)量度的方法(fa)  

大部分(fèn)質量流量計(jì)制造商以 “量程誤差(cha)加零點不穩(wěn)定度 ”的(de)方式表達基(ji)本誤差，這是(shi)因爲這種儀(yí)表零點穩定(ding)性較✨差。這種(zhong)表達方式初(chu)看上去度很(hěn)高，但計入零(ling)點💛不穩定度(dù)後，度并不那(nà)麽高。  

零(líng)點不穩定性(xing)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(kě)能小一👅些，這(zhè)樣可将零點(diǎn)不穩定度的(de)數值減小，提(ti)🌂高實際得到(dao)的測量度。  

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