質(zhi)量流量計(ji)在氣液兩(liang)相測量中(zhong)的應用分(fèn)析

1 常見流(liu)體的測量(liang)方法  
1.1氣體流量(liang)的測量方(fang)法  
需(xu)要測量流(liú)量的氣體(ti)種類繁多(duō)，其測量的(de)儀器儀表(biao)也有很大(da)的差别。以(yǐ)天然氣流(liú)量的測量(liàng)爲例：目前(qián)，天🐕然氣貿(mao)易計量分(fèn)爲體積計(ji)量、質量計(jì)量和能量(liàng)計量 3種，工業發(fa)達國家質(zhi)量計量和(he)能量計量(liang)兩種方法(fǎ)都在使用(yòng)，而我國目(mu)前基本上(shang)以體積計(jì)量爲主。  
1.2 液體流(liu)量的測量(liàng)方法  
常見的液(yè)體有水、石(shí)油、液化氣(qì)體等。水流(liú)量的測量(liàng)難度不高(gao)🈲，不同原理(lǐ)的流量計(jì)大多數都(dōu)可以測量(liang)水的容量(liang)，但也👣不是(shì)随便裝一(yi)台就肯定(ding)能用好的(de)🈚。這是因爲(wei)水的潔淨(jìng)程度不同(tóng)，流體工🧑🏽‍🤝‍🧑🏻況(kuàng)條件各異(yì)，流量測量(liàng)的範圍就(jiù)會出現懸(xuan)殊；石油具(ju)💃有一定的(de)♊黏稠度，因(yīn)此💁不同黏(nian)度的石油(you)産品所選(xuan)擇的計量(liang)‼️儀器不同(tong)，高黏度油(you)品如原油(yóu)、重油、渣油(yóu)，爲了便于(yu)⛹🏻‍♀️輸送，往往(wǎng)🔴被加熱到(dào)較高的溫(wen)度。流體中(zhōng)含有固态(tai)雜質，測量(liang)前還需要(yao)過濾；液化(huà)氣體屬于(yú)㊙️高飽和蒸(zhēng)氣壓液體(ti)，測量時必(bì)須考慮氣(qì)化的問題(ti)，因此使用(yòng)📱的流量計(ji)也比較特(tè)殊，如渦街(jie)流量計、渦(wō)🤩輪流量計(jì)、容積式流(liu)量計、科氏(shì)質量🈲流量(liàng)計等。  
1.3 氣液多相(xiàng)流體的測(cè)量方法  
氣液兩(liǎng)相流體的(de)流量測量(liang)從制造商(shang)的資料可(ke)看出，有幾(jǐ)種儀表可(kě)用來測量(liang)離散相濃(nong)度不高的(de)兩⭕相流體(tǐ)的流量🧑🏾‍🤝‍🧑🏼，在(zai)實際應用(yòng)中也有一(yī)些成功應(ying)用的實例(lì)，但目前🔞使(shi)用的💜流量(liang)計都是在(zai)單相流動(dòng)狀态下評(píng)定🌈其測量(liang)性能，現在(zài)還🌈沒有以(yǐ)單相流标(biao)定的流量(liàng)計用來測(ce)量兩相流(liu)時系統變(biàn)💁化的評定(dìng)标準，因此(cǐ)這樣的應(ying)用究竟帶(dài)來多大的(de)誤差還💋不(bú)很🌂清楚，僅(jin)有一些零(líng)星的數據(ju)和一些定(ding)性的分析(xī)。常用的氣(qi)液兩相流(liu)量測量儀(yí)器有：電磁(cí)流量計、科(kē)氏力質量(liang)流量計、超(chao)聲流量計(ji)等。  
1.4 科(kē)氏質量流(liú)量計的測(ce)量原理  
1.4.1 科氏力(lì)的形成  
由科氏(shi)加速度作(zuo)用産生科(kē)氏力。該加(jiā)速度是法(fǎ)國工🤩程師(shi)👄科裏奧利(lì)斯在研究(jiū)水輪機的(de)機械理論(lun)時發現👨‍❤️‍👨的(de)。科💘氏力，是(shì)對🔞旋轉體(tǐ)系中進行(hang)直線運動(dòng)的質點由(yóu)于慣性相(xiàng)對于⛷️旋轉(zhuan)體系産生(sheng)🐅的直線運(yùn)動的偏移(yi)的一種描(miáo)述，科裏奧(ao)利力來自(zì)于😍物體運(yùn)動🚶‍♀️所具有(yǒu)的慣性。  
在旋轉(zhuǎn)體系中進(jin)行直線運(yun)動的質點(dian)，由于慣性(xing)，有沿著原(yuan)有運動方(fāng)向繼續運(yun)動的趨勢(shi)，但是由于(yu)體系本身(shen)是旋轉的(de)，在🌍經曆了(le)一段時間(jian)的運動之(zhi)後，體系中(zhōng)質點的位(wei)置會㊙️有所(suo)變化，而它(tā)原有的運(yùn)動趨勢的(de)方向，如果(guǒ)以✂️旋轉體(tǐ)系的視角(jiao)去🧑🏽‍🤝‍🧑🏻觀察，就(jiu)會發生一(yi)定程度的(de)偏離。  
當一個質(zhì)點相對于(yu)慣性系做(zuo)直線運動(dong)時，相對于(yu)旋轉體系(xi)，其💜軌迹是(shì)一條曲線(xiàn)。立足于旋(xuan)轉體系，我(wǒ)們認爲有(yǒu)一個力驅(qū)使質點運(yun)動軌迹形(xíng)成曲線，這(zhè)個力就✏️是(shi)科裏奧利(li)力。  
科(kē)裏奧利力(lì)的計算公(gong)式爲： F=2mVr×ω 
式中 F爲科裏奧(ào)利力； m爲質點的(de)質量； Vr爲相對于(yu)靜止參考(kao)系質點的(de)運動速度(dù)（矢量）； ω爲旋轉體(tǐ)系的角速(sù)度（矢量）； ×表示兩(liang)個向量的(de)外積符号(hào)（ Vr×ω：大小(xiao)等于 v·ω·sinθ，，方向滿足(zú)右手螺旋(xuan)定則）。  
1.4.2 彎管流量(liàng)計的原理(lǐ)  
原理(li)上，當被測(cè)介質通過(guo)振動的測(ce)量管道時(shí)，科氏力能(néng)㊙️直接用于(yú)質量流量(liang)的測量。測(ce)量管道經(jīng)常呈 U形如圖所(suǒ)示。管道用(yong)剛性固定(ding)件支撐，并(bing)經激勵器(qi) E沿 A-A\'軸産生(sheng)振動，形成(cheng)沿該軸的(de)一個旋轉(zhuan)參考系統(tong)。如⁉️果在入(rù)口段👄觀察(chá)一小團流(liu)體，那麽它(tā)的質量元(yuan)流出固🔞定(dìng)端🌈。該質量(liàng)元✊随管道(dao)半徑逐漸(jiàn)增大而作(zuò)圓弧軌迹(jì)運動。當彎(wan)管向上運(yun)動時，形成(cheng)☔一個方向(xiàng)朝下的科(ke)氏力。同時(shí)，觀察出口(kǒu)段✉️的狀态(tài)，質量元流(liú)入固定端(duān)。同樣産生(shēng)一個方向(xiàng)朝上的科(kē)氏力。由 B稱的配(pèi)置在兩邊(biān)呈現出相(xiang)同數值但(dan)不同符号(hào)的科氏力(lì)。在流體流(liú)動時，由于(yú)力矩的作(zuò)用，導緻測(cè)量管道沿(yán) B-B\'軸産(chǎn)生一個附(fu)加的扭曲(qu)運 B動(dong)。在入口段(duàn)和出口段(duan)分别安裝(zhuāng)傳感器 S1和 S2檢測管道(dao)沿 A-A\'和(hé) B-B\'軸的(de)位移量。信(xin)号過零點(dian)的時間差(cha)事管道扭(niu)曲的🛀🏻檢測(ce)量，它🏃🏻‍♂️與通(tong)過管道的(de)質量流量(liàng)成正比。
科氏質(zhi)量流量計(jì)原理的結(jié)構

1.4.3 單(dān)直管流量(liàng)計的測量(liang)原理  
兩端拉緊(jǐn)固定的測(cè)量管道是(shi)直徑 d和長度 l的钛合(hé)金管。由安(ān)裝在管道(dao)中間的振(zhen)動裝置以(yǐ)一階模式(shi)💯方式🈚産生(shēng)振動。工作(zuò)頻率 fB=ωB/2π接近于一(yī)階頻率。在(zai)傳感器檢(jiǎn)測位置 ±z=±l/3處，振動(dong)幅度調整(zhěng)約爲 x±m（ ±z）。如果(guo)流體質量(liang)元 m以(yi)速度 v流過由角(jiǎo)速度 ω振動的管(guan)道，那麽這(zhe)質量元就(jiù)會在管壁(bi)上産生科(ke)氏❤️力，即 FC=2mv×ω在管道(dao)的前後半(ban)段上，除了(le)一階諧振(zhen)外，還産生(shēng)作用力方(fang)形相反的(de)二階模式(shi)振動。一階(jiē)和二階模(mo)式振動的(de)疊📞加在時(shi)間🚶上産🐆生(shēng) 90°的相(xiàng)移。因此，當(dang)管道中存(cún)在質量流(liu)量時，測量(liang)管道産生(sheng)擺🐇動🆚運🎯

1.4.4 雙直管(guǎn)流量計的(de)測量原理(li)  

雙直(zhí)管質量流(liú)量計有 2根測量(liang)管道、優化(hua)的流速分(fèn)配器、 4個位移傳(chuán)感器和 2個電磁(ci)式振蕩驅(qū)動器組成(chéng)。其原理是(shi)： 2個電(dian)磁式振蕩(dàng)驅動器以(yi)諧振頻率(lǜ)使兩根測(ce)量管道同(tong)📱步的相向(xiàng)振動。每個(gè)電磁式驅(qu)動器兩邊(biān)的對🈲稱位(wèi)置各安裝(zhuāng)有一個位(wèi)移檢測傳(chuan)感器用于(yú)測量科氏(shì)力效應。當(dāng)沒有介質(zhì)流過測量(liang)管道時，測(cè)量管道處(chu)于自然諧(xie)振狀态。 2個位移(yi)傳感器所(suǒ)測到的位(wei)移正弦信(xin)号無相位(wèi)差。 當(dang)有介質流(liu)過時，由于(yu)有科氏力(lì) FC的作(zuo)用，測量管(guǎn)道有微小(xiǎo)的變形，從(cong)而使 2個位移傳(chuán)感器有相(xiang)位偏差。該(gāi)相位偏差(chà)與科氏力(lì)⛹🏻‍♀️ FC成正(zhèng)比，即與流(liu)過測量管(guan)道的質量(liang)流量成正(zheng)比。相當于(yú) 2個單(dān)直管質量(liàng)流量計軸(zhou)向對稱地(di)同步工作(zuò)。  

2 科氏(shi)質量流量(liang)計的優缺(quē)點  

2.1 科(kē)氏質量流(liú)量計的優(you)點  

時(shí)間差與測(ce)量效應成(chéng)線性關系(xi)；直接測量(liàng)質量流量(liàng)；測量儀還(hai)⭐可附加檢(jian)測流體密(mì)度 ρ 和(hé)介質溫度(dù) T ；測量(liàng)結果有很(hěn)高的精度(dù)（典型的精(jing)度：質量流(liu)量爲 ±0.1%+ 末端值的(de) ±0.005% ；密度(dù) ρ爲 ±0.5kg/m3； ΔT爲(wei) ±0.05%+5℃ ）；測量結果(guǒ)與壓力和(hé)溫度無關(guan)；測量結果(guo)與流體的(de)性能（密度(du)、黏度、電導(dao)率和熱導(dǎo)率）無關；測(cè)量結果與(yu)流速分布(bu)無關，即不(bú)需要特殊(shu)的入口引(yǐn)導管道，流(liú)量計能測(cè)量真‼️正的(de)質量流量(liang)平均值；出(chu)口端不需(xu)要施加反(fan)壓力，也就(jiù)不需要出(chū)口引導導(dǎo)管；安裝位(wei)🌈置可以任(ren)意📞選擇；可(kě)進行雙向(xiang)測量；所有(you)可加壓力(lì)😘的介質都(dou)能測量，如(rú)液态和氣(qì)态介質，特(tè)别是❗受污(wu)染有腐蝕(shí)性的介質(zhì)。  

2.2 科氏(shì)流量計的(de)缺點  

除了上述(shu)大量優點(diǎn)外，同樣也(yě)存在不足(zú)，如：流量計(ji)價🐕格貴🏃‍♀️，複(fu)雜幾何形(xing)狀的測量(liang)管道使壓(ya)力損耗增(zeng)大；除單直(zhí)管外✉️，有些(xie)流量⛱️計彎(wan)頭較多，很(hen)難清洗，而(er)且自行❤️排(pai)空能🏃力差(cha)；測量管道(dao)的材料與(yǔ)被測介質(zhì)✉️要注意它(tā)們的相容(róng)性；可測量(liang)zui大的流量(liàng)限制爲 680T/h ；強烈的(de)振動和沖(chòng)擊會影響(xiǎng)流量計的(de)機械裝置(zhi)，嚴重時♊産(chǎn)生較大的(de)測量誤差(cha)；有些流量(liàng)計的安裝(zhuang)受💃到安裝(zhuang)規程的限(xian)制；采用流(liú)量分配器(qì)的流量計(ji)，在測量不(bú)均勻的㊙️介(jiè)質時💃🏻，會産(chǎn)生較大的(de)測量誤差(chà)；測量高黏(nián)度💛介質要(yao)求附加激(jī)勵能量和(hé)需🌍要特殊(shu)的标定等(děng)。  

3 科氏(shi)質量流量(liang)計在氣液(yè)兩相測量(liang)中的應用(yòng)  

科氏(shì)質量流量(liàng)計的應用(yong)已遍及幾(jǐ)乎所有工(gōng)業領域。主(zhu)要原因是(shi)高精度和(hé)大量程，這(zhè)是大多數(shù)其他⁉️流量(liàng)測量方法(fa)所沒有的(de)。通常科氏(shì)質量流量(liàng)計的精度(du)如下：  

液體： ±0.10%（示值相對(dui)誤差） ± 零點的穩(wěn)态值。  

氣體： ±0.50%（示值相對(dui)誤差） ± 零點的穩(wen)态值。  

3.1 丙烯氣液(ye)兩相流量(liang)測量技術(shù)參考  

丙烯（ propylene）常溫下爲(wei)無色、無臭(chou)、稍帶有甜(tian)味的氣體(ti)。分子量 42.08，在标準(zhun)大氣壓下(xia)密度 0.5139g/cm3（ 20/4℃ ），冰點 -185.3℃ ，沸點(dian) -47.4℃ 。丙烯在輸(shū)送和儲存(cún)中必須進(jìn)行加壓處(chù)理，另外，這(zhe)種流體的(de)流🆚量測量(liàng)中容易因(yīn)儀表的壓(yā)力損失而(er)💔在流🏃‍♂️量計(ji)的出口處(chù)産生氣穴(xue)和伴随而(er)來的氣蝕(shí)現象，引起(qǐ)流量計示(shì)值偏高和(he)🤟流量一次(cì)裝置受損(sǔn)。  

3.2 丙烯(xī)流量測量(liang)系統誤差(cha)的生成與(yu)處理  

在輸送過(guo)程中當溫(wēn)度将降低(di)或由于調(diào)節閥突然(rán)關小導🚩緻(zhì)管道内壓(ya)力增加時(shí)，丙烯會處(chù)于氣液兩(liang)相狀态。此(cǐ)時，丙烯氣(qì)液混🌈合物(wù)密度相應(ying)會發生變(bian)✍️化，因而給(gei)質量流量(liàng)計㊙️測量帶(dài)來誤差。誤(wu)差可以通(tōng)過密度補(bu)償來處理(li)。  

一常(chang)用壓力爲(wèi) 1.0MPa 的丙(bing)烯氣體，其(qi)流量爲 qm，假設經(jing)長距離輸(shū)送後有 10%qm冷凝成(cheng)液态，令其(qí)爲 qml，而(ér)保持氣态(tài)的部分爲(wei) qms，從定(ding)義知，此時(shi)濕氣的幹(gan)度爲

采用溫度(dù)補償，所以(yi)按照臨界(jiè)飽和狀态(tài)查表，得到(dào)此時的丙(bing)烯氣體密(mi)度爲 ρs，液體密度(dù)爲 ρL，顯(xiǎn)然液體與(yǔ)氣體部分(fèn)的體積流(liú)量爲

式中 qvl表示丙烯(xī)液體的體(tǐ)積流量， m3/s； qvs表(biǎo)示丙烯氣(qì)體部分的(de)體積流量(liàng)， m3/s。  

由定義知(zhi)，氣體幹部(bu)分流量占(zhàn)氣液兩相(xiàng)總體積流(liú)量 qv之(zhī)比 Rv爲(wei)

因爲(wèi)

所以(yǐ)

在該(gai)例中， Rv=99.93%，由此可見(jiàn)，在氣液混(hun)合中，液體(ti)部分占的(de)體積基本(běn)可以忽略(lue)不㊙️計。  

另外，爲了(le)避免丙烯(xi)流量測量(liang)時出現氣(qi)液兩相混(hun)合現象，選(xuan)☔用下面的(de)設計和安(an)裝方法将(jiang)是有效的(de)🐇。  

3.2.1 選用(yòng)更的儀表(biao)  

近年(nián)來，科氏力(li)流量計的(de)制造技術(shu)獲得了快(kuài)速發❓展，例(lì)⭕如 CMF100傳(chuán)感器與 2700變送器(qì)配用，測量(liàng)液體時，流(liu)體的質量(liang)流量度可(kě)達流㊙️量值(zhi)的 ±0.05%，而(er)且已延伸(shen)到氣體流(liú)量的測量(liàng)。應用上述(shù)配置的流(liu)量計測😘量(liàng)氣體質量(liang)流量，度可(ke)達流量值(zhí)的 ±0.35%。并(bing)且能直接(jie)顯示質量(liàng)流量。  

3.2.2 合理選擇(zé)安裝位置(zhi)  

流量(liàng)傳感器安(ān)裝位置應(ying)選擇在槽(cáo)的頂部出(chu)口管道上(shàng)。保📧證直管(guǎn)段的前提(tí)下，與槽的(de)出口處盡(jin)量近些。這(zhe)♈樣，丙烯在(zai)🏃輸送過程(cheng)中，可減少(shao)經輸送管(guǎn)道從大氣(qi)中吸收熱(re)量。同時，安(an)裝位置應(yīng)盡量低些(xiē)，這樣⁉️可提(tí)高過冷深(shen)度。  

3.2.3 将(jiāng)調節閥安(an)裝在流量(liang)計後邊  

丙烯中(zhōng)間槽與丙(bǐng)烯分離器(qi)之間有較(jiào)大壓差，此(cǐ)壓差絕大(dà)部🐅分降落(luò)在調節閥(fá)上。丙烯流(liú)過此閥時(shi)，壓力突然(rán)升高，一定(dìng)數🌈量的氣(qi)體液化，從(cóng)而出現氣(qì)液兩相流(liú)✉️。爲了避免(miǎn)流過🈲流量(liang)計的流體(ti)👨‍❤️‍👨中存在兩(liang)相流，節流(liu)閥必須裝(zhuang)在流量計(jì)下遊。  

3.3 提高丙烯(xi)流量測量(liang)度的方法(fǎ)  

大部(bù)分質量流(liú)量計制造(zào)商以 “量程誤差(chà)加零點不(bú)穩定度 ”的方式(shì)表達基本(běn)誤差，這是(shì)因爲這種(zhǒng)儀表零點(dian)穩定性✏️較(jiào)差。這種表(biǎo)達方式初(chu)看上去度(du)很高，但計(jì)入零點不(bu)穩⛱️定度🈲後(hou)，度并不那(nà)麽高。  

零點不穩(wen)定性通常(cháng)以 %FS表(biǎo)示，也有以(yǐ)流量值 kg/min表示，零(ling)點不穩定(ding)度一般在(zài) ±（ 0.01~0.04） %FS之間(jiān)。當流量爲(wei)下限流量(liang)時，因零點(diǎn)不穩定性(xìng)引入☁️的誤(wù)差是很👉可(kě)觀的，所以(yi)儀表選用(yong)時，應将口(kou)徑選得盡(jìn)可能小一(yī)些，這樣可(ke)🐪将零點不(bú)穩定度的(de)數值減小(xiǎo)，提高實際(ji)得到的測(ce)量度🛀。  

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