質(zhì)量流量計(jì)在氣液兩(liǎng)相測量中(zhong)的應用分(fen)析

1 常見流(liú)體的測量(liang)方法  
1.1氣體流量(liàng)的測量方(fang)法  
需(xū)要測量流(liú)量的氣體(tǐ)種類繁多(duō)，其測量的(de)儀器儀表(biǎo)也有很大(da)的差别。以(yi)天然氣流(liú)量的測量(liang)爲例：目前(qián)，天然氣貿(mào)易計量分(fèn)爲體積計(ji)量、質量計(ji)量和能🐅量(liang)計量 3種，工業發(fa)達國家質(zhi)量計量和(he)能量計量(liàng)兩種方法(fǎ)都在使用(yòng)，而我國目(mu)前基本上(shang)以體積計(ji)量爲主。  
1.2 液體流(liú)量的測量(liàng)方法  
常見的液(yè)體有水、石(shi)油、液化氣(qi)體等。水流(liu)量的測量(liàng)難♉度💯不高(gao)，不同原理(li)的流量計(ji)大多數都(dōu)可以測量(liang)水的容量(liang)，但也不是(shi)随便☂️裝一(yi)台就肯定(dìng)能用好的(de)🔴。這是因爲(wèi)水的潔淨(jing)程度不同(tóng)，流體工況(kuàng)條件各異(yì)🏃‍♂️，流量測量(liàng)的範圍就(jiu)會出現懸(xuán)殊；石油具(ju)有一定的(de)🔴黏稠度，因(yīn)此不同黏(nián)度的石油(yóu)産品所💯選(xuǎn)擇的計量(liang)儀器不同(tong)，高黏度油(yóu)品如原油(you)🌈、重油、渣油(yóu)，爲了便于(yú)輸送，往往(wang)🌈被加熱🏒到(dào)較高的溫(wen)度。流體中(zhōng)含有固态(tài)雜📐質，測量(liàng)前還需要(yào)過濾；液化(hua)氣體屬于(yu)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(te)殊，如渦街(jiē)流量計、渦(wo)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(xiang)流體的測(cè)量方法  
氣液兩(liang)相流體的(de)流量測量(liàng)從制造商(shāng)的資料可(kě)看出，有幾(jǐ)種儀🧑🏾‍🤝‍🧑🏼表可(ke)用來測量(liàng)離散相濃(nóng)度不高的(de)兩相流👉體(ti)的💃🏻流量，在(zai)實際應用(yòng)中也有一(yi)些成功應(ying)用的實例(li)，但目前使(shǐ)用的流量(liàng)計都是在(zài)單相流動(dong)狀态下評(ping)定其測量(liàng)性能，現在(zài)還沒有以(yǐ)單🚩相流标(biāo)定👅的流量(liàng)計用來測(ce)量兩相流(liú)時系統變(bian)化的評定(ding)标🐆準，因此(cǐ)這樣的應(yīng)用究竟帶(dài)來多大的(de)誤差還不(bú)很清楚，僅(jǐn)有一些零(líng)星的數⚽據(jù)和一些定(dìng)性的分析(xi)。常用📐的氣(qi)液兩相流(liu)量🔞測量儀(yí)器有：電磁(ci)流量計、科(kē)氏力質量(liàng)流量計、超(chāo)聲流量計(jì)等。  
1.4 科(kē)氏質量流(liu)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(zuò)用産生科(ke)氏力。該加(jiā)速度是法(fǎ)國工程師(shi)科裏奧利(li)斯在研究(jiu)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(you)于慣性相(xiang)對于旋轉(zhuan)體📐系産生(sheng)的直線運(yun)動的偏移(yí)的一種描(miáo)述👣，科裏奧(ao)利力來自(zi)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(yùn)動的質點(diǎn)，由于慣性(xìng)，有沿著❄️原(yuan)有運㊙️動方(fang)向繼續運(yùn)動的趨勢(shi)，但是由于(yú)體系本身(shen)是旋轉的(de)，在經曆了(le)一段時間(jian)的運動之(zhī)後♍，體系中(zhong)質點的🌂位(wèi)置會有所(suo)變化，而它(ta)原有的運(yùn)動趨勢的(de)方向，如果(guǒ)以旋轉體(tǐ)系的視角(jiǎo)去觀察，就(jiù)會📞發生一(yi)定程🔞度的(de)偏離。  
當一個質(zhi)點相對于(yú)慣性系做(zuò)直線運動(dòng)時，相對于(yu)旋轉體系(xì)，其🌈軌迹是(shi)一條曲線(xiàn)。立足于旋(xuán)轉體系，我(wo)們認爲有(you)一個力驅(qū)使質點運(yùn)動軌迹形(xíng)成曲線，這(zhe)個力就是(shi)科裏奧利(lì)力。  
科(ke)裏奧利力(lì)的計算公(gōng)式爲： F=2mVr×ω 
式中 F爲科裏奧(ao)利力； m爲質點的(de)質量； Vr爲相對于(yú)靜止參考(kǎo)系質點的(de)運動速度(du)（矢量）； ω爲旋轉體(ti)系的角速(su)度（矢量）； ×表示兩(liang)個向量的(de)外積符号(hào)（ Vr×ω：大小(xiǎo)等于 v·ω·sinθ，，方向滿足(zú)右手螺旋(xuán)定則）。  
1.4.2 彎管流量(liàng)計的原理(li)  
原理(li)上，當被測(cè)介質通過(guo)振動的測(cè)量管道時(shí)，科氏🔞力能(neng)直㊙️接用于(yu)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(yòng)剛性固定(dìng)件支撐，并(bìng)經激勵器(qi)👉 E沿 A-A\'軸産生(sheng)振動，形成(chéng)沿該軸的(de)一個旋轉(zhuǎn)參考系統(tong)。如果在入(rù)口段觀察(cha)一小團流(liú)體，那麽它(tā)的質量元(yuan)流出固定(dìng)端。該質量(liang)元🤟随管道(dao)半徑逐漸(jian)增大而作(zuo)圓✂️弧軌迹(jì)運動。當彎(wan)管向上運(yùn)動時，形成(chéng)一個方向(xiang)朝下的科(kē)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(sheng)一個方向(xiàng)朝上的科(kē)氏力。由 B稱的配(pei)置在兩邊(biān)呈現出相(xiàng)同數值但(dàn)不同符号(hao)的科❗氏力(lì)。在流體流(liu)動時，由于(yu)力矩的作(zuò)用，導緻測(ce)量🤟管道沿(yan) B-B\'軸産(chan)生一個附(fu)加的扭曲(qu)運 B動(dong)。在入口段(duan)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(he) B-B\'軸的(de)位移量。信(xìn)号過零點(diǎn)的時間差(chà)事管道扭(niǔ)曲的檢測(cè)量，它與通(tong)過管道的(de)質量流量(liang)成正比。
科氏質(zhi)量流量計(jì)原理的結(jié)構

1.4.3 單(dan)直管流量(liàng)計的測量(liàng)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(an)裝在管道(dào)中間的振(zhen)動裝置以(yǐ)一階模式(shi)方式産生(sheng)振動。工作(zuò)頻率 fB=ωB/2π接近于一(yī)階頻率。在(zài)傳感器檢(jiǎn)測位置 ±z=±l/3處，振動(dòng)幅度調整(zhěng)約爲 x±m（ ±z）。如果(guǒ)流體質量(liang)元 m以(yi)速度 v流過由角(jiao)速度 ω振動的管(guǎn)道，那麽這(zhe)質量元就(jiu)會在管壁(bì)上産生科(ke)氏⭐力，即 FC=2mv×ω在管道(dao)的前後半(bàn)段上，除了(le)一階諧振(zhen)外，還産生(sheng)作用力方(fang)形相反的(de)二階模式(shi)振動。一階(jiē)和二階模(mó)式振動的(de)疊🥵加在時(shí)間上産生(sheng) 90°的相(xiàng)移。因此，當(dang)管道中存(cun)在質量流(liu)量時，測量(liàng)管道産生(shēng)擺動運

1.4.4 雙直管(guan)流量計的(de)測量原理(lǐ)  

雙直(zhí)管質量流(liu)量計有 2根測量(liang)管道、優化(hua)的流速分(fen)配器、 4個位移傳(chuan)感器和 2個電磁(ci)式振蕩驅(qu)動器組成(chéng)。其原理是(shì)： 2個電(diàn)磁式振蕩(dang)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(ge)電磁式驅(qu)動器兩邊(biān)的對稱位(wei)置各安裝(zhuang)有一個位(wei)移檢測傳(chuán)感器用于(yú)測量科氏(shi)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(xié)振狀态。 2個位移(yí)傳感器所(suǒ)測到的位(wei)移正弦信(xìn)号無相位(wèi)差。 當(dāng)有介質流(liu)過時，由于(yu)有科氏力(li) FC的作(zuo)用，測量管(guan)道有微小(xiǎo)的變形，從(cóng)而使 2個位移傳(chuán)感器有相(xiàng)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(guǎn)道的質量(liàng)流量成正(zhèng)比。相當于(yu) 2個單(dān)直管質量(liang)流量計軸(zhóu)向對稱地(di)同步工作(zuo)。  

2 科氏(shi)質量流量(liàng)計的優缺(que)點  

2.1 科(kē)氏質量流(liu)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(liang)質量流量(liàng)🔞；測量儀還(hái)可附加檢(jiǎn)測流體密(mì)度 ρ 和(he)介質溫度(dù) T ；測量(liang)結果有很(hen)高的精度(dù)（典型的精(jīng)度：質量流(liú)量爲 ±0.1%+ 末端值的(de) ±0.005% ；密度(du) ρ爲 ±0.5kg/m3； ΔT爲(wèi) ±0.05%+5℃ ）；測量結果(guo)與壓力和(hé)溫度無關(guān)；測量結果(guo)與流體的(de)性🈚能（密度(dù)、黏度、電導(dǎo)率和熱導(dao)率）無關；測(cè)量結果與(yǔ)流速分布(bu)無關，即不(bú)需要特殊(shū)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(chū)口端不需(xu)☀️要施加反(fǎn)⭕壓力，也就(jiu)不需要出(chu)💃🏻口引導導(dao)管；安裝位(wei)置可以任(rèn)意💃選擇；可(kě)進行雙向(xiang)測量；所有(you)可加壓力(li)的介質都(dōu)能測量，如(ru)液态和氣(qì)态介質，特(te)别是受污(wū)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(zu)，如：流量計(ji)價格貴🙇‍♀️，複(fú)雜幾何形(xing)狀的測量(liàng)管道使壓(ya)力損耗增(zeng)大；除單直(zhi)管外，有些(xiē)流量計彎(wān)頭較多，很(hěn)難清洗，而(er)且自行排(pai)空能力差(chà)；測量管道(dao)的材料與(yǔ)被測介質(zhi)🚩要注意它(ta)們的相容(róng)性；可測量(liàng)zui大的流量(liang)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(chà)；有些流量(liang)計的安裝(zhuāng)受到安裝(zhuāng)規程的限(xiàn)制；采用流(liú)量分配器(qì)的流量計(ji)，在測量不(bú)均勻的介(jie)質時，會産(chǎn)生較大的(de)測量誤差(cha)；測量高黏(nián)度介質要(yào)求附加激(jī)勵🤩能量和(he)需要特殊(shu)的👣标定等(deng)。  

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

科氏(shì)質量流量(liang)計的應用(yòng)已遍及幾(ji)乎所有工(gong)業領域。主(zhu)☀️要原因是(shì)高精度和(hé)大量程，這(zhe)是大多數(shu)其他流量(liang)測量方法(fa)所沒有的(de)🚶。通常科氏(shi)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(wen)态值。  

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

3.1 丙烯氣液(yè)兩相流量(liàng)測量技術(shu)參考  

丙烯（ propylene）常溫下爲(wei)無色、無臭(chòu)、稍帶有甜(tián)味的氣體(ti)。分子量 42.08，在标準(zhǔn)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(shu)送和儲存(cún)中必須進(jin)行加壓處(chu)理，另外，這(zhe)❗種流💔體的(de)流♍量測量(liàng)中容易因(yin)儀表的壓(yā)力損失而(er)在流✂️量計(jì)的出口處(chu)産生氣穴(xue)和伴随而(er)來的氣蝕(shí)現象，引㊙️起(qi)流量計示(shi)值偏高和(he)⛹🏻‍♀️流量一次(ci)裝置受損(sǔn)。  

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

在輸送過(guo)程中當溫(wēn)度将降低(dī)或由于調(diào)節閥突然(rán)關🔆小導🌈緻(zhi)管道内壓(ya)力增加時(shí)，丙烯會處(chù)于氣液兩(liǎng)🔞相狀❄️态。此(cǐ)時，丙烯氣(qi)液混合物(wù)密度相應(ying)會發生變(biàn)化，因而給(gei)質量流量(liàng)計測量帶(dai)來誤差。誤(wu)差可以通(tong)過密度補(bu)償來處理(lǐ)。  

一常(cháng)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(dìng)義知，此時(shí)濕氣的幹(gàn)度爲

采用溫度(du)補償，所以(yi)按照臨界(jiè)飽和狀态(tai)查表，得到(dao)此時的丙(bǐng)烯氣體密(mi)度爲 ρs，液體密度(dù)爲 ρL，顯(xian)然液體與(yu)氣體部分(fen)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(qi)體部分的(de)體積流量(liang)， m3/s。  

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

因爲(wèi)

所以(yǐ)

在該(gai)例中， Rv=99.93%，由此可見(jian)，在氣液混(hùn)合中，液體(tǐ)部分占的(de)體積基本(ben)🏒可以忽略(luè)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(xuǎn)用🐇下面的(de)設計和安(an)裝方法将(jiāng)是有效的(de)。  

3.2.1 選用(yong)更的儀表(biǎo)  

近年(nián)來，科氏力(li)流量計的(de)制造技術(shu)獲得了快(kuai)速發🌂展，例(li)如 CMF100傳(chuan)感器與 2700變送器(qì)配用，測量(liang)液體時，流(liu)體的質量(liang)流量度可(kě)達流量值(zhí)的❄️ ±0.05%，而(ér)且已延伸(shen)到氣體流(liú)量的測量(liàng)。應用上述(shu)配置的🈲流(liú)量計🙇‍♀️測量(liàng)氣體質量(liàng)流量，度可(kě)達流量值(zhí)的 ±0.35%。并(bing)且能直接(jiē)顯示質量(liàng)流量。  

3.2.2 合理選擇(ze)安裝位置(zhì)  

流量(liàng)傳感器安(ān)裝位置應(ying)選擇在槽(cao)的頂部出(chu)口管道上(shang)。保證直管(guǎn)段的前提(tí)下，與槽的(de)出口處盡(jìn)量近些。這(zhè)樣，丙烯在(zai)輸送過程(cheng)中，可減少(shao)經輸送管(guan)道從大氣(qì)中吸收熱(rè)量。同時，安(ān)裝位置應(ying)盡♌量低些(xie)，這樣可提(ti)高過冷深(shen)度。  

3.2.3 将(jiang)調節閥安(an)裝在流量(liàng)計後邊  

丙烯中(zhong)間槽與丙(bǐng)烯分離器(qi)之間有較(jiào)大壓差，此(ci)壓差絕大(dà)部分降落(luò)在調節閥(fá)上。丙烯流(liu)過此閥時(shi)，壓✍️力突然(rán)升高，一定(dìng)數💯量的氣(qi)體液化，從(cong)而出現氣(qì)液🔴兩相流(liú)🐪。爲了避免(mian)流過流量(liàng)計📧的流體(ti)中存在兩(liang)相流，節流(liú)閥必須裝(zhuang)在流量計(jì)下遊。  

3.3 提高丙烯(xi)流量測量(liàng)度的方法(fǎ)  

大部(bu)分質量流(liú)量計制造(zào)商以 “量程誤差(cha)加零點不(bu)穩定度 ”的方式(shi)表達基本(běn)誤差，這是(shì)因爲這種(zhong)儀表零點(diǎn)穩🔆定性較(jiào)差。這種表(biǎo)達方式初(chū)看上去度(du)很高，但計(jì)入零點不(bu)穩定度後(hòu)，度并不那(nà)麽高。  

零點不穩(wěn)定性通常(chang)以 %FS表(biǎo)示，也有以(yǐ)流量值 kg/min表示，零(líng)點不穩定(dìng)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(wu)🚩差是很可(kě)觀的，所以(yi)儀表選用(yòng)時，應将口(kǒu)徑選🤞得盡(jin)可能小一(yī)些，這樣可(ke)🚶将零點不(bú)穩定度的(de)數值減小(xiao)，提高實際(ji)得到的測(ce)量度💋。  

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