黏稠液體滲入氣泡對流量計測量的影響

蔡武昌

(中國儀器儀表行業協會 流量儀表工作委員會，上海 200233)

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黏稠液體滲入氣泡對流量計測量的影響

蔡武昌

(中國儀器儀表行業協會 流量儀表工作委員會，上海 200233)

摘要：針對高黏性液體在交接存儲過程中流量測量存在誤差的問題，英國工程實驗室實驗研究了超聲波流量計和科里奧利質量流量計在運動黏度為200mm2/s液體中受滲入氣泡的流量或密度測量影響程度。氣泡體積分數在0～1%內測試不同流量下的測量誤差，氣泡體積分數變動和流量變動均會造成測量誤差變化。兩種變動產生的誤差變化呈現不同趨勢，從而可能實現儀表自診斷功能，補償或改善儀表性能。結論： 低黏性液體用流量儀表不能簡單移植到高黏性液體中應用，必須做性能評估或儀表改進。

關鍵詞：超聲波流量計科里奧利質量流量計密度測量高黏性液體含氣泡混合液測量誤差

1概述

對于低黏性液體(如水等)滲入氣泡對超聲波流量計(USF)和科里奧利質量流量計(CMF)測量的影響，有人做了實驗并在實踐中取得了一些認識。Endress+Hauser公司出版的《流量手冊》中稱： 氣泡體積分數達到2%，將使USF不能工作，1%左右測量就會呈現問題[1]。1990年意大利計量院G.A.Cignolo氏等研究市場上7種型號CMF受含氣泡的影響，在氣泡體積分數為1%的水中進行影響實驗，某些儀表中的誤差為1%～2%，當氣泡體積分數為10%時，誤差普遍為15%～20%。

關于氣泡在黏稠液體中影響如何，英國國家工程實驗室(NEL)在2011年第10屆東南亞烴流量測量學術討論會上發表《含滲入氣泡黏稠液的流量測量》一文[3]，闡述了USF和CMF在測量黏稠液體時受滲入氣泡對流量測量和CMF密度影響的實驗研究，得出實驗樣機在不同體積分數段的影響量值，文中對此進行簡述。

全球儲藏石油中，30%為低黏性輕油，70%為高黏性油，高黏性石油預計100年或更長時間內將是重要的能源。用中、低黏性油校準的流量儀表不能簡單地直接應用于高黏度油品，要作性能評估和必要的補償修正。

氣體可經多種途徑混入黏性油品，且不易消散，如油輪裝卸，流入/流出生產流程中的容器，測試中的分離/匯入，生產過程中工況條件急劇變化等。如果能夠求得滲入氣泡對各種流量測量技術和儀表的影響以及在不同體積分數時的測量偏差的趨勢，就有實現在線實時修正的可能性。

渡越時間法USF滲入氣泡會阻礙聲波傳播而降低響應，使流量測量產生偏差。高級自診斷功能可檢測信號衰減程度，當接收換能器接收不到信號就發出報警信號。

CMF滲入氣泡理論上不會影響所測質量流量讀數，然而氣泡在測量管內影響管的阻尼，從而影響質量流量和密度的測量。此外，氣泡在液體中分布不均勻也會使質量流量和密度產生偏差。CMF測量管阻尼和工作頻率是2個重要自診斷參數，兩者的任何波動可反映出測量管內是否存在固體顆粒或氣泡。

2實驗

實驗對象是1臺DN100 USF、1臺DN100 CMF和1臺DN150 CMF。USF系多聲道渡越時間法測量儀表(以下簡稱儀表A)，流量范圍5～100L/s；DN100 CMF系雙測量管儀表(以下簡稱儀表B)，標稱流量上限150kg/s；DN150 CMF也是雙測量管儀表(以下簡稱儀表C)，標稱流量上限約220kg/s。

試驗是在英國NEL標準表比較法油流量標準裝置上進行，參比標準表是Smith Meter公司的DN200刮板式容積流量計，其不確定度為±0.25%(95%置信度)。參比標準表則用該裝置上所設靜止啟停法稱重原始標準校準。圖1所示是安裝有參比標準表、氣體注入器、1臺USF和1臺CMF測試組例，待測試流量計前后直管長度按制造廠規定。氣體注入系統由1組流量儀表、壓力/溫度傳感器組成，控制注入氮氣體積分數。試驗液體是運動黏度為200mm2/s(20℃)的Primol液，流量范圍5～70L/s；氣泡體積分數為0～1%。USF和CMF串聯測試組示意如圖1所示。

圖1　USF和CMF串聯測試組例

3測試結果與討論

1) 超聲波流量計(儀表A)。由于未裝流動調整器，前、后直管長度按照制造商規定，但不得低于20D，5D。試驗時按標準賦值組態設定，不因為受高黏度、低流速或滲入氣泡影響而調整儀表。在液體中注入氣泡的體積分數為0～1%，探求滲入氣泡對單相液體流量測量性能的影響。液體體積流量誤差與參比流量計所測液體體積流量的關系如圖2所示。

圖2　不同氣泡體積分數下液體體積流量誤差與液體體積流量的關系

由圖2可知，儀表響應隨著氣泡體積分數增加而呈負偏差，大部分測試點在氣泡體積分數低于0.3%時，與參比流量計比較誤差均在±1%以內。在低流速時，則所有氣泡體積分數測試點的儀表響應誤差均接近1%，約為±1%。這一現象可認為氣泡分布性較差時，儀表對滲入氣泡會更好地處理，該分析得到流量超過50L/s(即流速超過6.4m/s)時所有氣泡體積分數測試點誤差增大所證實。

圖3所示是不同液體體積流量下氣泡體積分數與液體體積流量誤差的關系。

圖3　不同液體體積流量下氣泡體積分數與液體體積流量誤差的關系

在大流量時(本案例流量超過60L/s，流速超過7.6m/s)呈現較大誤差，這可能是氣泡在液流分布均勻所致。此外，由于液/氣體間聲阻抗失配最大，聲波散射和衰減效應顯著，會出現較大的問題。若氣泡潴留在超聲換能器壁龕凹處，阻礙了聲波傳播，更使儀表完全失效或導致很大誤差。

在增加氣泡體積分數或增加液體流速時，儀表A實驗數據呈現可辨別兩者儀表響應的不同趨勢。增強儀表診斷功能有可能應用例如信噪比(SNR)等參數，SNR能檢測氣泡干擾超聲束所引起任何衰減。這種情況下，USF若檢測出氣泡，可關閉頂層超聲束，以減少彈狀大氣泡沿著頂層管壁流動所引起的誤差。

2) 科里奧利質量流量計(儀表B)。圖4所示儀表B，液體質量流量誤差與氣泡體積分數及液體體積流量的關系。

在參比流量計的所測液體體積流量為10L/s時，質量流量誤差(與參比流量間偏差)按指數規律隨氣泡體積分數增大而增加，誤差范圍從3%(氣泡體積分數為0.1%時)到17%(氣泡體積分數為1%時)。在低流速引起誤差大的可能原因是CMF測量管內潴留氣泡，使流量測量產生不良影響。在較大流速和較大氣泡體積分數時儀表B呈現負誤差，散布于約±1%范圍內。0.1L/s流量除外，最大誤差為-2.4%(在氣泡體積分數約1%時)。數據明顯地也呈現儀表隨著氣泡體積分數增加向負值誤差增加。通過儀表面板診斷程序，有可能經核查例如驅動增益等參數，補償CMF因氣泡體積分數增加而增加的質量流量誤差。

圖4　液體質量流量誤差與氣泡體積分數及液體體積流量的關系

圖5所示是氣液混合體密度數據，儀表同樣隨著氣泡體積分數增加而呈現明顯變化的趨勢。低流速時儀表誤差與中高流速誤差的趨向不一樣，這也可能是由于儀表測量管潴留氣泡影響頻率測量而形成較大的測量誤差。在較大流速時密度誤差是與氣泡體積分數增大相關，密度讀數隨著氣泡體積分數增大而向負值增加。氣泡體積分數為1%左右時誤差最大，而在氣泡體積分數約為0.1%時誤差最小。測試數據清楚表明，有可能用儀表先進診斷功能，從所記錄失誤測量改善氣泡體積分數低于約1%時的不確定度。

圖5　密度誤差與氣泡體積分數及液體體積流量的關系

筆者從略了與儀表B性能相似的DN150儀表C的數據。

4結束語

針對準確測量重油流量的迫切需要，在黏度為200mm2/s，氣泡體積分數為0～1%流體中，對2例CMF、1例USF市場商品，實驗研究了若干技術性能。當評估流量儀表在測量某指定高黏度液體時的應用穩定性能時，應十分重視該研究所提示第2組分氣泡滲入流體的可能性。

所測試評估的USF性能明顯依承于滲入氣泡體積分數，由于氣泡體積分數和液體流速兩者對儀表性能影響呈現不同趨向，從而有可能在高黏性液滲入低量氣泡液的應用中，實現以儀表內部新的高級信號診斷功能作預測和修正。實際上在低流速時氣泡體積分數最高到1%，儀表仍能良好地運行。在高流速時滲入氣泡分布將更為均勻。因為液/氣間聲阻抗為最大，聲波散射和衰減與液/液相比明顯增大，從而產生較大問題。

CMF具有直接測量質量流量和密度的優點，混入氣泡原理上不應負面影響儀表讀數，然而如氣泡分布不均勻或在低流速時潴留在測量管內，可能會對質量流量和密度測量產生不良影響。2臺不同口徑CMF質量流量和密度測試數據僅是誤差大小不同而呈現相似的兩種不同趨向。

除低流速以外，2臺CMF的質量流量呈現負誤差，且隨著氣泡體積分數增大而增加，在低流速時則呈現正誤差，上述現象可能也是測量管內潴留氣泡所致。2臺CMF密度測量呈現幾乎相等的偏差且具有相似的變化趨向。

該研究測試數據表明CMF在高黏度液體的應用是頗有前景的，因其直接測量質量流量，給氣-液流動測量帶來重大優勢。同時，該報告的各項成果說明，未進行性能評估或改進的通用儀表，不能簡單地從低黏度液體應用移植到高黏度液體中應用。

參考文獻:

[1]Flow Handbook—A Practical Guide： Measurement Technologies·Application·Solution [M]. Reinach： Endress+Hauser Flowtec AG, 2004.

[2]蔡武昌.油水混合液第2相含量對科里奧利流量計和渦街流量計測量的影響[J].石油化工自動化，2008，44(01)： 71-73.

[3]Mills C., Belshaw R. Flow Measurement of Viscous Fluid with Entrained Gas [C]// 10th South East Asia Hy-drocarbon Flow Measurement Workshop, 2011.

作者簡介：蔡武昌(1929—)，男，原上海光華儀表廠總工程師，主要從事流量儀表的研制、開發和生產工作，任教授級高工。

中圖分類號：TH814

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2016)03-0073-04

稿件收到日期： 2016-01-28，修改稿收到日期： 2016-03-16。