科里奧利質量流量計在重質燃料油計量工作中的應用及探索

茅興智

〔中國石化燃料油銷售有限公司江蘇分公司 江蘇南京 210000〕

法國物理學家科里奧利(Gustave-Gaspard Coriolis) 在1835年發表過的論文《物體相對運動方程》中指出，有一種不同于離心力的慣性力會作用于在勻速轉動的體系中做相對運動的物體上，而這種力F=2mv×w(m為質量，v為速度，w為角速度),也就是我們后來所了解的“科里奧利力”。1952年Kollsman在他的專利研究中提出了一種測量流體質量的儀器，在儀器中他利用了一個小型馬達驅使葉輪旋轉將液體吸入，并利用另一個旋翼感應液體加速帶來的扭轉力，雖然他在自己的設計中使用了科里奧利力，但是他未在自己專利中提及。盡管后期也有不少學術論文涉及到相關理論，但是卻在科里奧利質量流量計的研究中只是淺嘗輒止，直到1958年White RB在專利中明確將自己的設計名稱描述為科里奧利力質量流量計(Coriolis mass flowmeter)。最早研發的科里奧利質量流量計是一種采用直管作為震動管的流量計，通過馬達和凸輪的轉動帶動震動管震動，并使用動態應變儀或者力矩馬達對流過液體的質量進行檢測。Sipin AJ 在1967年發表的質量流量計論文中提出使用彎曲程度達到90°的彎管可以替代直管。在過去的科研中質量流量產生的扭矩往往會直接被用于測量流體的質量，但是科里奧利力是一種極小的力，如果使用扭矩用于直接測量液體質量往往得到的結果并不準確。為了增加準確性，也有人將震動管入口處信號和出口信號處的相位差作為解決問題的方法。然而，相位差往往與驅動頻率有關，因此也不能準確體現流體的質量。最終，入口與出口信號的時間延時克服了上述的困難，為現代科里奧利質量流量計的發展奠定了理論基礎。在20世紀末，不少的研究者提出了兩條U行管的設計(Smith 和 Cage,1994年)，也有提出采用兩條平行直管的流量計，逐漸形成了現代科里奧利質量流量計。20世紀70年代科里奧利流量計由美國MoicroMotion公司逐步推向市場，其他公司如Fisher、E+H等公司也相繼進行開發，如今科里奧利質量流量計已在市場走向成熟。

1 現代科里奧利流量計的原理及構成

1.1 科里奧利流量計的原理

科里奧利流量計主要采用的原理是牛頓第二運動定律F=ma,流體在通過流量計的檢測系統，會受到震動管的垂直動量，同時流體與加速度a產生一種向心力F作用于管子上，使震動的管子發生扭曲，管子向上震動，而流體向下抵抗管子震動的力。在沒有液體流過震動管時，管子的入口與出口的檢測器沒有相位移動，信號處于同相位的狀態；如果有液體流過，震動管產生扭曲，入口與出口的檢測器出現相位差，同時產生信號之間的時間差，產生的時間差乘以流量的相關系數就能夠得到流過震動管的液體質量。同時，質量流量計還可以測量流過液體的密度計溫度，實現多參數的輸出。

1.2 質量流量計的構成

現代質量流量計(見圖1)一般主要包含兩個部分，一個是流量傳感器，另外一個是流量轉換器。流量傳感器通常至少由一個震動管、驅動系統、運動傳感器，附加傳感器及支撐結構組成；流量轉換器是一種電子控制系統，它可以通過接收流量傳感器的信號進行處理，并輸出測量參數。質量流量計的種類較多，在歐美國家根據震動類型分類，通常分為光束形(beam mode)、殼形(shell mode)等；根據出入口的路徑也可分為單管形、雙管形及多管形；根據震動管形狀，也可分為直管、彎管等。

圖1 現代質量流量計

2 科里奧利流量計在重質燃料油計量應用的探索

2.1 科里奧利質量流量計在重質燃料油中的研究與運用

在中石化出版的《現代燃料油品手冊》中，將重質燃料油從廣義上定義為，用于爐內燃燒以產生熱量或者用于發動機以產生動力的液體石油產品的總稱。狹義是比重柴還重的供燃燒的油料。在歐美及亞洲國家對重質燃料油都有一定的規格標準，如美國的SATM D396，日本的JIS K2205。燃料油主要的用處是用于鍋爐或者大型船舶。由于重質燃料油的黏度大，容易結渣，需要一定的溫度才能保證流動性。同時，由于重質燃料油的特性，很可能因為操作過程中的某些原因使得流動中的油品夾雜空氣，引起計算的誤差，因此在流體的計量方面存在一定的困難。

目前測量重質燃料油的主要方法是人工檢尺，特別是在油船上。但是，由于該方法會受到人員因素影響，比如：計量操作不規范，讀數錯誤，計算有誤或倉容表不準確等，因此在計量時存在一定的誤差；部分公司采用的是橢圓齒輪流量計，因為這種流量計的價格相對便宜，但是該種流量計由于本身構造的原因精確度較質量流量計相對低，同時重質燃料油流量較大時可能對管道的壓損嚴重，會出現流量計損壞的問題，因此在國際上逐步開始嘗試使用質量流量計對重質燃料油進行計量。特別是在近幾年，質量流量計的使用已經開始轉向液體與氣體兩相混合物的計算，2017年11月牛津大學Micheal Tombs等人發表的《2相科里奧利質量流量計對高黏度油的計算》中，實驗人員使用科里奧利流量計測量了黏度從50mm2/s至500mm2/s的重質燃料油，并且實驗溫度是15℃至60℃不等，結果表明，即使油品的氣體分數達到90%，科里奧利質量流量計依然能夠呈現出較好的計量效果，總體誤差率基本可維持在2.5%以下，滿足了GOST R8.615的要求。

2.2 科里奧利流量計在重質燃料油計量過程中存在的問題

科里奧利質量流量計是一種有很強的故障診斷能力的儀表，可以使用歐姆表對流量計的電阻和電壓進行檢測查找事故原因；質量流量計較一般的壓差流量計精確。然而質量流量計在使用時也存在一定的問題：

(1)零點漂移是質量流量計一個重要的問題，并且該問題對測量結果有很大的影響。零點漂移產生原因有很多種，如安裝不符合要求，被測液體的物理性質發生變化，雙管的震動頻率不一致等。因此，在日常運用過程當中，需要對該類流量計進行調零，而且要預防傳感器中的液體排空，并且關閉傳感器下的閥門，確保在工作溫度下進行調零。

(2)溫度是保證重質燃料油流動性的重要因素。在船用燃料油的日常輸轉中，如180mm2/s，380mm2/s有時需要保持在50～60℃，在冬季可能對溫度的要求更苛刻，但是高溫會影響震動管的剛度和大小，這個問題與震動管使用的材料性質有一定的關系。

(3)壓力也是一個重要因素，流量的提升，壓力損失也會上升。因此，在選擇科里奧利流量計時要考慮流量的范圍。類似于重質燃料油這種黏稠的液體，在加大流速后會產生比輕質燃料油更大的壓力,壓力損失明顯增加，最后的測量結果也不準確。

(4)液體處于高速流動的狀態也會影響流量計的計量作業，特別是重質燃料油所使用的泵是螺桿泵，需要巨大的吸力。因此，燃料油在震動管中的流速增大會影響震動管的剛性。

(5)多相流也對質量流量計的測量結果有很大影響。而重質燃料油經常可能會夾雜著氣泡、或者由于氣溫較冷暫時未融化開的凝結部分。因此，不僅會影響流量計的使用，還會堵塞震動管，目前已經有很多研究投入到對多相流的研究。

2.3 科里奧利流量計在未來發展的趨勢

在校準和計量的領域里，科里奧利流量計已經開始被很多國際性實驗室所使用，同時科里奧利流量計的在線檢定技術也在逐步發展。因此在牛津大學Tao Wang 及Roger Baker的 2014年的研究中提出科里奧利流量計在未來要不斷加強校準的準確性，以及智能在線檢定技術將逐漸成為該類學科的研究方向。

然而轉向重質燃料油市場，科里奧利流量計在尺寸方面的增大及測量能力的提升會成為一個重要課題。因為重質燃料油主要用于遠洋海船，而海船的噸位較大，需要的燃料油量多，因此大型的流量計是非常需要的。同時結合在上一部分提出的問題中，科里奧利質量流量計在震動管的選材方面也是一項值得研究的問題。考慮到燃料油的黏度大，在流動過程中產生較大的壓力，震動管的材質要能抵抗加大的壓力，并且能夠確保長時間使用后的材料依然維持較好的剛性；重質燃料油的儲存溫度條件比一般輕油要苛刻，該類材質也需要能夠抵抗住高溫帶來的形變；同時有部分研究者開始逐步研制能夠測量高速流體及低速流體或超低速流體的質量，采用多管設計，這更加減少黏度較大液體測量后的誤差。最后，質量流量計一直在行業中是一種花費較多的器材，因此在未來的發展過程中生產成本的控制，標準化的實現以及新功能的增加會成為該類流量計的發展方向。

3 結束語

科里奧利質量流量計在重質燃料油市場中扮演著重要角色。雖然由于其成本較高，部分公司并未完全使用該類流量計，但是考慮到未來行業發展及市場對商業交接數量準確性的要求，必然會促使該類流量計的普及。隨著油氣計量行業的不斷進步，新規范與新標準的不斷完善以及對科里奧利質量流量計科研的不斷投入，相信科里奧利質量流量計會克服自身的缺點，在技術改進中不斷向前。