氣液兩相流對科里奧利質量流量計計量精度的影響研究

陳曉晨

（中國人民解放軍91724部隊 科研課題研究組，浙江 寧波 315800）

0 引言

科里奧利質量流量計在石化行業中的應用十分廣泛，其精度一般為1‰～2‰。流量計計量的準確性對于貿易交接和內部精細化管理都具有重要意義。本文對科里奧利質量流量計的結構和原理進行介紹，分析影響流量計量準確性的因素，分析實際工作中計量不準確的原因并提出改進措施建議。

1 科里奧利質量流量計的結構及計量原理

流量計由一次儀表和二次儀表組成，一次儀表為直接測量單元，二次儀表為信息傳輸處理單位。根據一次儀表結構的差異，質量流量計可分為直管、U型管、Ω管、雙梯形管等。如圖1為U型結構示意圖。

圖1 科里奧利質量流量計結構示意圖

科里奧利流量計基于科里奧利力測量原理設計而成。當管道流經平衡管（也稱諧振管）時，諧振管以一定頻率振動，此時諧振管相當于一個勻速運動參考系。當液體流經諧振管時，液體對于諧振管有相對運動，液體受到科里奧利力。根據作用力與反作用力原理，諧振管受到反向作用力，造成諧振管扭曲，諧振管在不同部位之間具有相對扭轉角[1]。液體的流量與扭轉角成正比，通過傳感器測量扭轉角就能計算得到液體流量。質量流量計測量過程中，不破壞流場特性，無壓力損失，也不會造成液體污染，精度較高。

2 影響流量計計量準確性的因素

2.1 管道振動的影響

流量計通過諧振管振動頻率來確定流體質量。安裝管道本身的振動會對諧振管的振動產生影響，導致計量產生偏差。管道振動的產生原因可能來自泵、電機、閥門、過濾器的振動，也可能來自管道自身的低頻振動[2]。

2.2 液相流中氣體的影響

利用流量計計量液體質量時，若流經諧振管的液體中含有的氣體超過5%時，流量計的誤差將明顯增大。當液體中的氣體體積分數超出10%時，可能導致諧振管停止振動，無法有效計量。因此，在流量計工作時，盡量使管道內充滿液體[2,3]。

2.3 液體溫度和壓力的影響

液體溫度和壓力對于流量計諧振管的硬度具有影響，從而影響諧振頻率。工作中，為了減小溫度和壓力的影響，可以通過加裝熱敏電阻或者壓感電阻對流量計進行補償修正[3]。

2.4 安裝工藝的影響

流量計安裝過程中，若由于安裝法蘭間距不合適，易造成流量計法蘭應力過大，會對諧振管的振動產生影響，繼而影響計量精度[3]。

3 某企業交易流量計計量誤差特征及原因分析

3.1 流量計的安裝及實際工作狀態

某企業于2020年將本地計量式腰輪流量計更換為本地遠程雙功能科里奧利質量流量計。流量計嚴格按照廠家要求安裝施工，前端預留直管段長度超過1米，減少過濾器下游不穩定流動對于諧振管工作狀態的影響。流量計前后除閘閥、過濾器外無其他附件，管道自身無異常振動。流量計工作時無異常振動和聲音，從外觀狀態來看，工作狀態正常。

3.2 流量計瞬時工作特性分析

通過一段時間運行，發現流量計數據與罐測數據之間存在偏差。偏差的特點主要體現在兩個方面：

（1）相同交易數量條件下，計量累計數相對誤差不盡相同，相對誤差偏差較大。大多數情況下，流量計數值相比于油罐檢尺數值偏少9‰。少數情況下，流量計流量數值與油罐檢尺計量數值相當；

（2）不同交易數量條件下，流量計誤差存在明顯規律性特征。在400噸的交易數量條件下，流量計的相對計量誤差最高可到16‰。當交易數量達到800噸時，流量計的相對計量誤差相比400噸普遍偏小，均在10‰以內。當交易數量達到3000噸時，流量計的相對計量誤差小于4‰。

流量計的瞬時流量曲線特征如圖2所示。

圖2 流量計的瞬時流量曲線特征

如圖2所示，流量計瞬時曲線隨著時間的增大逐漸降低，這是由于隨著罐內油料數量的減少，輸送作業的壓差逐漸減小，管道內流量逐漸降低，屬于正常作業特征。除此以外，在整個作業過程中，先后7次出現了不正常的瞬時流量躍變。具體表現為，流量計瞬時流量在很短的時間內降低到一個較低數值，再在很短的時間內恢復到原有流量數值。瞬時流量躍變的流量低值可能是0，也可能是20噸/小時，也肯能是40噸/小時或者60噸/小時等。從流量瞬時躍變的時間來看，躍變前后時間跨度約為40秒，與整個輸送作業瞬時流量相乘積后，以躍變到瞬時流量為0來舉例，一次躍變導致的計量偏差約為1.7噸。多次躍變導致整個流量計計量的偏差累計接近8噸。對于800噸的輸轉量而言，計量誤差接近10‰，遠超出交接計量精度要求。

3.3 流量計計量誤差原因分析

為了查找流量計計量誤差產生的原因，聯合廠家就流量計瞬時流量特性進行分析。通過模擬，同批次同規格流量計連續輸送液體時并未發現瞬時流量躍變特征。當流量計輸送氣液混合流時，流量計瞬時流量會產生類似躍變特征，分析導致誤差的原因可能為管道中的氣體。

對流量計安裝管道的工作狀態進行分析，儲罐至流量計之間管道經過山林、河流、公路等地段，沿線地勢為丘陵地帶，管道存在兩處局部高點。由于管道系統未設置漲油回收管路，為防止溫度變化引起漲管現象發生，每次作業完畢，需要局部放空管道，預留液體膨脹空間。在下次作業前，再次進行充管作業，減少因管道不滿流產生的輸量糾紛。充管作業時，在管線局部高點區域設置放氣閥，由于局部放氣閥過小，充油流量較快，很難確保管道內氣體排放徹底。在作業過程中，上游輸送流體中夾帶管道內未及時釋放的氣體流經質量流量計的情況無法避免。隨著輸轉作業的持續進行，隨著管道內氣體減少，在作業中后期的氣體數量逐漸減小，因此流量計產生的損失流量躍變相對較小，躍變頻次相比作業初期更低。

4 減小流量計計量誤差的對策措施分析

為減小氣體對于流量計影響，應從三個方面改進：

（1）作業完畢后管道局部放空數量不宜過大。管道內氣體產生的唯一正常來源為管道放空時的放氣閥進氣。減少管道放空容量能有效減少管道內氣體原始數量。在合理計算年內最高晝夜溫差或者日間最高溫度與最低液體溫度插值后，合理計算管道內液體膨脹體積，預留合理安區余量，滿足使用需求即可，無需過度放空管道；

（2）改善充管作業條件。一方面是控制充管作業流速，確保管道局部高點空間氣體能夠有效排出，減少過快充管作業時產生氣阻段；另一方面是增大氣體排放速度，結合管道整修改造施工，更換大口徑閘閥，提高氣流排放速度；

（3）在流量計上游增設消氣過濾器。消氣過濾器的排氣閥在過濾器內氣體體積增多到一定量時能夠自動打開排氣，對于管道局部殘留的少量氣體，經過消氣過濾器后排出，能夠有效較少氣體的瞬時微弱干擾。在選擇安裝消氣過濾器時，應該注意流量范圍、口徑、安裝空間等條件。

5 結語

對質量流量計的工作原理和影響計量精度的因素進行了分析。針對某單位計量交接質量流量計的計量誤差，分析了瞬時流量特征，指出了瞬時流量躍變對于計量精度的影響。通過分析管道工作狀態，得到了流量計誤差產生的原因是管道內氣液兩相流對諧振管的影響造成的，針對性的提出了減小管道放空容量、減小管道充管流速和安裝適配的消氣過濾器三種減小流量計計量誤差的措施。