科里奧利質(zhì)量流量計(jì)在重質(zhì)燃料油計(jì)量工作中的應(yīng)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(xué)家科里奧利(Gustave-Gaspard Coriolis) 在1835年發(fā)表過的論文《物體相對運(yùn)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(zhuǎn)動的體系中做相對運(yùn)動的物體上，而這種力F=2mv×w(m為質(zhì)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(zhì)量的儀器，在儀器中他利用了一個小型馬達(dá)驅(qū)使葉輪旋轉(zhuǎn)將液體吸入，并利用另一個旋翼感應(yīng)液體加速帶來的扭轉(zhuǎn)力，雖然他在自己的設(shè)計(jì)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(xué)術(shù)論文涉及到相關(guān)理論，但是卻在科里奧利質(zhì)量流量計(jì)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(shè)計(jì)名稱描述為科里奧利力質(zhì)量流量計(jì)(Coriolis mass flowmeter)。最早研發(fā)的科里奧利質(zhì)量流量計(jì)是一種采用直管作為震動管的流量計(jì)，通過馬達(dá)和凸輪的轉(zhuǎn)動帶動震動管震動，并使用動態(tài)應(yīng)變儀或者力矩馬達(dá)對流過液體的質(zhì)量進(jìn)行檢測。Sipin AJ 在1967年發(fā)表的質(zhì)量流量計(jì)論文中提出使用彎曲程度達(dá)到90°的彎管可以替代直管。在過去的科研中質(zhì)量流量產(chǎn)生的扭矩往往會直接被用于測量流體的質(zhì)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(zhì)量往往得到的結(jié)果并不準(zhǔn)確。為了增加準(zhǔn)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(qū)動頻率有關(guān)，因此也不能準(zhǔn)確體現(xiàn)流體的質(zhì)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(xiàn)代科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。在20世紀(jì)末，不少的研究者提出了兩條U行管的設(shè)計(jì)(Smith 和 Cage,1994年)，也有提出采用兩條平行直管的流量計(jì)，逐漸形成了現(xiàn)代科里奧利質(zhì)量流量計(jì)。20世紀(jì)70年代科里奧利流量計(jì)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(jìn)行開發(fā)，如今科里奧利質(zhì)量流量計(jì)已在市場走向成熟。

1 現(xiàn)代科里奧利流量計(jì)的原理及構(gòu)成

1.1 科里奧利流量計(jì)的原理

科里奧利流量計(jì)主要采用的原理是牛頓第二運(yùn)動定律F=ma,流體在通過流量計(jì)的檢測系統(tǒng)，會受到震動管的垂直動量，同時流體與加速度a產(chǎn)生一種向心力F作用于管子上，使震動的管子發(fā)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(tài)；如果有液體流過，震動管產(chǎn)生扭曲，入口與出口的檢測器出現(xiàn)相位差，同時產(chǎn)生信號之間的時間差，產(chǎn)生的時間差乘以流量的相關(guān)系數(shù)就能夠得到流過震動管的液體質(zhì)量。同時，質(zhì)量流量計(jì)還可以測量流過液體的密度計(jì)溫度，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的輸出。

1.2 質(zhì)量流量計(jì)的構(gòu)成

現(xiàn)代質(zhì)量流量計(jì)(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(zhuǎn)換器。流量傳感器通常至少由一個震動管、驅(qū)動系統(tǒng)、運(yùn)動傳感器，附加傳感器及支撐結(jié)構(gòu)組成；流量轉(zhuǎn)換器是一種電子控制系統(tǒng)，它可以通過接收流量傳感器的信號進(jìn)行處理，并輸出測量參數(shù)。質(zhì)量流量計(jì)的種類較多，在歐美國家根據(jù)震動類型分類，通常分為光束形(beam mode)、殼形(shell mode)等；根據(jù)出入口的路徑也可分為單管形、雙管形及多管形；根據(jù)震動管形狀，也可分為直管、彎管等。

圖1 現(xiàn)代質(zhì)量流量計(jì)

2 科里奧利流量計(jì)在重質(zhì)燃料油計(jì)量應(yīng)用的探索

2.1 科里奧利質(zhì)量流量計(jì)在重質(zhì)燃料油中的研究與運(yùn)用

在中石化出版的《現(xiàn)代燃料油品手冊》中，將重質(zhì)燃料油從廣義上定義為，用于爐內(nèi)燃燒以產(chǎn)生熱量或者用于發(fā)動機(jī)以產(chǎn)生動力的液體石油產(chǎn)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(zhì)燃料油都有一定的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，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(zhì)燃料油的黏度大，容易結(jié)渣，需要一定的溫度才能保證流動性。同時，由于重質(zhì)燃料油的特性，很可能因?yàn)椴僮鬟^程中的某些原因使得流動中的油品夾雜空氣，引起計(jì)算的誤差，因此在流體的計(jì)量方面存在一定的困難。

目前測量重質(zhì)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(jì)量操作不規(guī)范，讀數(shù)錯誤，計(jì)算有誤或倉容表不準(zhǔn)確等，因此在計(jì)量時存在一定的誤差；部分公司采用的是橢圓齒輪流量計(jì)，因?yàn)檫@種流量計(jì)的價格相對便宜，但是該種流量計(jì)由于本身構(gòu)造的原因精確度較質(zhì)量流量計(jì)相對低，同時重質(zhì)燃料油流量較大時可能對管道的壓損嚴(yán)重，會出現(xiàn)流量計(jì)損壞的問題，因此在國際上逐步開始嘗試使用質(zhì)量流量計(jì)對重質(zhì)燃料油進(jìn)行計(jì)量。特別是在近幾年，質(zhì)量流量計(jì)的使用已經(jīng)開始轉(zhuǎn)向液體與氣體兩相混合物的計(jì)算，2017年11月牛津大學(xué)Micheal Tombs等人發(fā)表的《2相科里奧利質(zhì)量流量計(jì)對高黏度油的計(jì)算》中，實(shí)驗(yàn)人員使用科里奧利流量計(jì)測量了黏度從50mm2/s至500mm2/s的重質(zhì)燃料油，并且實(shí)驗(yàn)溫度是15℃至60℃不等，結(jié)果表明，即使油品的氣體分?jǐn)?shù)達(dá)到90%，科里奧利質(zhì)量流量計(jì)依然能夠呈現(xiàn)出較好的計(jì)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(jì)在重質(zhì)燃料油計(jì)量過程中存在的問題

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

(1)零點(diǎn)漂移是質(zhì)量流量計(jì)一個重要的問題，并且該問題對測量結(jié)果有很大的影響。零點(diǎn)漂移產(chǎn)生原因有很多種，如安裝不符合要求，被測液體的物理性質(zhì)發(fā)生變化，雙管的震動頻率不一致等。因此，在日常運(yùn)用過程當(dāng)中，需要對該類流量計(jì)進(jìn)行調(diào)零，而且要預(yù)防傳感器中的液體排空，并且關(guān)閉傳感器下的閥門，確保在工作溫度下進(jìn)行調(diào)零。

(2)溫度是保證重質(zhì)燃料油流動性的重要因素。在船用燃料油的日常輸轉(zhuǎn)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(zhì)有一定的關(guān)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(jì)時要考慮流量的范圍。類似于重質(zhì)燃料油這種黏稠的液體，在加大流速后會產(chǎn)生比輕質(zhì)燃料油更大的壓力,壓力損失明顯增加，最后的測量結(jié)果也不準(zhǔn)確。

(4)液體處于高速流動的狀態(tài)也會影響流量計(jì)的計(jì)量作業(yè)，特別是重質(zhì)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(zhì)量流量計(jì)的測量結(jié)果有很大影響。而重質(zhì)燃料油經(jīng)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(jié)部分。因此，不僅會影響流量計(jì)的使用，還會堵塞震動管，目前已經(jīng)有很多研究投入到對多相流的研究。

2.3 科里奧利流量計(jì)在未來發(fā)展的趨勢

在校準(zhǔn)和計(jì)量的領(lǐng)域里，科里奧利流量計(jì)已經(jīng)開始被很多國際性實(shí)驗(yàn)室所使用，同時科里奧利流量計(jì)的在線檢定技術(shù)也在逐步發(fā)展。因此在牛津大學(xué)Tao Wang 及Roger Baker的 2014年的研究中提出科里奧利流量計(jì)在未來要不斷加強(qiáng)校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性，以及智能在線檢定技術(shù)將逐漸成為該類學(xué)科的研究方向。

然而轉(zhuǎn)向重質(zhì)燃料油市場，科里奧利流量計(jì)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?yàn)橹刭|(zhì)燃料油主要用于遠(yuǎn)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(jì)是非常需要的。同時結(jié)合在上一部分提出的問題中，科里奧利質(zhì)量流量計(jì)在震動管的選材方面也是一項(xiàng)值得研究的問題?？紤]到燃料油的黏度大，在流動過程中產(chǎn)生較大的壓力，震動管的材質(zhì)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(zhì)燃料油的儲存溫度條件比一般輕油要苛刻，該類材質(zhì)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(zhì)量，采用多管設(shè)計(jì)，這更加減少黏度較大液體測量后的誤差。最后，質(zhì)量流量計(jì)一直在行業(yè)中是一種花費(fèi)較多的器材，因此在未來的發(fā)展過程中生產(chǎn)成本的控制，標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)現(xiàn)以及新功能的增加會成為該類流量計(jì)的發(fā)展方向。

3 結(jié)束語

科里奧利質(zhì)量流量計(jì)在重質(zhì)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(jì)，但是考慮到未來行業(yè)發(fā)展及市場對商業(yè)交接數(shù)量準(zhǔn)確性的要求，必然會促使該類流量計(jì)的普及。隨著油氣計(jì)量行業(yè)的不斷進(jìn)步，新規(guī)范與新標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善以及對科里奧利質(zhì)量流量計(jì)科研的不斷投入，相信科里奧利質(zhì)量流量計(jì)會克服自身的缺點(diǎn)，在技術(shù)改進(jìn)中不斷向前。