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    科里奧利質(zhì)量流量計(jì)在CNG加氣機(jī)計(jì)量中的應(yīng)用

    時(shí)間:2021/7/29閱讀:395
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    為了減少汽車尾氣對(duì)城市空氣污染,壓縮天然氣(CNG)已大量的用作汽車燃料。隨著CNG用量的大幅增加,其計(jì)量問題也更加突出。科里奧利質(zhì)量流量計(jì)(CoriolisMassFlowmeter,以下簡稱科氏質(zhì)量流量計(jì))作為CNG加氣機(jī)計(jì)量的核心部件,實(shí)現(xiàn)了真正意義上的高精度的直接質(zhì)量流量測(cè)量。CNG加氣機(jī)作為質(zhì)量流量計(jì)欲搶占的一個(gè)具有廣闊市場(chǎng)前景的應(yīng)用領(lǐng)域,筆者根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)獲得的資料,提出了科氏流量計(jì)在CNG加氣機(jī)計(jì)量中的技術(shù)要點(diǎn),并針對(duì)計(jì)量過程中出現(xiàn)的主要問題提出了行之有效的技術(shù)措施和結(jié)構(gòu)方案,為科氏質(zhì)量流量計(jì)廣泛應(yīng)用于天然氣計(jì)量行業(yè)提供指導(dǎo)。
      1 質(zhì)量流量計(jì)在CNG加氣機(jī)中的使用
      1.1 CNG加氣機(jī)電氣控制原理
      CNG加氣機(jī)的入口處與加氣站主管閥相連接,介質(zhì)進(jìn)入加氣機(jī)后經(jīng)過濾器、氣液分離器進(jìn)入質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行精確計(jì)量,計(jì)量后的氣體經(jīng)過安全閥、加氣手柄至燃?xì)馄囍小<託饬康亩嗌儆少|(zhì)量流量計(jì)送至CPU,經(jīng)過計(jì)算分別在顯示屏上顯示出加氣量及加氣金額。
      質(zhì)量流量計(jì)的流量信號(hào)也被采用來控制高、中、低壓電磁閥。在加氣機(jī)CPU上的設(shè)置為:由低壓閥向中壓閥轉(zhuǎn)換的流量值為4.00kg/min;由中壓閥向高壓閥轉(zhuǎn)換的流量值為2.8kg/min;由高壓閥向停止加氣轉(zhuǎn)換的流量值為1.5kg/min。質(zhì)量流量計(jì)的流量信號(hào)并不是一直被加氣機(jī)顯示屏所顯示,當(dāng)按加氣鍵后,流量信號(hào)才會(huì)被CPU接受并顯示在加氣屏上。

      2.2 技術(shù)要點(diǎn)
      (1)壓力傳感器作為整個(gè)加氣機(jī)的過壓保護(hù)使用,當(dāng)管路壓力大于22MPa時(shí),CNG加氣機(jī)啟動(dòng)過壓保護(hù),關(guān)閉三個(gè)電磁閥,停止加氣。當(dāng)此壓力傳感器出現(xiàn)故障時(shí),加氣機(jī)會(huì)表現(xiàn)出一些看似由流量計(jì)引起的故障。
      (2)國產(chǎn)加氣機(jī)為節(jié)約成本,在高、中、低三個(gè)閥門一般采用電磁閥,而不是氣動(dòng)閥,這與進(jìn)口加氣機(jī)不同(如意大利賽福加氣機(jī)),而電磁閥如果質(zhì)量不好會(huì)存在關(guān)不嚴(yán)等問題,這也將造成一些看似由流量計(jì)引起的故障,如零漂。
      (3)當(dāng)加氣機(jī)給汽車加滿氣時(shí),加氣機(jī)的主管壓力與汽車氣瓶壓力基本達(dá)到平衡。
      (4)一輛出租車在空罐時(shí)加氣,在氣源壓力為20MPa時(shí)加滿氣一般為13m3左右,公交車一般在80m3左右,當(dāng)然也取決于一輛車氣瓶的大小和數(shù)量。
      (5)質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量氣體介質(zhì),其測(cè)量上限不再是質(zhì)量流量,而是流速,一般要求小于0.5馬赫數(shù)。
      (6)一些加氣站的天然氣脫水不夠好。原料天然氣進(jìn)站后,先經(jīng)過濾、計(jì)量,然后進(jìn)入低壓脫水裝置,脫去其中的水分,使其露點(diǎn)達(dá)到或低于國家汽車用標(biāo)準(zhǔn)(即標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下-55℃),然后經(jīng)緩沖器進(jìn)入天然氣壓縮機(jī),經(jīng)過多極增壓后壓力達(dá)到25MPa后進(jìn)入儲(chǔ)氣瓶組待用,這個(gè)過程中若控制不好有可能氣體中還有水或油。

      2 科氏質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量原理
      科氏力質(zhì)量流量計(jì)是根據(jù)科氏力原理來測(cè)量流體的質(zhì)量流量的,科氏力是指物體在旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中做直線運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的力:

      其中,科氏力,N;m—移動(dòng)物體的質(zhì)量,角速度,旋轉(zhuǎn)或振動(dòng)時(shí)的徑向速度,m/s。科氏力與運(yùn)動(dòng)流體的質(zhì)量m、速度v成正比,即與流體的質(zhì)量流量成正比。科氏力質(zhì)量流量計(jì)用測(cè)量管的振動(dòng)來代替恒定的角速度,這個(gè)系統(tǒng)可看作角速度大小相等但方向相反的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)。
      當(dāng)流體流過兩根平行的測(cè)量管,測(cè)量管受科氏力的作用產(chǎn)生反相振動(dòng),在測(cè)量管中產(chǎn)生的科氏力會(huì)引起管子變形從而產(chǎn)生進(jìn)口和出口的相位差。當(dāng)流量為零時(shí),即流體停滯不流動(dòng)時(shí),入口和出口相位差為零;當(dāng)有流體流過時(shí),測(cè)量管入口處與出口處振動(dòng)不同步,存在相位差。

      當(dāng)質(zhì)量流量增加時(shí),相位差A(yù)-B也增加,通過入口和出口的電磁式相位傳感器就可以測(cè)量管子的振動(dòng)相位。用兩根測(cè)量管的反相振動(dòng)來確保系統(tǒng)平衡,利用科氏力原理測(cè)得的質(zhì)量流量與流體溫度、壓力、粘度、電導(dǎo)率及流量特性無關(guān)。相位差與質(zhì)量流量成正比:

      其中,△φ—相位差;K—常數(shù);E—彈性模量;qm—質(zhì)量流量,kg/s。
      流量計(jì)正常測(cè)量的前提為兩測(cè)量管在諧振頻率下振動(dòng)。
      3 質(zhì)量流量計(jì)存在的主要問題、原因分析和解決方案
      3.1 流量計(jì)的零漂問題
      流量計(jì)的零點(diǎn)漂移問題為加氣機(jī)制造商和用戶最為關(guān)心的問題,零點(diǎn)漂移也稱作零點(diǎn)穩(wěn)定性,為儀表測(cè)量真實(shí)零流量的能力指標(biāo),即為當(dāng)流量為零時(shí),流量計(jì)無規(guī)則輸出信號(hào)的幅度,零點(diǎn)穩(wěn)定性以質(zhì)量流量的單位kg/min或kg/h表示。在加氣機(jī)的應(yīng)用中,是指不加氣時(shí),流量計(jì)有流量顯示。當(dāng)出現(xiàn)零點(diǎn)漂移現(xiàn)象時(shí),加氣機(jī)制造商的廠家或流量計(jì)廠家的售后一般會(huì)對(duì)流量計(jì)頻繁重新做零點(diǎn)校正,但這樣盲目的作零點(diǎn)校正是不對(duì)的,視流量計(jì)的結(jié)構(gòu)和性能而定。對(duì)于U形管的流量計(jì),其振動(dòng)頻率低,易受外界振動(dòng)、安裝應(yīng)力和溫度壓力劇烈變化的影響,這種流量計(jì)需要頻繁做零點(diǎn)校正;對(duì)于直管或微彎管的流量計(jì),它具有的振動(dòng)頻率很高、測(cè)量管有堅(jiān)固的第二腔室、過程連接與測(cè)量管有形變余地等特點(diǎn),使得這類流量計(jì)一般不用做零點(diǎn),只有在一些特殊情況下:如需要很高的測(cè)量精度;流速很低;極限的操作工況流體(如溫度很高)才需要做零點(diǎn)。所以當(dāng)加氣機(jī)的使用中出現(xiàn)零漂現(xiàn)象時(shí),要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況而定。
      根據(jù)在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況發(fā)現(xiàn),當(dāng)測(cè)量管中含有一定量液體時(shí),會(huì)出現(xiàn)零點(diǎn)漂移故障。因?yàn)樵诩託鈺r(shí)測(cè)量管中的液體也許會(huì)被氣流帶走,所以此種故障會(huì)時(shí)有時(shí)無。另外當(dāng)測(cè)量管中含液體時(shí)在加氣時(shí)會(huì)出現(xiàn)流量忽然增大很多,加氣機(jī)計(jì)數(shù)增多。對(duì)于此故障,可以將加氣機(jī)上的質(zhì)量流量計(jì)安裝方式設(shè)計(jì)的更合理一些,如對(duì)于直管型流量計(jì),測(cè)量管可以傾斜安裝;對(duì)于U型管和微彎管流量計(jì),將測(cè)量管的彎管部分向上傾斜安裝。這樣便于氣體中的液體易排出或不在流量計(jì)測(cè)量管中。

      3.2 流量計(jì)的重復(fù)性問題
      在流量計(jì)的眾多性能中,CNG加氣機(jī)制造商、用戶和計(jì)量部門關(guān)心更多的是流量計(jì)的重復(fù)性,在現(xiàn)場(chǎng)碰到的更多的也就是此問題。重復(fù)性是指在相同的測(cè)量條件下,對(duì)同一被測(cè)量值的連續(xù)多次測(cè)量時(shí),其測(cè)量結(jié)果間的一致程度。對(duì)于此問題在現(xiàn)場(chǎng)也曾嘗試很多辦法調(diào)試,如重新做零點(diǎn)、修改K系數(shù)等非正當(dāng)手段,但一般不能奏效,根據(jù)一些經(jīng)驗(yàn),真正有效的卻是優(yōu)化流量計(jì)的流場(chǎng)。
      
      3.3 關(guān)于質(zhì)量流量計(jì)安裝直管段的討論
      在我們可以找到的資料中及廠商市場(chǎng)宣傳中都有質(zhì)量流量計(jì)安裝不需要直管段描述,其實(shí)這有個(gè)前提,那就是測(cè)量流體必須為不可壓縮流體且滿管。如前所述,質(zhì)量流量計(jì)為雙管結(jié)構(gòu),其正常工作的條件為兩個(gè)測(cè)量管諧振。當(dāng)流體為不可壓縮流體(大多數(shù)液體),且測(cè)量管充滿無氣體時(shí),兩個(gè)測(cè)量管內(nèi)的流體質(zhì)量基本上保持一致,此時(shí)流量計(jì)的測(cè)量與流體的流場(chǎng)分布無關(guān),也就是不需要直管段。
      但是當(dāng)流體為可壓縮流體(氣體和少數(shù)液體)和氣液兩相流時(shí),就不能忽略流場(chǎng)對(duì)流量計(jì)測(cè)量的重要性。
      對(duì)于CNG這樣一種可壓縮氣體而言,工作壓力在20MPa左右,不僅僅反映出流速分布,而且可以反映出氣體的質(zhì)量分布。所以在紊亂的流場(chǎng)下流過兩測(cè)量管中的流體質(zhì)量會(huì)不相等,兩測(cè)量管的振動(dòng)不再在諧振頻率下振動(dòng),這樣會(huì)影響流量計(jì)的測(cè)量精度和重復(fù)性,情況下流量計(jì)測(cè)量管會(huì)停止工作。所以在剛開始加氣時(shí)(此時(shí)壓差達(dá)16MPa左右)流量計(jì)會(huì)出現(xiàn)測(cè)量管工作不正常的類似報(bào)警。
      4 結(jié)論
      科氏質(zhì)量流量計(jì)是目前直接測(cè)量質(zhì)量流量式的流量計(jì)中發(fā)展最快,優(yōu)點(diǎn)最多的流量測(cè)量儀表。隨著科氏質(zhì)量流量計(jì)廣泛應(yīng)用到CNG加氣機(jī)中,其在CNG計(jì)量中出現(xiàn)的問題越來越受到關(guān)注。質(zhì)量流量計(jì)的零漂問題可能是由于測(cè)量介質(zhì)的相態(tài)引起的,當(dāng)CNG氣源中含有水或者油等液體時(shí),測(cè)量管不能達(dá)到諧振,解決這個(gè)問題可以從凈化氣體和優(yōu)化CNG加氣機(jī)結(jié)構(gòu)著手。流量計(jì)的重復(fù)性是CNG制造商、用戶和計(jì)量部分最關(guān)心的性能,通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際解決情況和流動(dòng)模擬發(fā)現(xiàn)優(yōu)化流量計(jì)的流場(chǎng)分布是解決重復(fù)性差的重要方法,通過在流量計(jì)進(jìn)出口安裝足夠的直管段可以達(dá)到優(yōu)化流場(chǎng)的目的。通過安裝足夠直管段發(fā)現(xiàn)對(duì)于可壓縮流體和氣液兩相流,流場(chǎng)分布均勻?qū)τ趦蓚€(gè)測(cè)量管在諧振頻率下工作,流量計(jì)正常測(cè)量是至關(guān)重要的,此項(xiàng)技術(shù)也可適用于其它類似的工況。

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