科里奧利質量流量計在CNG加氣機計量中的應用

為了減少汽車尾氣對城市空氣污染，壓縮天然氣（CNG）已大量的用作汽車燃料^[1]。隨著CNG用量的大幅增加，其計量問題也更加突出。科里奧利質量流量計（CoriolisMassFlowmeter，以下簡稱科氏質量流量計）作為CNG加氣機計量的核心部件，實現了真正意義上的高精度的直接質量流量測量。CNG加氣機作為質量流量計欲搶占的一個具有廣闊市場前景的應用領域，筆者與國外儀表產家技術人員積極合作，根據現場獲得的資料，提出了科氏流量計在CNG加氣機計量中的技術要點，并針對計量過程中出現的主要問題提出了行之有效的技術措施和結構方案，為科氏質量流量計廣泛應用于天然氣計量行業提供指導。

　　1 質量流量計在CNG加氣機中的使用

　　1.1 CNG加氣機電氣控制原理

　　CNG加氣機的入口處與加氣站主管閥相連接，介質進入加氣機后經過濾器、氣液分離器進入質量流量計進行計量，計量后的氣體經過安全閥、加氣手柄至燃氣汽車中。加氣量的多少由質量流量計送至CPU，經過計算分別在顯示屏上顯示出加氣量及加氣金額，如圖1所示^[2]。

　　質量流量計的流量信號也被采用來控制高、中、低壓電磁閥。控制系統圖如圖2所示。在加氣機CPU上的設置為：由低壓閥向中壓閥轉換的流量值為4.00kg/min；由中壓閥向高壓閥轉換的流量值為2.8kg/min；由高壓閥向停止加氣轉換的流量值為1.5kg/min。質量流量計的流量信號并不是一直被加氣機顯示屏所顯示，當按加氣鍵后，流量信號才會被CPU接受并顯示在加氣屏上。

　　2.2 技術要點

　　（1）壓力傳感器作為整個加氣機的過壓保護使用，當管路壓力大于22MPa時，CNG加氣機啟動過壓保護，關閉三個電磁閥，停止加氣。當此壓力傳感器出現故障時，加氣機會表現出一些看似由流量計引起的故障。

　　（2）國產加氣機為節約成本，在高、中、低三個閥門一般采用電磁閥，而不是氣動閥，這與進口加氣機不同（如意大利賽福加氣機），而電磁閥如果質量不好會存在關不嚴等問題，這也將造成一些看似由流量計引起的故障，如零漂。

　　（3）當加氣機給汽車加滿氣時，加氣機的主管壓力與汽車氣瓶壓力基本達到平衡。

　　（4）一輛出租車在空罐時加氣，在氣源壓力為20MPa時加滿氣一般為13m³左右，公交車一般在80m³左右，當然也取決于一輛車氣瓶的大小和數量。

　　（5）質量流量計測量氣體介質，其測量上限不再是質量流量，而是流速，一般要求小于0.5馬赫數。

　　（6）一些加氣站的天然氣脫水不夠好。原料天然氣進站后，先經過濾、計量，然后進入低壓脫水裝置，脫去其中的水分，使其露點達到或低于國家汽車用標準（即標準狀態下-55℃），然后經緩沖器進入天然氣壓縮機，經過多極增壓后壓力達到25MPa后進入儲氣瓶組待用，這個過程中若控制不好有可能氣體中還有水或油。

　　2 科氏質量流量計測量原理

　　科氏力質量流量計是根據科氏力原理來測量流體的質量流量的，科氏力是指物體在旋轉系統中做直線運動時所受的力^[3]：

　　其中，科氏力，N；m—移動物體的質量，角速度，旋轉或振動時的徑向速度，m/s。科氏力與運動流體的質量m、速度v成正比，即與流體的質量流量成正比。科氏力質量流量計用測量管的振動來代替恒定的角速度，這個系統可看作角速度大小相等但方向相反的兩個旋轉系統，如圖3所示。

　　當流體流過兩根平行的測量管，測量管受科氏力的作用產生反相振動，在測量管中產生的科氏力會引起管子變形從而產生進口和出口的相位差，如圖4所示。當流量為零時，即流體停滯不流動時，入口和出口相位差為零，見圖4（1）；當有流體流過時，測量管入口處與出口處振動不同步，存在相位差，如圖4（2）、圖4（3）所示。

　　當質量流量增加時，相位差A-B也增加，通過入口和出口的電磁式相位傳感器就可以測量管子的振動相位。用兩根測量管的反相振動來確保系統平衡，利用科氏力原理測得的質量流量與流體溫度、壓力、粘度、電導率及流量特性無關。相位差與質量流量成正比：

　　其中，△φ—相位差；K—常數；E—彈性模量；q_m—質量流量，kg/s。

　　流量計正常測量的前提為兩測量管在諧振頻率下振動。

　　3 質量流量計存在的主要問題、原因分析和解決方案

　　3.1 流量計的零漂問題

　　流量計的零點漂移問題為加氣機制造商和用戶zui為關心的問題，零點漂移也稱作零點穩定性，為儀表測量真實零流量的能力指標，即為當流量為零時，流量計無規則輸出信號的幅度，零點穩定性以質量流量的單位kg/min或kg/h表示。在加氣機的應用中，是指不加氣時，流量計有流量顯示。當出現零點漂移現象時，加氣機制造商的廠家或流量計廠家的售后一般會對流量計頻繁重新做零點校正，但這樣盲目的作零點校正是不對的，視流量計的結構和性能而定。對于U形管的流量計，其振動頻率低，易受外界振動、安裝應力和溫度壓力劇烈變化的影響，這種流量計需要頻繁做零點校正；對于直管或微彎管的流量計，它具有的振動頻率很高、測量管有堅固的第二腔室、過程連接與測量管有形變余地等特點，使得這類流量計一般不用做零點，只有在一些特殊情況下：如需要很高的測量精度；流速很低；極限的操作工況流體（如溫度很高）才需要做零點^[4]。所以當加氣機的使用中出現零漂現象時，要根據現場實際情況而定。

　　根據在現場實際情況發現，當測量管中含有一定量液體時，會出現零點漂移故障。以E＋H公司Promass80M質量流量計為例，它的結構為雙直管，在大多數CNG機氣機上的安裝為水平安裝，流量計過程連接的出口小于兩個測量管，也就是說當CNG氣源不干凈含水或油時，流量計測量管內會有積水或油的可能，此時的測量管不能達到諧振，測量管兩端會有相位差，就有流量信號輸出，如圖5所示。根據現場經驗流量會達到300kg/h，與正常加氣時的流量相當。

　　因為在加氣時測量管中的液體也許會被氣流帶走，所以此種故障會時有時無。另外當測量管中含液體時在加氣時會出現流量忽然增大很多，加氣機計數增多。對于此故障，可以將加氣機上的質量流量計安裝方式設計的更合理一些，如對于直管型流量計，測量管可以傾斜安裝；對于U型管和微彎管流量計，將測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測量管中。

　　3.2 流量計的重復性問題

　　在流量計的眾多性能中，CNG加氣機制造商、用戶和*關心更多的是流量計的重復性，在現場碰到的更多的也就是此問題。重復性是指在相同的測量條件下，對同一被測量值的連續多次測量時，其測量結果間的一致程度。對于此問題在現場也曾嘗試很多辦法調試，如重新做零點、修改K系數等非正當手段，但一般不能奏效，根據一些經驗，真正有效的卻是優化流量計的流場。

　　案例1：四川某縣用了一臺國內生產的加氣機，其上的流量計型號為E+H公司的Promass83M15，該區*鑒定重復性很差。根據現場安裝情況，建議將流量計的進口管路作調整增加直管段長度，調整后再次檢定，重復性和精度合格。圖6和圖7為現場圖片，分別為出現重復性差問題時的安裝和改善后重復性合格的安裝。

　　案例2：某加氣機生產廠使用了E＋H公司的CNGmass8FF15型質量流量計，用戶在工廠作標定時稱重復性很差，到現場服務時，對流量計沒有作任何參數調整，只是將流量計入口氣管做一個調查后兩臺表測量精度和重復性非常好，如圖8所示，用戶自己做測試時進氣管為直接向下放置。

　　由此可見在加氣機中的應用，流量計的直管段設計是不容忽視的，但是加氣機制造商一般不會輕易改已成型的流量計安裝管路。

　　3.3 關于質量流量計安裝直管段的討論

　　在我們可以找到的資料中及廠商市場宣傳中都有質量流量計安裝不需要直管段描述，其實這有個前提，那就是測量流體必須為不可壓縮流體且滿管。如前所述，質量流量計為雙管結構，其正常工作的條件為兩個測量管諧振。當流體為不可壓縮流體（大多數液體），且測量管充滿無氣體時，兩個測量管內的流體質量基本上保持一致，此時流量計的測量與流體的流場分布無關，也就是不需要直管段。

　　但是當流體為可壓縮流體（氣體和少數液體）和氣液兩相流時，就不能忽略流場對流量計測量的重要性^[5]。從以上兩個案例可以看出，對于高壓氣體，若安裝條件不好，流場會很紊亂，進入雙管的流體的質量會不同，當兩管的流體質量差達到一個值時，測量管就會工作不正常。圖9為流體流過彎管時對流場分布的影響^[6]。

　　對于CNG這樣一種可壓縮氣體而言，工作壓力在20MPa左右，圖9不僅僅反映出流速分布，而且可以反映出氣體的質量分布。所以在紊亂的流場下流過兩測量管中的流體質量會不相等，兩測量管的振動不再在諧振頻率下振動，這樣會影響流量計的測量精度和重復性，情況下流量計測量管會停止工作^[7∼9]。所以在剛開始加氣時（此時壓差達16MPa左右）流量計會出現測量管工作不正常的類似報警。

　　4 結論

　　科氏質量流量計是目前直接測量質量流量式的流量計中發展zui快，優點zui多的流量測量儀表。隨著科氏質量流量計廣泛應用到CNG加氣機中，其在CNG計量中出現的問題越來越受到關注。質量流量計的零漂問題可能是由于測量介質的相態引起的，當CNG氣源中含有水或者油等液體時，測量管不能達到諧振，解決這個問題可以從凈化氣體和優化CNG加氣機結構著手。流量計的重復性是CNG制造商、用戶和計量部分zui關心的性能，通過現場實際解決情況和流動模擬發現優化流量計的流場分布是解決重復性差的重要方法，通過在流量計進出口安裝足夠的直管段可以達到優化流場的目的。通過安裝足夠直管段發現對于可壓縮流體和氣液兩相流，流場分布均勻對于兩個測量管在諧振頻率下工作，流量計正常測量是至關重要的，此項技術也可適用于其它類似的工況。