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科里奧利質(zhì)量流量計在CNG加氣機計量中的應用
更新時(shí)間:2010-11-24   點(diǎn)擊次數:5252次

為了減少汽車(chē)尾氣對城市空氣污染,壓縮天然氣(CNG)已大量的用作汽車(chē)燃料[1]。隨著(zhù)CNG用量的大幅增加,其計量問(wèn)題也更加突出??评飱W利質(zhì)量流量計(CoriolisMassFlowmeter,以下簡(jiǎn)稱(chēng)科氏質(zhì)量流量計)作為CNG加氣機計量的核心部件,實(shí)現了真正意義上的高精度的直接質(zhì)量流量測量。CNG加氣機作為質(zhì)量流量計欲搶占的一個(gè)具有廣闊市場(chǎng)前景的應用領(lǐng)域,筆者與國外儀表產(chǎn)家技術(shù)人員積極合作,根據現場(chǎng)獲得的資料,提出了科氏流量計在CNG加氣機計量中的技術(shù)要點(diǎn),并針對計量過(guò)程中出現的主要問(wèn)題提出了行之有效的技術(shù)措施和結構方案,為科氏質(zhì)量流量計廣泛應用于天然氣計量行業(yè)提供指導。

  1 質(zhì)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(zhì)進(jìn)入加氣機后經(jīng)過(guò)濾器、氣液分離器進(jìn)入質(zhì)量流量計進(jìn)行計量,計量后的氣體經(jīng)過(guò)安全閥、加氣手柄至燃氣汽車(chē)中。加氣量的多少由質(zhì)量流量計送至CPU,經(jīng)過(guò)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(zhì)量流量計的流量信號也被采用來(lái)控制高、中、低壓電磁閥??刂葡到y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(zhì)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(huì )被CPU接受并顯示在加氣屏上。

  2.2 技術(shù)要點(diǎn)

 ?。?)壓力傳感器作為整個(gè)加氣機的過(guò)壓保護使用,當管路壓力大于22MPa時(shí),CNG加氣機啟動(dòng)過(guò)壓保護,關(guān)閉三個(gè)電磁閥,停止加氣。當此壓力傳感器出現故障時(shí),加氣機會(huì )表現出一些看似由流量計引起的故障。

 ?。?)國產(chǎn)加氣機為節約成本,在高、中、低三個(gè)閥門(mén)一般采用電磁閥,而不是氣動(dòng)閥,這與進(jìn)口加氣機不同(如意大利賽福加氣機),而電磁閥如果質(zhì)量不好會(huì )存在關(guān)不嚴等問(wèn)題,這也將造成一些看似由流量計引起的故障,如零漂。

 ?。?)當加氣機給汽車(chē)加滿(mǎn)氣時(shí),加氣機的主管壓力與汽車(chē)氣瓶壓力基本達到平衡。

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

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

 ?。?)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(guò)濾、計量,然后進(jìn)入低壓脫水裝置,脫去其中的水分,使其露點(diǎn)達到或低于國家汽車(chē)用標準(即標準狀態(tài)下-55℃),然后經(jīng)緩沖器進(jìn)入天然氣壓縮機,經(jīng)過(guò)多極增壓后壓力達到25MPa后進(jìn)入儲氣瓶組待用,這個(gè)過(guò)程中若控制不好有可能氣體中還有水或油。

  2 科氏質(zhì)量流量計測量原理

  科氏力質(zhì)量流量計是根據科氏力原理來(lái)測量流體的質(zhì)量流量的,科氏力是指物體在旋轉系統中做直線(xiàn)運動(dòng)時(shí)所受的力[3]

  其中,科氏力,N;m—移動(dòng)物體的質(zhì)量,角速度,旋轉或振動(dòng)時(shí)的徑向速度,m/s??剖狭εc運動(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??剖狭|(zhì)量流量計用測量管的振動(dòng)來(lái)代替恒定的角速度,這個(gè)系統可看作角速度大小相等但方向相反的兩個(gè)旋轉系統,如圖3所示。

  當流體流過(guò)兩根平行的測量管,測量管受科氏力的作用產(chǎn)生反相振動(dòng),在測量管中產(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,如圖4所示。當流量為零時(shí),即流體停滯不流動(dòng)時(shí),入口和出口相位差為零,見(jiàn)圖4(1);當有流體流過(guò)時(shí),測量管入口處與出口處振動(dòng)不同步,存在相位差,如圖4(2)、圖4(3)所示。

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

  其中,△φ—相位差;K—常數;E—彈性模量;qm—質(zhì)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(dòng)。

  3 質(zhì)量流量計存在的主要問(wèn)題、原因分析和解決方案

  3.1 流量計的零漂問(wèn)題

  流量計的零點(diǎn)漂移問(wèn)題為加氣機制造商和用戶(hù)zui為關(guān)心的問(wèn)題,零點(diǎn)漂移也稱(chēng)作零點(diǎn)穩定性,為儀表測量真實(shí)零流量的能力指標,即為當流量為零時(shí),流量計無(wú)規則輸出信號的幅度,零點(diǎn)穩定性以質(zhì)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(shí),流量計有流量顯示。當出現零點(diǎn)漂移現象時(shí),加氣機制造商的廠(chǎng)家或流量計廠(chǎng)家的售后一般會(huì )對流量計頻繁重新做零點(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(dòng)頻率低,易受外界振動(dòng)、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(diǎn)校正;對于直管或微彎管的流量計,它具有的振動(dòng)頻率很高、測量管有堅固的第二腔室、過(guò)程連接與測量管有形變余地等特點(diǎn),使得這類(lèi)流量計一般不用做零點(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)[4]。所以當加氣機的使用中出現零漂現象時(shí),要根據現場(chǎng)實(shí)際情況而定。

  根據在現場(chǎng)實(shí)際情況發(fā)現,當測量管中含有一定量液體時(shí),會(huì )出現零點(diǎn)漂移故障。以E+H公司Promass80M質(zhì)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(guò)程連接的出口小于兩個(gè)測量管,也就是說(shuō)當CNG氣源不干凈含水或油時(shí),流量計測量管內會(huì )有積水或油的可能,此時(shí)的測量管不能達到諧振,測量管兩端會(huì )有相位差,就有流量信號輸出,如圖5所示。根據現場(chǎng)經(jīng)驗流量會(huì )達到300kg/h,與正常加氣時(shí)的流量相當。

  因為在加氣時(shí)測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(wú)。另外當測量管中含液體時(shí)在加氣時(shí)會(huì )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(zhì)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?xún)A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(wèn)題

  在流量計的眾多性能中,CNG加氣機制造商、用戶(hù)和*關(guān)心更多的是流量計的重復性,在現場(chǎng)碰到的更多的也就是此問(wèn)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(shí),其測量結果間的一致程度。對于此問(wèn)題在現場(chǎng)也曾嘗試很多辦法調試,如重新做零點(diǎn)、修改K系數等非正當手段,但一般不能奏效,根據一些經(jīng)驗,真正有效的卻是優(yōu)化流量計的流場(chǎng)。

  案例1:四川某縣用了一臺國內生產(chǎn)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(chǎng)安裝情況,建議將流量計的進(jìn)口管路作調整增加直管段長(cháng)度,調整后再次檢定,重復性和精度合格。圖6和圖7為現場(chǎng)圖片,分別為出現重復性差問(wèn)題時(shí)的安裝和改善后重復性合格的安裝。

  案例2:某加氣機生產(chǎn)廠(chǎng)使用了E+H公司的CNGmass8FF15型質(zhì)量流量計,用戶(hù)在工廠(chǎng)作標定時(shí)稱(chēng)重復性很差,到現場(chǎng)服務(wù)時(shí),對流量計沒(méi)有作任何參數調整,只是將流量計入口氣管做一個(gè)調查后兩臺表測量精度和重復性非常好,如圖8所示,用戶(hù)自己做測試時(shí)進(jìn)氣管為直接向下放置。

  由此可見(jiàn)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(huì )輕易改已成型的流量計安裝管路。

  3.3 關(guān)于質(zhì)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(chǎng)商市場(chǎng)宣傳中都有質(zhì)量流量計安裝不需要直管段描述,其實(shí)這有個(gè)前提,那就是測量流體必須為不可壓縮流體且滿(mǎn)管。如前所述,質(zhì)量流量計為雙管結構,其正常工作的條件為兩個(gè)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(mǎn)無(wú)氣體時(shí),兩個(gè)測量管內的流體質(zhì)量基本上保持一致,此時(shí)流量計的測量與流體的流場(chǎng)分布無(wú)關(guān),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(shí),就不能忽略流場(chǎng)對流量計測量的重要性[5]。從以上兩個(gè)案例可以看出,對于高壓氣體,若安裝條件不好,流場(chǎng)會(huì )很紊亂,進(jìn)入雙管的流體的質(zhì)量會(huì )不同,當兩管的流體質(zhì)量差達到一個(gè)值時(shí),測量管就會(huì )工作不正常。圖9為流體流過(guò)彎管時(shí)對流場(chǎng)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(zhì)量分布。所以在紊亂的流場(chǎng)下流過(guò)兩測量管中的流體質(zhì)量會(huì )不相等,兩測量管的振動(dòng)不再在諧振頻率下振動(dòng),這樣會(huì )影響流量計的測量精度和重復性,情況下流量計測量管會(huì )停止工作[7∼9]。所以在剛開(kāi)始加氣時(shí)(此時(shí)壓差達16MPa左右)流量計會(huì )出現測量管工作不正常的類(lèi)似報警。

  4 結論

  科氏質(zhì)量流量計是目前直接測量質(zhì)量流量式的流量計中發(fā)展zui快,優(yōu)點(diǎn)zui多的流量測量?jì)x表。隨著(zhù)科氏質(zhì)量流量計廣泛應用到CNG加氣機中,其在CNG計量中出現的問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注。質(zhì)量流量計的零漂問(wèn)題可能是由于測量介質(zhì)的相態(tài)引起的,當CNG氣源中含有水或者油等液體時(shí),測量管不能達到諧振,解決這個(gè)問(wèn)題可以從凈化氣體和優(yōu)化CNG加氣機結構著(zhù)手。流量計的重復性是CNG制造商、用戶(hù)和計量部分zui關(guān)心的性能,通過(guò)現場(chǎng)實(shí)際解決情況和流動(dòng)模擬發(fā)現優(yōu)化流量計的流場(chǎng)分布是解決重復性差的重要方法,通過(guò)在流量計進(jìn)出口安裝足夠的直管段可以達到優(yōu)化流場(chǎng)的目的。通過(guò)安裝足夠直管段發(fā)現對于可壓縮流體和氣液兩相流,流場(chǎng)分布均勻對于兩個(gè)測量管在諧振頻率下工作,流量計正常測量是至關(guān)重要的,此項技術(shù)也可適用于其它類(lèi)似的工況。

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