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?？评飱W利質(zhì)量流量計（CoriolisMassFlowmeter，以下簡稱科氏質(zhì)量流量計）作為CNG加氣機計量的核心部件，實現(xiàn)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具有廣闊市場前景的應(yīng)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(jù)現(xiàn)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(shù)要點，并針對計量過程中出現(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)量流量計廣泛應(yīng)用于天然氣計量行業(yè)提供指導(dǎo)。
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)進入加氣機后經(jīng)過濾器、氣液分離器進入質(zhì)量流量計進行計量，計量后的氣體經(jīng)過安全閥、加氣手柄至燃?xì)馄囍?。加氣量的多少由質(zhì)量流量計送至CPU，經(jīng)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(zhì)量流量計的流量信號也被采用來控制高、中、低壓電磁閥?？刂葡到y(tǒng)圖如圖2所示。在加氣機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)量流量計的流量信號并不是一直被加氣機顯示屏所顯示，當(dāng)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(shù)要點
?。?）壓力傳感器作為整個加氣機的過壓保護使用，當(dāng)管路壓力大于22MPa時，CNG加氣機啟動過壓保護，關(guān)閉三個電磁閥，停止加氣。當(dāng)此壓力傳感器出現(xiàn)故障時，加氣機會表現(xiàn)出一些看似由流量計引起的故障。
?。?）國產(chǎn)加氣機為節(jié)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(zhì)量不好會存在關(guān)不嚴(yán)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(dāng)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。
?。?）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(dāng)然也取決于一輛車氣瓶的大小和數(shù)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(shù)。
?。?）一些加氣站的天然氣脫水不夠好。原料天然氣進站后，先經(jīng)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(biāo)準(zhǔn)（即標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下-55℃），然后經(jīng)緩沖器進入天然氣壓縮機，經(jīng)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(zhì)量流量計測量原理
科氏力質(zhì)量流量計是根據(jù)科氏力原理來測量流體的質(zhì)量流量的，科氏力是指物體在旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中做直線運動時所受的力[3]：
其中，科氏力，N；m—移動物體的質(zhì)量，角速度，旋轉(zhuǎn)或振動時的徑向速度，m/s?？剖狭εc運動流體的質(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)量流量計用測量管的振動來代替恒定的角速度，這個系統(tǒng)可看作角速度大小相等但方向相反的兩個旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，如圖3所示。
當(dāng)流體流過兩根平行的測量管，測量管受科氏力的作用產(chǎn)生反相振動，在測量管中產(chǎn)生的科氏力會引起管子變形從而產(chǎn)生進口和出口的相位差，如圖4所示。當(dāng)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(dāng)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(dāng)質(zhì)量流量增加時，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量管子的振動相位。用兩根測量管的反相振動來確保系統(tǒng)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(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。
流量計正常測量的前提為兩測量管在諧振頻率下振動。
3 質(zhì)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(guān)心的問題，零點漂移也稱作零點穩(wěn)定性，為儀表測量真實零流量的能力指標(biāo)，即為當(dāng)流量為零時，流量計無規(guī)則輸出信號的幅度，零點穩(wěn)定性以質(zhì)量流量的單位kg/min或kg/h表示。在加氣機的應(yīng)用中，是指不加氣時，流量計有流量顯示。當(dāng)出現(xiàn)零點漂移現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(dāng)加氣機的使用中出現(xiàn)零漂現(xiàn)象時，要根據(jù)現(xiàn)場實際情況而定。
根據(jù)在現(xiàn)場實際情況發(fā)現(xiàn)，當(dāng)測量管中含有一定量液體時，會出現(xiàn)零點漂移故障。以E＋H公司Promass80M質(zhì)量流量計為例，它的結(jié)構(gòu)為雙直管，在大多數(shù)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(dāng)CNG氣源不干凈含水或油時，流量計測量管內(nèi)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(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗流量會達到300kg/h，與正常加氣時的流量相當(dāng)。
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(dāng)測量管中含液體時在加氣時會出現(xiàn)流量忽然增大很多，加氣機計數(shù)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(shè)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(fù)性問題
在流量計的眾多性能中，CNG加氣機制造商、用戶和*關(guān)心更多的是流量計的重復(fù)性，在現(xiàn)場碰到的更多的也就是此問題。重復(fù)性是指在相同的測量條件下，對同一被測量值的連續(xù)多次測量時，其測量結(jié)果間的一致程度。對于此問題在現(xiàn)場也曾嘗試很多辦法調(diào)試，如重新做零點、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，真正有效的卻是優(yōu)化流量計的流場。
案例1：四川某縣用了一臺國內(nèi)生產(chǎn)的加氣機，其上的流量計型號為E+H公司的Promass83M15，該區(qū)*鑒定重復(fù)性很差。根據(jù)現(xiàn)場安裝情況，建議將流量計的進口管路作調(diào)整增加直管段長度，調(diào)整后再次檢定，重復(fù)性和精度合格。圖6和圖7為現(xiàn)場圖片，分別為出現(xiàn)重復(fù)性差問題時的安裝和改善后重復(fù)性合格的安裝。
案例2：某加氣機生產(chǎn)廠使用了E＋H公司的CNGmass8FF15型質(zhì)量流量計，用戶在工廠作標(biāo)定時稱重復(fù)性很差，到現(xiàn)場服務(wù)時，對流量計沒有作任何參數(shù)調(diào)整，只是將流量計入口氣管做一個調(diào)查后兩臺表測量精度和重復(fù)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(yīng)用，流量計的直管段設(shè)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(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商市場宣傳中都有質(zhì)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(zhì)量流量計為雙管結(jié)構(gòu)，其正常工作的條件為兩個測量管諧振。當(dāng)流體為不可壓縮流體（大多數(shù)液體），且測量管充滿無氣體時，兩個測量管內(nèi)的流體質(zhì)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(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，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(zhì)量會不同，當(dāng)兩管的流體質(zhì)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(zhì)量分布。所以在紊亂的流場下流過兩測量管中的流體質(zhì)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(fù)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(xiàn)測量管工作不正常的類似報警。
4 結(jié)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zui多的流量測量儀表。隨著科氏質(zhì)量流量計廣泛應(yīng)用到CNG加氣機中，其在CNG計量中出現(xiàn)的問題越來越受到關(guān)注。質(zhì)量流量計的零漂問題可能是由于測量介質(zhì)的相態(tài)引起的，當(dāng)CNG氣源中含有水或者油等液體時，測量管不能達到諧振，解決這個問題可以從凈化氣體和優(yōu)化CNG加氣機結(jié)構(gòu)著手。流量計的重復(fù)性是CNG制造商、用戶和計量部分zui關(guān)心的性能，通過現(xiàn)場實際解決情況和流動模擬發(fā)現(xiàn)優(yōu)化流量計的流場分布是解決重復(fù)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(yōu)化流場的目的。通過安裝足夠直管段發(fā)現(xiàn)對于可壓縮流體和氣液兩相流，流場分布均勻?qū)τ趦蓚€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)也可適用于其它類似的工況。
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