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(jì)量問題也更加突出?？评飱W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(jì)在CNG加氣機(jī)計(jì)量中的技術(shù)要點(diǎn)，并針對計(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，如圖1所示[2]。
質(zhì)量流量計(jì)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(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，流量信號才會被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(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)會表現(xiàn)出一些看似由流量計(jì)引起的故障。
?。?）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。
?。?）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。
?。?）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)。
（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)測量原理
科氏力質(zhì)量流量計(jì)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(yùn)動時(shí)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(shí)的徑向速度，m/s?？剖狭εc運(yùn)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?？剖狭|(zhì)量流量計(jì)用測量管的振動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)，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(jìn)口和出口的相位差，如圖4所示。當(dāng)流量為零時(shí)，即流體停滯不流動時(shí)，入口和出口相位差為零，見圖4（1）；當(dāng)有流體流過時(shí)，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(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(jì)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(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zui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)廠家的售后一般會對流量計(jì)頻繁重新做零點(diǎn)校正，但這樣盲目的作零點(diǎn)校正是不對的，視流量計(jì)的結(jié)構(gòu)和性能而定。對于U形管的流量計(jì)，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(jì)需要頻繁做零點(diǎn)校正；對于直管或微彎管的流量計(jì)，它具有的振動頻率很高、測量管有堅(jiān)固的第二腔室、過程連接與測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(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)場實(shí)際情況而定。
根據(jù)在現(xiàn)場實(shí)際情況發(fā)現(xiàn)，當(dāng)測量管中含有一定量液體時(shí)，會出現(xiàn)零點(diǎn)漂移故障。以E＋H公司Promass80M質(zhì)量流量計(jì)為例，它的結(jié)構(gòu)為雙直管，在大多數(shù)CNG機(jī)氣機(jī)上的安裝為水平安裝，流量計(jì)過程連接的出口小于兩個(gè)測量管，也就是說當(dāng)CNG氣源不干凈含水或油時(shí)，流量計(jì)測量管內(nèi)會有積水或油的可能，此時(shí)的測量管不能達(dá)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(yàn)流量會達(dá)到300kg/h，與正常加氣時(shí)的流量相當(dāng)。
因?yàn)樵诩託鈺r(shí)測量管中的液體也許會被氣流帶走，所以此種故障會時(shí)有時(shí)無。另外當(dāng)測量管中含液體時(shí)在加氣時(shí)會出現(xiàn)流量忽然增大很多，加氣機(jī)計(jì)數(shù)增多。對于此故障，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，如對于直管型流量計(jì)，測量管可以傾斜安裝；對于U型管和微彎管流量計(jì)，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(jì)測量管中。
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*關(guān)心更多的是流量計(jì)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(shí)，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(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。
案例1：四川某縣用了一臺國內(nèi)生產(chǎn)的加氣機(jī)，其上的流量計(jì)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(jì)的進(jìn)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(shí)的安裝和改善后重復(fù)性合格的安裝。
案例2：某加氣機(jī)生產(chǎn)廠使用了E＋H公司的CNGmass8FF15型質(zhì)量流量計(jì)，用戶在工廠作標(biāo)定時(shí)稱重復(fù)性很差，到現(xiàn)場服務(wù)時(shí)，對流量計(jì)沒有作任何參數(shù)調(diào)整，只是將流量計(jì)入口氣管做一個(gè)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(shí)進(jìn)氣管為直接向下放置。
由此可見在加氣機(jī)中的應(yīng)用，流量計(jì)的直管段設(shè)計(jì)是不容忽視的，但是加氣機(jī)制造商一般不會輕易改已成型的流量計(jì)安裝管路。
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(shí)，兩個(gè)測量管內(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(shí)，就不能忽略流場對流量計(jì)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，流場會很紊亂，進(jìn)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(dá)到一個(gè)值時(shí)，測量管就會工作不正常。圖9為流體流過彎管時(shí)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(jì)的測量精度和重復(fù)性，情況下流量計(jì)測量管會停止工作[7∼9]。所以在剛開始加氣時(shí)（此時(shí)壓差達(dá)16MPa左右）流量計(jì)會出現(xiàn)測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)是目前直接測量質(zhì)量流量式的流量計(jì)中發(fā)展zui快，優(yōu)點(diǎn)zui多的流量測量儀表。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zui關(guān)心的性能，通過現(xiàn)場實(shí)際解決情況和流動模擬發(fā)現(xiàn)優(yōu)化流量計(jì)的流場分布是解決重復(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€(gè)測量管在諧振頻率下工作，流量計(jì)正常測量是至關(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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