科里奥利质量流量计在天然气计量中的应用.pdf

36 石油仪器 P E T R 0L E U M I NS T RU ME NI S 2 0 1 3年 4月 仪器设备 科里奥利质量流量计在天然气计量中的应用 薛红梅张东峰 中国石油兰州石化公司甘肃 兰州 摘 要 文章通过介绍科里奥利质量流量计的工作原理及特点，以及科里奥利质量流量计在实际安装应用中应注意的事 项 ，结合天然气计量的三种计量方式，通过对科里奥利质量流量计与其它流量计的对比，提 出科里奥利质量流量计对于测 量小 口径、脏污天然气等方 面有着其它流量计不可比拟 的优势，成为天然气计量方面首选 。 关 键 词 天然 气计量 ；科里 奥利质 量流 量计 ；应 用 中图法分类号 T H8 1 4 ．6 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 4 9 1 3 4 2 0 1 3 0 2 - 0 0 3 6 - 0 3 0 引 言 科里奥利质量流量计其最大的特点就是能够直接 测量流体 的质量，它不但具有准确性 、重复性、稳定 性 ，而且在流体通道内没有阻流元件和可动部件 ，因 而其可靠性好 ，使用寿命长 ，还能测量高粘度流体和 高压气体 的流量。目前在汽车用的清洁燃料压缩天然 气 C NG 、能源及航天等工业部门得到广泛的应用， 它的问世带来了流体测量技术的一次深刻变革， 成为 目前石油化工行业 的主流流量计l 1 J 。 本文就该计量计的工作原理几技术特点进行介绍。 1 质量流量计工作原 ] 科里奥利质量流量计是利用流体在直线运动的同 时处于以旋转系中， 产生与质量流量成正比的科里奥 利原理制成的一种直接式质量流量仪表 。 在此以双 u 型管质量流量计为例介绍其在天然气计量中的应用。 双 u形管结构如图 1 所示 。 图1 双U型管质量流量计结构 1 u形管工作原理 在双管型质量流量计中， 入口的分流管把流人的 介质均等的一分为二 ， 送到两根测量管中，这样保证 了 1 0 0 ％的被测介质经测量管，电磁驱动系统以固定 频率驱动 U形测量管振动， 当流体被强制接受管子的 垂直运动时 ，在前半个振动周期内，管子向上运动 ， 测量管中流体在驱动点前产生一个向下压的力， 阻碍 管子的向上运动 ，而在驱动点后产生向上的力，加速 管子向上运动，如图2所示。这两个力的合成，使得 测量管发生扭曲， 在振动的另外半周期内，扭曲方向 相反。测量管扭曲的程度 ，与流体流过测量管的流体 质量成正比， 在驱动点两侧的测量管上安装电磁感应 器 ，以测量其运动的相位差，这一相位差直接正比于 流体流过的质量流量 。 在双 u形测量管结构中， 两根 测量管的振动方向相反，使得测量管扭曲相位相差 1 8 0 。 。相对单测量管型来说 ，双管型的检测信号有所 放大，流通能力也有所提高 。 扭转 转角 力 图 2 力偶及管子扭曲的传感器端面视图 2 质量流量计计量方式 目前 ， 在国际上天然气贸易交接计量有 3种方式 第一作者简介 薛红梅，女，1 9 8 7 年生，技术员，2 0 0 9 年毕业于兰州石化职业技术学院生产自 动化专业，现在中国石油兰州石化公司计量部从 事计量技术与管理工作。邮编7 3 0 0 6 0 量 济 句 2 0 1 3年 第 2 7卷 第 2期 薛红梅等 科里奥利质量流量计在天然气计量中的应用 3 7 一 是质量计量 ；二是标准参比条件下的体积量计量 ； 三是标准参 比条件下的能量计量 ；这 3种计量方式 中，质量流量计都能够单独或配套其它设备完成。 2 质量计量及标况体积计量 1 由于质量流量计能够直接测量天然气的瞬时 质量流量 ，在质量计量方面有得天独厚的优势 ， 不需 要其它测量设备，就可独立完成 。 2 质量流量计测得的天然气 的瞬时质量流量 ， 除以根据天然气组分计算的标准参比条件下的天然气 密度 ， 就可得到标准参比条件下的体积流量 。 其公式 Z 式 1 中 为标准参 比条件下 的瞬时体积流 量 ；q m 为瞬时质量流量 ； P 为标准参比条件下的绝对 静压力，0 ． 1 0 1 3 2 5 MP a ； 为气体的摩尔质量 ； 为 标准参 比条件下的气体压缩因子 ； R 为通用气体常数 ； 为标准参 比条件下的气体热力学温度，2 9 3 ． 1 5 k 。 从公式中可以看出 ， 不需要测量流体的温度和压 力，只需知道气体 的摩尔质量 ， 就可将质量流量转化 为标准参比条件下的体积流量 乙是 的函数 。 能量流量通过质量流量与发热量乘积计算得到 。 其公式 q q 2 式 2 中 为瞬时能量流量 ；q m 为瞬时质量流 量 ；1 -1 , 为标准参 比条件下的天然气质量发热值 。 3 质量流量计技术特点及优缺点_3 J 1 优 点 根据工作原理和结构分析，与其它流量计相 比， 质量流量计测量天然气具有以下优点 1 计量准确度高 ≤0 ． 5 ％ ，稳定性好 ，真正 实现 了高精度的直接流量测量 ； 2 量程 比高，普遍可以达到 2 01至 5 0 1 ， 有的质量流量计其范围精度已高达 1 0 0 1以上 ； 3 可测量流体范围广泛 ，包括高粘度液的各种 液体 、含有固形物 的浆液、含有微量气体的液体、有 足够密度的中高压气体， 在流量计上下游不必设置直 管段 ； 4 检测管内无可动部件 ，也无阻碍流体流动的 部件 ，使流量计更便于维护和清洗 ，使用寿命更长 ； 5 尤其适用于以质量为基础的贸易交接计量。 2 缺点 当然，质量流量计也有其不可避免的缺点，选用 时应注意以下几点 1 不能 用于测量密度太低的天然气 ； 2 对外界振动干扰较敏感 ，质量流量计对安装 固定有较高要求 ； 3 不能用于较大管径 ， 目前尚局限于 1 5 0 2 0 0 l l l l I I 以下 ； 4 有较大的体积和重量 ，压力损失较大与容积 式计量仪表相当； 5 价格昂贵 。 4 质量流量计在管输天然气计量中的应用 目前，天然气计量表多选用质量流量计 、孔板流 量计和气体涡轮流量计 ，尽管质量流量计有很多优 点， 但其仍存在不能用于大管径流量测量、 压力损失 较大、安装固定要求高等缺点，限制 了其在天然气长 输管道中的计量应用。所以， 长输管道的主流天然气 计量仪表居于超声波流量计、 涡轮流量计和孔板流量 计较多。 就我公司外接天然气而言年用量超过 4亿标 准立方米 ， 针对其用量大及管输距离长的特点供方单 位兰州输气分公司天然气末站选用了仪表 口径为 3 0 0 的差压式 孔板流量计 。 当然 ，孔板流量计也存在磨损大准确度低，量程 t L d , ，压力损失大 ，流量计前后的直管段要求长 ，占 地面积大 ， 参与检测的元件较多使维护环节增多等缺 点。近几年，由于微 电子，数字技术的进步，超声波 流量计 的发展势头异常迅猛 。 从发展趋势来看 ，由于 超声波流量计具有精确度高、性能稳定可靠、量程比 大、管道中无检测件 、维护量小等特点 ，在工程应用 及贸易交接中 ， 大有后来居上取代传统流量仪表的趋 势。此外 ，超声波流量计测量准确度受被测流体 的温 度、压力、粘度、密度等参数的影响很小 ，所以超声 波流量计的性能价格 比要远远高于孔板流量计 ，目前 超声波流量计 已经逐渐取代了孔板流量计成为天然气 贸易交接 的理想产品 。尽管超声波流量计有诸多优 点 ， 但是由于超声波流量计的测量原理为传播时间差 法， 当超声流量计的口径变． ．J , D ．- J - 其声波传播的声程变 短，传播时间也相应变短 ， 传播时间差就会很难得到 准确的测量， 这使小 口径的超声波流量计的量程比和 准确度都会下降。 气体涡轮流量计在所有流量计中属最高精确的流 量计 ，目前在国际天然气计量领域应用也较为普遍。 其特点是准确度较高 ，无零点漂移 ，抗干扰能力好 ， 量程比较宽，所需的直管段较短 ，占地面积小 。但是 气体涡轮流量计对被测介质的清洁度要求很高， 由于 涡轮流量计的叶轮容易损坏 ， 所以一般要求流量计前 38 石油仪器 P E T R oL E U M I NS T R U ME NI S 2 0 1 3年 4月 安装过滤器 ， 且在投运操作上也有很高的要求，这导 致涡轮流量计 的后期维护量增加 。 天然气计量表简明 对 比见表 1 。 表 1 天然气计量表简明对比表 孔板流量计 涡街流量计 质量流量计 超声波流量计 准确度 1 ；0 ． 5 1 ；0 ．5 0 ．5 ；0 ． 2 1 ；0 ． 5 压力损失 较大 较小 小 无 维护强度 较高 较高 较低 小 直管段上游 3 0 D 2 0 D 无 2 0 D 长度要 求 下游 7 D 5 D 无 1 0 D 根据 G B1 7 1 6 7 2 0 0 7国家标准 用能单位能源计 量器具配备与管理通则 的规定，天然气计量仪表精 度为 0 ． 5级即可满足计量要求 。加之天然气密度小 ， 相同流速下，质量流量比液体要小得多 ， 检测到的由 科氏力产生的相位差也小得多，为保证测量准确度， 应选取在测量质量相同时能产生形变较大的质量流量 计结构 。 由于 U形测量管质量流量计在相同大小的科 氏力作用下 ，测量径向距离越长的结构其形变越大， 在最大流量下 ， u形测量管测得的相位差可达到直管 测量管的 5倍，所以，测量天然气时 ，应优先选用 U 形测量管质量流量计 。 质量流量计的安装需要注意事项如下 机械安装应注意以下几个问题 1 流量传感器应安装在一个坚固的基础上。内 径小于 1 0 mm的小 口径质量流量计安装在平衡坚硬和 无振动的底面上 ， 如墙面 、地面或专门的基础。如果 在高振动环境使用， 应注意对基础的振动吸收，而且 传感器进出口与管道之间应用柔性管道连接 ； 较大口 径的流量计直接安装在工艺管道上 ， 应用管卡和支撑 物将流量计牢牢地固定 2 为防止 C MF间的相互影响，在多台流量计 串联或并联使用时 ， 各流量传感器之间的距离应足够 远 ，管卡和支撑物应分别设置在各自独立基础上。 3 为保证使用时流量传感器内不会存积气体或 液体残值 ，对于弯管型流量计，测量液体 ，弯管应朝 下 ，测量气体时，弯管应朝上 。测量浆液或排放液 时，应将传感器安装在垂直管道 ，流向由下而上 。 连 接传感器和工艺管道时， 一定要做到无应力安装以免 造成信号衰减 ， 特别对某些直管型测量管的流量传感 器更应注意 。 5 结论 虽然在近几年超声波流量计以其测量精度高、 量 程比大等优势得到了迅速发展 ， 但科里奥利质量流量 计凭借其自身的优点， 在成品油贸易计量等方面被广 泛应用，尤其对于测量小 口径 、脏污天然气等方面有 着其他计量表不可 比拟的优势。 参 考 文 献 [ 1 】胡子伯． 科里奥利质量流量计的应用及性能评定 [ J ] _ 计量 与测试技术，2 0 0 1 ，2 8 4 [ 2 ]厉玉鸣． 化工仪表及 自动化 【 M】 ． 北京 化学工业出版社， 1 9 9 9 【 3 ]仇梁． 科里奥利质量流量计的性能评定 ． 世界仪表与 自动化，1 9 9 8 ，1 1 [ 4 ]鲁轲． 影响科里奥利质量流量计测量准确度的因素 [ J J ． 河南化工，2 0 0 2 ，2 8 5 收稿 日期 2 0 1 2 1 0 - 2 6 编辑 梁保 江 上接 第 3 5页 液的密度变化均能实时显示 ，连续记录，满足钻井液 密度在线测量的需要。 1 ． 6 0 1 ．4 0 目 1 ．2 O 蟛 御 1 ．0 0 0． 8 O1 ． L【 一 {． ． L _ Li ． 2 l lLI． ． L - ． L ． 1 1 2 1 0 0 0 1 2 2 5 0 0 1 2 4 0 0 0 1 2 5 5 0 0 时间 5 0．0 4 0 ． 0 3 0 ． 0 巴 2 0 ．o N L J i i ，_L _ J 1 0 ． 0 l 3 1 0 0 0 1 3 25 0 0 图2 孤东7 3 3 - 斜更 1 2 6井钻井液密度在线测量结果 7 研 究结论 通过仪器性能的检验实验 ， 我们认为所研制的钻 井液密度在线测量装置具有以下特点 1 测量范围大，0 ． 2 0 g ／ c m。 ～ 3 ． 5 0 g ／ c m ； 2 精密度高，标准偏差小于等于 0 ． 0 0 3 l ； 3 准确度好，与 A P I 规定的钻井液密度计相比 误差 不大 于 0 ． 0 1 g ／ c m ； 4 钻井液的密度变化均能实时显示 ， 连续记录 ， 满足钻井液密度在线测量的需要 。 参 考 文 献 【 1 ]李兴胜． 俄罗斯钻井液密度传感器使用现状 [ J ] ． 钻井液与 完井液，2 0 0 9 ，2 6 1 【 2 ]李兴华． 在线密度计振动管式流体密度计 [ J ] ． 现代计 量测试，1 9 9 7 ，5 5 收稿 日期 2 0 1 2 1 0 1 3 编辑 梁保江