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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；q_m—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。