科里奥利质量流量计压力影响仿真与实验研究

邱 惠,刘治华,魏 娜

(中石油管道有限责任公司 西气东输分公司,上海 200122)

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[1-3].

科里奥利流量计由两部分组成,一是流体从中流过的机械传感器,另一部分是流量计量变送器.传感器由外壳、微振动测量管、振动器和信号检测器及温度补偿元件组成.当流体通过测量管时,由于科氏力的作用,测量管发生微小的扭曲,导致振动时的相位差转换为线性的电信号输出.变送器接收信号对其处理,就可显示出计量流体的质量.

由于科里奥利质量流量计可以直接测量得到天然气的质量流量,故越来越多地用于公司内部压缩机燃料气和自用气计量；但也存在一定的问题,例如国内至今仍没有针对天然气质量流量计应用研究与性能评价的结论.关于天然气质量流量计性能测试方面的论文可供参考的不多,是否可以用水或空气代替天然气作为介质检定;在不同压力条件下,质量流量计的测量结果是否可靠;在使用期间流量计的计量性能是否稳定;是否会出现漂移和其他影响因素等这些问题[4-5]均需要深究.

对在不同压力条件下分别用水与天然气介质的检定测试结果进行分析评价,以认证用水代替天然气对质量流量计进行检定校准的可行性,哪一种结果更接近现场,其性能指标和测量结果如何[6].

本文选取三台不同型号、不同口径的科里奥利流量计进行测试实验,依据检定规程获得实验

数据.由于流量计新旧程度不一,相关测试结果不能完全表征对应的品牌性能,为避免误会,流量计的编号用字母代替.具体流量计信息如表1.

表1 被测流量计信息汇总

1 水流量测试

根据检定规程,利用静态质量法水流量标准装置,相关测试在浙江省计量科学研究院开展,装置测试流量范围为(0.2～220)t/h,相对扩展不确定度为0.05%(k=2).连接好装置、配套仪器以及流量计的电路,选用脉冲输出方式,手动启动水流量装置系统,使管道充满静态水介质,关闭两端阀,对仪表进行调零操作.根据规程,依次按照Qmax、0.5Qmax、0.2Qmax、Qmin、Qmax的流量点顺序,测试并记录数据,每个流量点测试三次.

测试的误差与重复性曲线如图1-3.

图1 流量计A水测试实验结果Figure 1 Water test results of flowmeter A

图2 流量计B水测试实验结果Figure 2 Water test results of flowmeter B

图3 流量计C水测试实验结果Figure 3 Water test results of flowmeter C

第i试验点的重复性按式(1)计算：

(1)

式(1)中：(Er)i—第i试验点的重复性,%.

图1～3为三种型号流量计的误差和重复性曲线,可看出误差曲线较平稳,均介于-0.25%～0.2%之间,且均存在正偏差;重复性曲线有一定规律：在流量为10 t/h之后,重复性曲线会有明显的下降,随着流量的增大,曲线逐渐上升,最后趋于平稳,说明科里奥利质量流量计在大流量检测时有更好的重复性.

2 天然气测试

天然气测试在国家石油天然气大流量计量站广州分站进行,采用标准表法气体流量装置测试,其测试流量范围为(8～15 000) m3/h,相对扩展不确定度为0.29%(k=2),测试过程气路压力为7 MPa左右.关闭流量计自带的压力补偿功能,测试流程同上,三台流量计测试结果如图4～6.

图4 流量计A天然气测试实验结果Figure 4 Natural gas test results of flowmeter A

图5 流量计B天然气测试实验结果Figure 5 Natural gas test results of flowmeter B

图6 流量计C天然气测试实验结果Figure 6 Natural gas test results of flowmeter C

从测试结果看,一方面天然气的计量误差相对较大,如流量计A和流量计B最大误差均超过-0.5%,另一方面,三台流量计测试结果均为负偏差.

为对比分析流量计在不同介质下性能的差异,将三台流量计的测试数据放在同一坐标系,由于水测试和天然气测试质量流量相差较大,为便于绘图,横坐标为最大流量百分比,纵坐标为误差.相应的对比曲线如图7～9.

图7 流量计A实验结果对比分析Figure 7 Results comparative analysis of flowmeter A

图8 流量计B实验结果对比分析Figure 8 Results comparative analysis of flowmeter B

图9 流量计C实验结果对比分析Figure 9 Results comparative analysis of flowmeter C

从对比结果可以看出,测试介质为水时,流量计误差曲线较为平滑,波动较小,而介质为天然气时,则出现较为明显的波动,这和气体介质密度相对较低(为水介质1/20左右)有一定关系；另外,天然气流量标准装置自身的不确定度也比较低,也会对结果有所影响.此外,天然气测试时,其误差曲线普遍在水流量以下,平均偏移幅度在(-0.5%～-0.3%),由于测试前关闭了各自的压力补偿,初步分析应与介质压力的影响有关,因此本文拟开展相应的分析.

3 仿真分析

为分析介质压力对流量计计量特性的影响,本文在SolidWorks中建立科里奥利质量流量计的仿真模型,结构形式与尺寸按照实际流量计设置,忽略非流动管路部分.在simulation插件中选择应力分析,材料设置为不锈钢,固定管道截面,生成网格后进行计算分析[7-8].

首先对DN80流量计进行仿真,施加的载荷分别为0.1 MPa、0.5 MPa、6 MPa,用于模拟检测介质分别为空气、水、天然气时的情况.从图10的仿真结果可知,由于两端接口固定,流量计在介质压力下,最大形变处都集中在U型管的中心处.当压力为0.1 MPa、0.5 MPa、6 MPa时,直径方向最大形变分别为7.634×10-4mm、7.108×10-2mm、6.356×10-2mm,可知压力越大,对U型管的形变影响越大.

由于膨胀系数是表征物体膨胀性质的物理量,即表征物体受压时其长度、面积、体积增大程度的物理量,计算公式如下：

(2)

式(2)中:R0为膨胀前的尺寸,R1为膨胀后的尺寸.

根据上式可以计算得到三台科里奥利质量流量计在天然气测试时管路截面积的变化量,记为K1,而流量计真实流量与检测流量比值的平均值,记为K2,可知K2即近似于流量计的压力补偿系数.汇总后的仿真系数K1与实验系数K2如表2所示.从表2中数据可以看到,二者之间在数值大小和变化方向上具有较好的一致性.但由于K2由检测误差计算得来,受流量计自身性能以及检测过程影响较大,在定量评估上参考价值有限[9-10].

图10 不同压力工况仿真结果Figure 10 Simulation results under different pressure conditions

编号仿真系数K1实验系数K2A1.008 91.0061 0B1.008 91.0041 6C1.003 81.0005 8

4 结语

通过对三台科里奥利质量流量计的实验比对可知,用水作为介质和用天然气作为介质的检测结果总体一致,介质为水时,误差皆介于-0.25%～0.2%之间;天然气检测由于装置自身不确定度较低以及介质密度比水低的缘故,误差比水略大,其中两台流量计均超过-0.5%,由于关闭压力补偿,天然气检测结果存在明显的负偏移.针对测试压力对流量计产生的影响,开展了静力学仿真,结果表明压力增大会导致计量管膨胀,从而产生负偏差,与实验数据相比有较好的一致性.

初步判定科里奥利质量流量计可以用水代替天然气进行检测,但在使用时,应针对介质压力进行压力补偿.本课题将继续针对科里奥利质量流量计进行深入测试比对研究.