科里奥利质量流量计在重质燃料油计量工作中的应用及探索

茅兴智

〔中国石化燃料油销售有限公司江苏分公司 江苏南京 210000〕

法国物理学家科里奥利(Gustave-Gaspard Coriolis) 在1835年发表过的论文《物体相对运动方程》中指出，有一种不同于离心力的惯性力会作用于在匀速转动的体系中做相对运动的物体上，而这种力F=2mv×w(m为质量，v为速度，w为角速度),也就是我们后来所了解的“科里奥利力”。1952年Kollsman在他的专利研究中提出了一种测量流体质量的仪器，在仪器中他利用了一个小型马达驱使叶轮旋转将液体吸入，并利用另一个旋翼感应液体加速带来的扭转力，虽然他在自己的设计中使用了科里奥利力，但是他未在自己专利中提及。尽管后期也有不少学术论文涉及到相关理论，但是却在科里奥利质量流量计的研究中只是浅尝辄止，直到1958年White RB在专利中明确将自己的设计名称描述为科里奥利力质量流量计(Coriolis mass flowmeter)。最早研发的科里奥利质量流量计是一种采用直管作为震动管的流量计，通过马达和凸轮的转动带动震动管震动，并使用动态应变仪或者力矩马达对流过液体的质量进行检测。Sipin AJ 在1967年发表的质量流量计论文中提出使用弯曲程度达到90°的弯管可以替代直管。在过去的科研中质量流量产生的扭矩往往会直接被用于测量流体的质量，但是科里奥利力是一种极小的力，如果使用扭矩用于直接测量液体质量往往得到的结果并不准确。为了增加准确性，也有人将震动管入口处信号和出口信号处的相位差作为解决问题的方法。然而，相位差往往与驱动频率有关，因此也不能准确体现流体的质量。最终，入口与出口信号的时间延时克服了上述的困难，为现代科里奥利质量流量计的发展奠定了理论基础。在20世纪末，不少的研究者提出了两条U行管的设计(Smith 和 Cage,1994年)，也有提出采用两条平行直管的流量计，逐渐形成了现代科里奥利质量流量计。20世纪70年代科里奥利流量计由美国MoicroMotion公司逐步推向市场，其他公司如Fisher、E+H等公司也相继进行开发，如今科里奥利质量流量计已在市场走向成熟。

1 现代科里奥利流量计的原理及构成

1.1 科里奥利流量计的原理

科里奥利流量计主要采用的原理是牛顿第二运动定律F=ma,流体在通过流量计的检测系统，会受到震动管的垂直动量，同时流体与加速度a产生一种向心力F作用于管子上，使震动的管子发生扭曲，管子向上震动，而流体向下抵抗管子震动的力。在没有液体流过震动管时，管子的入口与出口的检测器没有相位移动，信号处于同相位的状态；如果有液体流过，震动管产生扭曲，入口与出口的检测器出现相位差，同时产生信号之间的时间差，产生的时间差乘以流量的相关系数就能够得到流过震动管的液体质量。同时，质量流量计还可以测量流过液体的密度计温度，实现多参数的输出。

1.2 质量流量计的构成

现代质量流量计(见图1)一般主要包含两个部分，一个是流量传感器，另外一个是流量转换器。流量传感器通常至少由一个震动管、驱动系统、运动传感器，附加传感器及支撑结构组成；流量转换器是一种电子控制系统，它可以通过接收流量传感器的信号进行处理，并输出测量参数。质量流量计的种类较多，在欧美国家根据震动类型分类，通常分为光束形(beam mode)、壳形(shell mode)等；根据出入口的路径也可分为单管形、双管形及多管形；根据震动管形状，也可分为直管、弯管等。

图1 现代质量流量计

2 科里奥利流量计在重质燃料油计量应用的探索

2.1 科里奥利质量流量计在重质燃料油中的研究与运用

在中石化出版的《现代燃料油品手册》中，将重质燃料油从广义上定义为，用于炉内燃烧以产生热量或者用于发动机以产生动力的液体石油产品的总称。狭义是比重柴还重的供燃烧的油料。在欧美及亚洲国家对重质燃料油都有一定的规格标准，如美国的SATM D396，日本的JIS K2205。燃料油主要的用处是用于锅炉或者大型船舶。由于重质燃料油的黏度大，容易结渣，需要一定的温度才能保证流动性。同时，由于重质燃料油的特性，很可能因为操作过程中的某些原因使得流动中的油品夹杂空气，引起计算的误差，因此在流体的计量方面存在一定的困难。

目前测量重质燃料油的主要方法是人工检尺，特别是在油船上。但是，由于该方法会受到人员因素影响，比如：计量操作不规范，读数错误，计算有误或仓容表不准确等，因此在计量时存在一定的误差；部分公司采用的是椭圆齿轮流量计，因为这种流量计的价格相对便宜，但是该种流量计由于本身构造的原因精确度较质量流量计相对低，同时重质燃料油流量较大时可能对管道的压损严重，会出现流量计损坏的问题，因此在国际上逐步开始尝试使用质量流量计对重质燃料油进行计量。特别是在近几年，质量流量计的使用已经开始转向液体与气体两相混合物的计算，2017年11月牛津大学Micheal Tombs等人发表的《2相科里奥利质量流量计对高黏度油的计算》中，实验人员使用科里奥利流量计测量了黏度从50mm2/s至500mm2/s的重质燃料油，并且实验温度是15℃至60℃不等，结果表明，即使油品的气体分数达到90%，科里奥利质量流量计依然能够呈现出较好的计量效果，总体误差率基本可维持在2.5%以下，满足了GOST R8.615的要求。

2.2 科里奥利流量计在重质燃料油计量过程中存在的问题

科里奥利质量流量计是一种有很强的故障诊断能力的仪表，可以使用欧姆表对流量计的电阻和电压进行检测查找事故原因；质量流量计较一般的压差流量计精确。然而质量流量计在使用时也存在一定的问题：

(1)零点漂移是质量流量计一个重要的问题，并且该问题对测量结果有很大的影响。零点漂移产生原因有很多种，如安装不符合要求，被测液体的物理性质发生变化，双管的震动频率不一致等。因此，在日常运用过程当中，需要对该类流量计进行调零，而且要预防传感器中的液体排空，并且关闭传感器下的阀门，确保在工作温度下进行调零。

(2)温度是保证重质燃料油流动性的重要因素。在船用燃料油的日常输转中，如180mm2/s，380mm2/s有时需要保持在50～60℃，在冬季可能对温度的要求更苛刻，但是高温会影响震动管的刚度和大小，这个问题与震动管使用的材料性质有一定的关系。

(3)压力也是一个重要因素，流量的提升，压力损失也会上升。因此，在选择科里奥利流量计时要考虑流量的范围。类似于重质燃料油这种黏稠的液体，在加大流速后会产生比轻质燃料油更大的压力,压力损失明显增加，最后的测量结果也不准确。

(4)液体处于高速流动的状态也会影响流量计的计量作业，特别是重质燃料油所使用的泵是螺杆泵，需要巨大的吸力。因此，燃料油在震动管中的流速增大会影响震动管的刚性。

(5)多相流也对质量流量计的测量结果有很大影响。而重质燃料油经常可能会夹杂着气泡、或者由于气温较冷暂时未融化开的凝结部分。因此，不仅会影响流量计的使用，还会堵塞震动管，目前已经有很多研究投入到对多相流的研究。

2.3 科里奥利流量计在未来发展的趋势

在校准和计量的领域里，科里奥利流量计已经开始被很多国际性实验室所使用，同时科里奥利流量计的在线检定技术也在逐步发展。因此在牛津大学Tao Wang 及Roger Baker的 2014年的研究中提出科里奥利流量计在未来要不断加强校准的准确性，以及智能在线检定技术将逐渐成为该类学科的研究方向。

然而转向重质燃料油市场，科里奥利流量计在尺寸方面的增大及测量能力的提升会成为一个重要课题。因为重质燃料油主要用于远洋海船，而海船的吨位较大，需要的燃料油量多，因此大型的流量计是非常需要的。同时结合在上一部分提出的问题中，科里奥利质量流量计在震动管的选材方面也是一项值得研究的问题。考虑到燃料油的黏度大，在流动过程中产生较大的压力，震动管的材质要能抵抗加大的压力，并且能够确保长时间使用后的材料依然维持较好的刚性；重质燃料油的储存温度条件比一般轻油要苛刻，该类材质也需要能够抵抗住高温带来的形变；同时有部分研究者开始逐步研制能够测量高速流体及低速流体或超低速流体的质量，采用多管设计，这更加减少黏度较大液体测量后的误差。最后，质量流量计一直在行业中是一种花费较多的器材，因此在未来的发展过程中生产成本的控制，标准化的实现以及新功能的增加会成为该类流量计的发展方向。

3 结束语

科里奥利质量流量计在重质燃料油市场中扮演着重要角色。虽然由于其成本较高，部分公司并未完全使用该类流量计，但是考虑到未来行业发展及市场对商业交接数量准确性的要求，必然会促使该类流量计的普及。随着油气计量行业的不断进步，新规范与新标准的不断完善以及对科里奥利质量流量计科研的不断投入，相信科里奥利质量流量计会克服自身的缺点，在技术改进中不断向前。