隨著LNG（液化天然氣）行業(yè)的快速發(fā)展，科里奧利質(zhì)量流量計(jì)大量應(yīng)用于LNG計(jì)量，而其在冷深介質(zhì)中的計(jì)量精度卻很難確定。本文以液氮作為測(cè)量介質(zhì),探索了LNG質(zhì)量流量計(jì)的幾種檢定方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

0.引言

隨著 LNG（液化天然氣）行業(yè)的快速發(fā)展，科里奧利質(zhì)量流量計(jì)作為一種高精度直接式質(zhì)量流量計(jì)，具有可以測(cè)量質(zhì)量、溫度、密度等多參數(shù)，安裝無(wú)上下直管段等優(yōu)勢(shì) , 大量用于 LNG 行業(yè)，且多數(shù)都應(yīng)用于貿(mào)易結(jié)算。在使用過(guò)程中實(shí)際精度尤其重要，但是現(xiàn)在國(guó)內(nèi)卻沒有一套對(duì)于 LNG 質(zhì)量流量計(jì)成熟可行的檢定方法。

1.科里奧利質(zhì)量流量計(jì)工作原理

科里奧利力簡(jiǎn)稱科氏力，是對(duì)旋轉(zhuǎn)體系中進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)由于慣性相對(duì)于旋轉(zhuǎn)體系產(chǎn)生的直線運(yùn)動(dòng)的偏移的一種描述。

在旋轉(zhuǎn)體系中，進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)，由于慣性而有著原有運(yùn)動(dòng)方向繼續(xù)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。但是由于體系本身是旋轉(zhuǎn)的，在經(jīng)歷一段時(shí)間的運(yùn)動(dòng)后，體系中點(diǎn)的位置會(huì)有所變化，而它原有的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)方向和位置變化后的運(yùn)動(dòng)方向會(huì)有所變化，導(dǎo)致其運(yùn)動(dòng)方向變化的力即是科氏力。

科里奧利質(zhì)量流量計(jì)是利用流體在直線運(yùn)動(dòng)的同時(shí)處于另一旋轉(zhuǎn)體系中，產(chǎn)生與流體的質(zhì)量流量成正比的科里奧利原理制成的一種直接式質(zhì)量流量?jī)x表。該科里奧利力 F 會(huì)造成振動(dòng)中的測(cè)量管發(fā)生扭轉(zhuǎn)，如圖 1 所示。

科里奧利質(zhì)量流量計(jì)在測(cè)量管進(jìn)端和出端各有 1 個(gè)信號(hào)檢測(cè)器，被科氏力扭轉(zhuǎn)的振動(dòng)管進(jìn)端和出端的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同步，會(huì)被檢測(cè)器檢測(cè)到一個(gè)時(shí)間差 , 該時(shí)間差與質(zhì)量流量成正比。如圖 2 所示。

目前的 LNG 應(yīng)用過(guò)程中溫度一般為 -160 ～ -120℃ , 與環(huán)境溫差大，***大的時(shí)候可能會(huì)到 200℃左右。因此 , 在管路中普遍存在氣化現(xiàn)象形成氣液混合多相流 。科里奧利質(zhì)量流量計(jì)現(xiàn)大量使用在 LNG 計(jì)量中，其可以直接測(cè)量密度就很好地用于介質(zhì)狀態(tài)判斷。例如不同流量時(shí)，密度的變化流量從 34kg/min 下降至 20kg/min，密度變化明顯，流量計(jì)內(nèi)部出現(xiàn)氣液混合狀態(tài)對(duì)流量計(jì)的計(jì)量造成影響。如圖 3 所示。

2.檢定系統(tǒng)

本套檢定系統(tǒng)是使用相對(duì) LNG 溫度更低、安全性相對(duì)較高的液氮作為檢定介質(zhì)，可以更大程度地模擬 LNG 應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)。本系統(tǒng)共設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)表法、靜態(tài)質(zhì)量法、動(dòng)態(tài)質(zhì)量法 3 種方法檢定，主要由液氮儲(chǔ)罐、潛液泵、真空管路、低溫?fù)Q向閥、電子天平、標(biāo)準(zhǔn)表、管路統(tǒng)計(jì)、控制系統(tǒng)等組成。圖 4、圖 5 分別為工藝流程圖和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

主要設(shè)備低溫潛液泵使用 LFP50-32 可為系統(tǒng)提供 20m3/h 的液氮輸送能力，標(biāo)準(zhǔn)表與被測(cè)表選用 LNG 加氣機(jī)中大量使用的 CMF100 和 AMF025 兩款質(zhì)量流量計(jì)，電子天平選用量程 800Kg、檢定分度值 20g 的高精度電子天平。

3.檢定方法

3.1 標(biāo)準(zhǔn)表法

以標(biāo)準(zhǔn)科里奧利質(zhì)量流量計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)器，利用流體力學(xué)連續(xù)性原理，使液氮在相同時(shí)間間隔內(nèi)連續(xù)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)和被檢流量計(jì)，由標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)得出標(biāo)準(zhǔn)流量值，與被檢流量計(jì)得出的流量計(jì)比較，從而確定被檢流量計(jì)的計(jì)量性能。簡(jiǎn)化工藝流程如圖 6 所示。

啟動(dòng)控制系統(tǒng)使系統(tǒng)進(jìn)入預(yù)冷狀態(tài)，這時(shí)儲(chǔ)罐的液氮將會(huì)流入到低溫潛液泵、流量計(jì)、管路，使整個(gè)系統(tǒng)管路設(shè)備溫度下降，當(dāng)系統(tǒng)滿足預(yù)冷條件時(shí)自動(dòng)停止工作預(yù)冷流程；完成預(yù)冷后啟動(dòng)設(shè)置對(duì)應(yīng)需要檢定的流量點(diǎn)然后進(jìn)入檢定狀態(tài)；開始檢定時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)表流量、密度、溫度、增益等數(shù)據(jù)，判斷當(dāng)前系統(tǒng)是否達(dá)到計(jì)量狀態(tài)，即可采集標(biāo)準(zhǔn)表與被測(cè)表當(dāng)前累積值記錄為起始累積，在 1min 后采集標(biāo)準(zhǔn)表與被測(cè)量當(dāng)前累積值記錄為結(jié)束累積，標(biāo)準(zhǔn)表累積差與被測(cè)表累積差進(jìn)行比較，計(jì)算出誤差。反復(fù)采集多次就可計(jì)算出對(duì)應(yīng)重復(fù)性。測(cè)試數(shù)據(jù)見表 1。

3.2 靜態(tài)質(zhì)量法

靜態(tài)質(zhì)量法相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)表法設(shè)備上需要增加換向器、鋼瓶、電子天平等設(shè)備設(shè)備。使用低溫潛液泵作用將儲(chǔ)罐的液氮經(jīng)過(guò)被測(cè)表、換向器打入到鋼瓶，***后通過(guò)電子秤測(cè)量出打入液氮的質(zhì)量。簡(jiǎn)化工藝流程如圖 7 所示。

啟動(dòng)控制系統(tǒng)使系統(tǒng)進(jìn)入預(yù)冷狀態(tài)，這時(shí)儲(chǔ)罐的液氮將會(huì)流入到低溫潛液泵、流量計(jì)、換向器、管路，使整個(gè)系統(tǒng)管路設(shè)備溫度下降，當(dāng)系統(tǒng)滿足預(yù)冷條件時(shí)自動(dòng)停止工作預(yù)冷流程；系統(tǒng)預(yù)冷完成后對(duì)鋼瓶進(jìn)行一次液氮充裝，使鋼瓶溫度預(yù)冷；完成預(yù)冷后啟動(dòng)設(shè)置對(duì)應(yīng)需要檢定的流量點(diǎn)和檢定量，然后進(jìn)入檢定狀態(tài)。開始檢定時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)表流量、密度、溫度、增益等數(shù)據(jù)判斷當(dāng)前系統(tǒng)是否達(dá)到計(jì)量狀態(tài)；未達(dá)到計(jì)量狀態(tài)時(shí)，液氮通過(guò)換向器直接回流至儲(chǔ)罐；當(dāng)達(dá)到計(jì)量狀態(tài)時(shí)，換向器切換到鋼瓶方向充裝，同進(jìn)記錄被測(cè)表當(dāng)前累積為起始累積，待充裝至檢定量時(shí)換向器切換到儲(chǔ)罐方向，記錄下被沒測(cè)表當(dāng)前累積為結(jié)束累積，被測(cè)表累積差與電子天平讀數(shù)進(jìn)行比較，計(jì)算出誤差。反復(fù)采集多次就可計(jì)算出對(duì)應(yīng)重復(fù)性。測(cè)試數(shù)據(jù)見表 2。

3.3 動(dòng)態(tài)質(zhì)量法

動(dòng)態(tài)質(zhì)量法與靜態(tài)質(zhì)量法在主要設(shè)備上只有換向器可以使用閥門直接替換，其他設(shè)備不變。使用低溫潛液泵作用將儲(chǔ)罐的液氮經(jīng)過(guò)被測(cè)表、閥門 V2 充裝至鋼瓶，采集數(shù)據(jù)時(shí)需要同步采集流量計(jì)累積與稱讀數(shù)。簡(jiǎn)化工藝流程如圖 8 所示。

開始檢定之前預(yù)冷操作與靜態(tài)法相同。開始檢定系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)表流量、密度、溫度、增益等數(shù)據(jù)判斷當(dāng)前系統(tǒng)是否達(dá)到計(jì)量狀態(tài)：未達(dá)到計(jì)量狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)控制 V1 關(guān)、V2 開液氮直接回流至儲(chǔ)罐，當(dāng)達(dá)到計(jì)量狀態(tài)時(shí)時(shí)系統(tǒng)控制 V1 開、V2 關(guān)鋼瓶方向充裝，等待流量穩(wěn)定時(shí)，同時(shí)記錄被測(cè)表當(dāng)前累積以及電子天平讀數(shù)為起始累積；待檢達(dá)到檢定量時(shí)，記錄被測(cè)表當(dāng)前累積以及電子天平讀數(shù)為結(jié)束累積，被測(cè)表累積差與電子天平讀數(shù)差進(jìn)行比較，計(jì)算出誤差。反復(fù)采集多次就可對(duì)應(yīng)計(jì)算出對(duì)應(yīng)重復(fù)性。測(cè)試數(shù)據(jù)見表 3。

靜態(tài)質(zhì)量法的重復(fù)性為***差的檢定方式，并且在檢定過(guò)程中人為操作方式、操作時(shí)間都會(huì)直接影響整個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)。例如在加注完成后人為拔下加氣機(jī)的操作，以及軟管結(jié)冰結(jié)霜程度不同，都會(huì)直引入不確定度。在換向器方面，由于低溫導(dǎo)致?lián)Q向器密封可靠性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、泄露檢測(cè)及重復(fù)性都存在問題。

動(dòng)態(tài)質(zhì)量法在 3 種檢定過(guò)程中數(shù)據(jù)重復(fù)性可以基本達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)表法的重復(fù)性，但在多次測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，幾次測(cè)試誤差差異較大，主要由于電子天平與流量計(jì)反應(yīng)特性差異，造成采集滯后，連接軟管應(yīng)力導(dǎo)致秤讀數(shù)差異等因素。

4.3 種檢定方式比較

標(biāo)準(zhǔn)表法從數(shù)據(jù)上看為 3 種檢定方法中重復(fù)性***好的檢定方式，同時(shí)也是操作***為便捷的檢定方式，但通過(guò)多次測(cè)試以及連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試流量計(jì)誤差會(huì)變化。國(guó)內(nèi)還沒有對(duì) LNG 流量計(jì)進(jìn)行檢定的深冷介質(zhì)的檢定裝置，所以在實(shí)際應(yīng)用中 LNG 流量計(jì)的精度就很難確定。

5.結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì) 3 種檢定法的測(cè)試，3 種方式都有其對(duì)應(yīng)的優(yōu)劣勢(shì)。就現(xiàn)狀而言，標(biāo)準(zhǔn)表法為相對(duì)比較可行的檢定方式，但國(guó)內(nèi)急需可以對(duì)標(biāo)準(zhǔn)表標(biāo)定的深冷檢定系統(tǒng)，而靜態(tài)質(zhì)量法與動(dòng)態(tài)質(zhì)量法在解決了上述問題后是可選取的方式。