科里奥利质量流量计在成品油管道输送中的应用

张一波 谭 辉

〔1中国石化销售股份有限公司华中分公司 湖北武汉 430023；2国家管网集团有限公司华中分公司 湖北武汉 430023〕

在成品油进销存过程中，不仅涉及体积流量，也涉及质量流量的测量。它们是生产过程控制、数质量管理、经济核算和贸易交接等活动的重要依据。科里奥利质量流量计问世前，以往的质量流量测量方法是在测量流体的密度、体积、温度、压力等参数后，通过修正、换算和补偿等间接得到的。这种测量方法中间环节多，累计误差大，测量的准确度难以得到保证。随着科学技术的发展，直接测量质量流量的科里奥利质量流量计应运而生。科里奥利力，英语Coriolis effect，简称科氏力，是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述。质量流量计是科里奥利力的典型应用。科里奥利力仅与流体的质量和运动速度有关，从理论上消除了温度、压力、流体状态、密度等参数的变化对测量精度的影响，直接获得各种介质在复杂环境条件下精确的流量值和密度值，不需要经过中间参数的转换，避免了因中间转换产生的测量误差，从而实现高准确度的精准测量。在实际应用过程中，可提高贸易交接和经济核算计量方面的精确度，避免不必要的损失，保证公司的经济效益。

1 科里奥利质量流量计的结构特点和工作原理

1.1 质量流量计的结构和特点

科里奥利质量流量计(Coriolis Mass Flowmeter)简称科氏力流量计，质量流量计的测量完由传感器和变送器两大部分构成。

(1)传感器。目前在用的质量流量计传感器绝大多数是某公司生产的CMF系列“U”型弯管传感器(带核心处理器)。现场质量流量计安装如图1。

图1 现场质量流量计安装图

(2)变送器。目前，成品油输油管道在用的质量流量计变送器大多数是1700R系列或2700R系列，与传感器核心处理器采用的4芯电缆连接。变送器一般可以输出三种类型的信号:4～20 mA DC模拟量、脉冲、数字通讯。其中4～20 mA DC模拟量可以组态为瞬时流量、密度或温度;脉冲信号可以组态为质量流量或体积流量;通讯接口可以输出瞬时流量、累积流量、密度、温度以及流量计的诊断信息。

质量流量计变送器见图2。

1.2 质量流量计的工作原理

科里奥利力立足于旋转体系，被认为有一个力驱使质点运动的轨迹发生偏移，这个力就是科里奥利力。质量流量计让被测量的流体通过一个转动或者振动中的测量管，流体在管道中的流动相当于直线运动，测量管的转动或振动会产生一个角速度，由于转动或振动是受到外加电磁场驱动的，有着固定的频率，流体在管道中受到的科里奥利力仅与其质量和运动速度有关，而质量和运动速度即流速的乘积就是需要测量的质量流量。目前的产品均代之以管道振动产生这个角速度。

目前使用的质量流量计传感器绝大多数是CMF系列“U”型弯管，下面以弯管型传感器为例进一步说明质量流量计工作原理，如图3(剖视图)。

图3 质量流量计工作原理图

驱动线圈(激励单元)驱动流量管以其特定频率向相对方向振动，流体流入传感器后被平分成两部分流入两根流量管中，介质流体流经传感器的振动管，就会在振动管上产生科氏力效应，使两根振动管扭转振动，安装在振动管两端的检测线圈(测量单元)将产生相位不同的两组信号，这两个信号的相位差与流经传感器的流体质量流量成比例关系。当流量管振动但流量为零时，不会产生科里奥利效应，因此形成的正弦波会相互重合,如图4。

图4 无流量时流量信号曲线

当流量不为零时，两根流量管都会产生科里奥利力，这些力会使流量管彼此相对扭曲振动，此时产生的正弦波出现了不同步现象，两个正弦波间的时间延迟△T称为相位差，相位差乘上流量标定系数K就可以确定质量流量，如图5。

图5 有流量时流量信号曲线

流量标定系数K值在质量流量计测试检定中得出，写入核心处理器中，例：

K=4.5523值具体含义为每产生1us相位差时对应的质量流量为4.5523 g/s,温度修正系数为Ftc=5.13 %，代表温度变化100 ℃时由于流量管刚性变化而引起的流量百分比误差。质量流量表达式为：Qm=K×(△T-To) ×(1-T℃×Ftc)。

表达式中：△T为有流量时产生的相位差，(μs);To为传感器无流量时的相差;T℃为传感器流量管的温度。质量流量的累计计算工作由质量流量计变送器完成。

不同的介质流经传感器时，振动管的主振频率不同，据此可以解算出介质密度。安装在传感器振动管上的铂电阻可间接测量介质的温度。

2 质量流量计在实际应用中故障情况的分析和处理

质量流量计的精度高，优点多，在油品贸易交接中起到了至关重要的作用，但在实际应用中也出现过一些问题，下面就出现的问题进行分析和处理。

2.1 质量流量计在输油过程中出现密度值和瞬时流量值波动过大

2018年3月，某公司输油站2号CMF400质量流量计在输油作业时变送器显示面板上出现密度值、瞬时流量值剧烈跳变的现象，影响正确计量。现场检查：①分析检查2700R系列变送器电源，9号和10号接线端电源DC24 V正常,排除不能正常供电引起的数据跳变现象。②检查流量计驱动增益值，发现其超过20 % ，分析可能是气液两相造成。③工艺检查：打开流量计后端压力表两阀组排污阀，发现管线内有集气现象，采取措施对输油管线进行排气处理，同时适当关小流量计后阀，适当加大质量流量计背压，经过近30 min处理，故障解决，密度和瞬时流量数值恢复正常，显示无剧烈跳变，质量流量计恢复正常工作。

2.2 质量流量计在停止输油后出现振动大和非正常噪音

2016年2月，某公司输油站3号台进站质量流量计计量偏差过大，同时在停止输状态下出现振动大和非正常噪音情况。现场检查：①检查流量计驱动增益值60 %，K1和K2系数值正常，分析流量计传感器内存在不满管或气液两相。②检查工况，流量计前后阀和油罐进料阀都未关闭。③现场查看安装环境，质量流量计安装位置相对进站管线处于低位，但实际上油罐在远处地下5 m，质量流量计海拔高度比油罐零位高5 m，质量流量计实际的安装位置在相对的高位。分析认为：流量计前后阀和油罐进料阀未关闭，造成质量流量计传感器内存在局部气穴现象。当管线停输后，质量流量计附近的油品因为落差而回流入油罐，造成此处不满管，形成气液两相发出非正常噪音和振动偏大现象。通过进一步了解，因为建站时土地征收问题，设计院设计只能就近选址，对质量流量计安装位置未考虑周全，造成质量流量计在整个管输系统中落差偏高，无法改变。后续只能从工艺上想办法，停止输油后关闭质量流量计前后阀，接收安庆炼厂来油时调整后阀开度，保证质量流量计有一定的背压。通过后续连续观察，质量流量计工作正常，读数稳定，计量准确，处理效果极佳。

2.3 质量流量计在停止输油状态下出现小流量

2019年4月，某公司输油站新投用的3号CMF300质量流量计在停止输油状态下1700R系列变送器显示面板上出现小流量1.28 t/h，同时质量及体积累加量不断增加，影响正常的贸易交接计量，仪表维护人员携带475手操器及检修工具到达现场查看：①检查报警代码，同时检查流量计前后阀，发现前后阀关闭严密，无内漏现象，排除内漏引起小流量。②质量流量计显示的密度值在标准范围内。③检查传感器介质满管符合要求。④检查安装环境周边无强电磁环境，排除电磁干扰引起小流量。⑤475HART通讯检查质量流量计零点值较原来记录0.02偏高，分析发现质量流量计零点漂移。仪表维护人员对质量流量计按规范要求进行零点调校3次后再观察小流量显示为0.6 t/h。进一步分析检查应力情况，松开质量流量计传感器一端检查，发现流量计传感器与管线不同心，偏差和应力都较大。通过分析得出，安装应力过大引起零点偏移产生小流量。鉴于不具备动火改造条件，仪表维护人员暂时加大小流量切除值为0.6t/h，故障解决，流量计恢复正常工作状态。后续仍需在输油站具备改造动火条件后采取与管道同轴安装等办法消除应力影响。

2.4 质量流量计在检定回装后显示瞬时量-138t/h

2018年12月，某公司输油站4号质量流量计检定回装充满油后显示瞬时量-138t/h,仪表维护人员到达现场后：①检查工艺前后阀关闭严密；②检查报警代码；③检查驱动增益值正常；④检查温度正常；⑤检查密度值较正常值偏高。通过分析判断，问题应该出在检测线圈上，断电取下核心处理器，检查发现检测线圈左侧对传感器外壳阻值不正常，存在短路现象，查其它阻值正常。后续经了解发现，流量计检定拖回装卸过程中变送器和传感器都出现失误跌落现象，该故障用户无法修复，后续只能采取返厂维修或重新采购传感器处理。

3 质量流量计的安装、使用和维护等方面的要点

通过对质量流量计使用过程中出现的故障进行处理、分析和总结后，发现质量流量计不能正常工作的原因大部分是受安装不规范和介质流体工艺状况的影响，日常检定拆卸回装过程中出现的问题也不能忽视。

3.1 严格规范安装质量流量计

3.1.1 安装不规范产生的应力影响

质量流量计传感器两侧的管道不在同一水平面或不对中，管道法兰与管道不垂直，预留法兰间距过大或过小(>10 mm)，管道法兰与传感器法兰的螺栓孔不对齐等因素的影响都会产生应力，应力使电磁检测探头产生不对称，导致零点变动。

调零概念：在实际使用过程中，零流量时，前后检测线圈相位差(△T)间的基准偏移被确定,这个过程称为调零。

3.1.2 振动的影响

科里奥利质量流量计的测量原理和结构决定了外界振动会对其造成影响，所以在保证质量流量计传感器和管线同轴安装的同时，质量流量计两端还需要加支撑固定，严禁由外部物体支撑在传感器上或以传感器作为管道支撑，以消除振动对质量流量计的影响。

3.1.3 电磁环境的影响

科里奥利质量流量计的测量原理中，激励磁场决定了大功率电磁环境会对其造成影响，所以流量计的安装应尽量远离变压器、变频器、大功率电机等强干扰设备。

3.1.4 安装位置的选择

安装质量流量计应该参考整个管输系统，严格考虑安装位置，防止测量过程中产生气液两相。测液体介质，流量计传感器应该朝下安装；测量气体介质时，流量计传感器应该朝上安装；测量浆液介质时，应该旗式安装。

3.2 介质流体工艺状况对质量流量计的影响

质量流量计在实际使用中，与检定过程的介质流体工艺状况很难达到一致，实践研究发现其在一定程度上会受到温度、压力的影响，特别是气液两相的影响，从而影响其正常工作和计量精度。

3.2.1 介质流体温度及介质流体压力的影响

质量流量计在设计时考虑有温度补偿修正的功能，这里主要阐述实际使用情况下，介质压力对质量流量计的影响。质量流量计在测量过程中，压力偏离标定压力会引起传感器灵敏度的变化，从而导致质量流量计产生一定测量误差。作为贸易交接使用的质量流量计，该误差需要引起重视。Emenson公司测试研究出不同型号传感器测量灵敏度受过程压力变化而变化的误差对照表，如表1。

表1 传感器测量灵敏度受过程压力变化而变化的误差对照表

从表1可以看出，Emenson公司的大口径质量流量计受压力变化的影响比较明显，在贸易交接时需要考虑。实际使用过程中，在机柜间流量计算机内做了压力补偿修正，同时在输油作业时，采取下载调解阀调压控制，从而保证质量流量计的测量精度，不影响贸易交接。

3.2.2 介质流体出现气泡，团状流或气液两相的影响

当管道内介质出现气泡，团状流或气液两相运行时，将直接影响质量流量计的正确计量。介质的状态对测量的影响取决于流体中气体分布的情况。液体含气泡时，质量流量计读数变化取决于气泡的大小和数量；液体为团状流，杂乱的读数取决于气团的大小和频率；气液两相流严重时，质量流量计会产生极端的读数跳变，巨大的误差，流量计甚至可能会转向故障报警模式。所以，在输油作业过程中要将质量流量计的后阀缓慢开启，调整质量流量计的背压(背压是指传感器下游端口处流体的压力)。保证质量流量计传感器中有足够背压，防止被测介质汽化，产生气蚀现象；使被测介质始终充满传感器内测量管，避免出现介质不满管或气液两相导致的测量结果不准确、数值跳变，从而保证质量流量计的正常工作和精确测量。

3.2.3 介质流体流速的影响

在实际使用过程和Emenson公司测试研究中发现，输送流体的流量最好稳定在质量流量计额定流量的60 %～80 %之间，这有利于保证质量流量计运行的精度和稳定性，运行流量的波动量一般不要超过±10 %。

3.3 检定拆卸回装过程中的影响

质量流量计属于高精度精密仪器仪表，检定拆卸回装过程中一定要注意轻拿轻放、防跌落，否则可能会对其造成不可逆转的伤害。

4 结束语

科里奥利质量流量计的发明是科技界苦苦求索几十年的结果，它的问世带来流体测量技术的深刻变革，科里奥利质量流量计实现了质量流量的直接测量，具有高精度，可测多重介质和多个工艺参数的特点，广泛应用于石化、制药、食品等行业。

想要保证质量流量计的正常可靠工作，安装过程中务必考虑安装应力等因素的影响，严格规范安装；使用过程中，仪表维护人员和操作人员应考虑流体介质、管输流量、背压的影响，关注质量流量计的零点、活零点、小流量切除值、压力、驱动增益值，使用过程中都应对以上因素进行综合分析。在检定拆卸回装过程中，一定要轻拿轻放，确保质量流量计传感器和变送器的完好，确保计量精度达到要求，保证贸易交接的顺利进行。