關鍵字：壓縮天然氣 科里奧利質量流量計

    0 前言

    人們常稱21世紀是天然氣世紀，中國天然氣黃金時代已經到來。“天然氣經濟效應”將推動我國的能源革命、環保革命、產業革命向著一個嶄新的階段發展。

    我國政府已推出一系列支持和鼓勵發展國內天然氣的政策，為促進我國能源革命向天然氣轉換，提供了有力的保證。CNG（CompressedNaturalGas，壓縮天然氣）作為一種新型高效、潔凈的汽車燃料，與燃油相比，具有以下優點，因而已在國際上，逐漸得到了廣泛的應用。

    （1）節約燃料費用，降低運輸成本：隨著國際原油價格的一再飛速上漲，燃油成本已比燃氣貴出約一倍。

    （2）安全性高：CNG自燃溫度為732℃，汽油自燃溫度為232～482℃。同時天然氣相對空氣的比重僅為0.6～0.7。一旦泄漏，可在空氣中迅速擴散，不易在戶外聚集達到爆炸極限。

    同時CNG是非致癌、無毒、無腐蝕性的。未發生過重大燃燒和爆炸事故。從國內使用十多年CNG的經驗來看，天然氣汽車比燃油汽車更安全。

    （3）CNG燃料抗爆性能好。

    CNG的抗爆性相當于汽油的辛烷值在130左右，而目前使用的汽油辛烷值最高僅在96左右，所以CNG作為汽車燃料不需添加劑。如鉛等抗爆劑。

    （4）CNG汽車具有很好的環保效果。

    使用CNG替代汽油作為汽車燃料，可使CO排放量減少97%，CH化合物減少72%，NO化合物減少39%，CO2減少24%，SO₂減少90%，噪音減少40%。而且CNG不含鉛、苯等制癌的有毒物質。所有CNG是汽車運輸行業解決環保問題的首選燃料。

    （5）燃用CNG可延長汽車發動機的維修周期。

    汽車發動機以CNG為燃料，發動機運行平穩，噪音低。無重烴可減少積碳，可延長汽車大修理時間20%以上，潤滑油更換周期延長到1.5萬km。提高了發動機壽命，維修費用降低，比使用常規燃料節約50%左右的維修費用。

    1 CNG加氣機的設計制造難點

    由于CNG汽車的上述優點，為其加注的CNG加氣機也就應運而生。但相比于傳統的加注計量裝置，CNG加氣機的設計制造，存在著諸多的難點：

    1.1 測量難度大，精度難以保證。

    （1）根據波義耳馬略特定律（即理想氣體狀態方程）：

        （1）

    式中：p為絕對壓力，Pa；V為氣體體積，m³；T為絕對溫度，K；C為常數。

    由式（1）可知，在充氣過程中，壓力的變化將直接影響體積量；同時，加氣的膨脹和壓縮過程中會產生吸放熱，引起溫度變化，也將間接影響體積量。該影響量不可忽視，在溫度變化10℃時，體積量將變化約3%。

    （2）工作壓力高（達25MPa），并且在充氣過程中，加氣站普遍采用三壓力順序充氣方式，壓力波動幅度大，給精確測量增加了難度。

    （3）密度變化大。由于天然氣是由多種成分的氣體組成，因開發地的不同而各種成分的比例含量的不同，密度是變化的。

    1.2 安全性要求高。高壓、可燃氣體、流動產生靜電。

    1.3 可靠性要求高。高壓元件、環境條件差（室外、點火干擾、雷擊）

    1.4 參數計算及控制要求高。三壓力加氣、壓力測量計算、加氣參數優化等對電腦的要求高。

    本文將主要討論精確計量的問題。因為天然氣測量的上述特點，如采用容積式流量計、速度式流量計、差壓式流量計等類型的流量計，因壓力和溫度的變化對體積的影響太大，即使采用溫度補償和壓力補償的方法也難以達到高精度的要求，況且氣體壓縮系數的影響是難以補償的，所以體積測量方法是難以達到的。

    在討論上述變量時，唯一不變的物理量，那就是質量。因此，我認為采用直接測量流體質量的科里奧利質量流量計是最好的解決方法。

    2 科里奧利質量流量計的原理和結構

    科里奧利質量流量計（CoriolisMassFlowmeter，簡寫為CMF），顧名思義，是一種直接測量流體質量的流量計。它是利用流體流過振動管道時產生的Corilois效應對管道兩端振動相位或幅度影響來測量流過管道的流體質量的。理論上，它是一種直接測量流體質量流量的精確方法。相對于容積式流量計，從機理上（理想模型）講，排除了溫度、壓力、流體狀態、密度變化、導電性的影響，具有天然的高精度，是流量計的一個發展方向。

    基于流體振動原理工作的CMF通常由流量傳感器（又名流量檢測元件、一次儀表）和變送器（又名轉換器、二次儀表）兩部分組成。傳感器部分包括測量管、驅動器和拾振器、維持振動管持續振動的反饋電路等。用于感受流體流過由激振器激振測量管時產生的科氏效應，由拾振器拾取并送到變送器。CMF的變送器主要由信號放大，流量和密度解算補償的電路和軟件，以及人機和通訊接口（顯示和輸出）等組成。用于測量與質量流量成正比例的兩路振動信號的時間差或相位差，以及與流體密度對應的測量管諧振頻率。

    CMF發展到現在已有40余種系列品種，其主要區別在于流量傳感器測量管結構上設計創新；提高儀表精確度、穩定性、靈敏度等性能；增加測量管撓度，改善應力分布，降低疲勞損壞；加強抗干擾能力等。因而測量管出現了多種形狀和結構。

    按測量管形狀可分為直形和彎曲形：由于直形測量管剛性大，管壁相對較薄，在做CNG高壓測量時，存在安全隱患。因此，目前以彎曲形為主，如：U形、S形、Ω形、B形、J形、圓環形、長圓環形等。

    按測量管段數可分為單管型和雙管型。

    按雙管型測量管段的連接方式可分為并聯型和串聯型。

    按測量管流體流動方向和工藝管道流動方向間布置方式可分為并行方式和垂直方式。

    本文將以一種典型的傳感器結構，即雙U形并聯結構來說明CMF的工作原理。基本結構見圖1。

圖1 雙U形管結構

    圖2表示了U形管的工作原理：電磁驅動系統以固定頻率驅動U形測量管振動，當流體被強制接受管子的垂直運動時，在前半個振動周期內，管子向上運動，測量管中流體在驅動點前產生一個向下壓的力，阻礙管子的向上運動，而在驅動點后產生向上的力，加速管子向上運動。這兩個力的合成，使得測量管發生扭曲；在振動的另外半周期內，扭曲方向則相反。

圖2 U形管工作原理

    測量管扭曲的程度，與流體流過測量管的質量流量成正比，在驅動點兩側的測量管上安裝電磁感應器（又稱拾振器、檢測線圈），以測量其運動的相位差，這一相位差直接正比于流過的質量流量。

    在雙U形測量管結構中，兩根測量管的振動方向相反，使得測量管扭曲相位相差180度，如圖3所示。相對單測量管型來說，雙管型的檢測信號有所放大，流通能力也有所提高。

圖3 測量管變形示意圖當

    無流體流過時（即使測量管內充滿流體），測量管處于單一振型的振動狀態，即主振動狀態，如圖4所示。在此情況下，進、出口側檢測線圈檢出的正弦波信號相位相反，相位相差180°。

圖4 無流體通過時檢測線圈輸出圖

    當有流體流過時，測量管因科氏力的作用，將產生一個與主振動同頻率的附加扭轉運動，如圖5所示。

圖5 由流體流動引起的科里奧利力

    此時，測量管處于主振動和與之同頻率的疊加振動和復合振動狀態（圖4與圖5的疊加）。進、出口側檢測線圈檢出的正弦波信號出現一相位差。如圖6所示。

圖6 有流體流動時檢測線圈輸出圖

    圖6顯示了當測量管中充滿流體，且流體有流動時，從兩個檢測線圈輸出的電壓信號，電壓信號仍為正弦波信號，但兩個信號在通過平衡位置時已產生時間差，而這一時間差的大小是和流體的質量流量成正比的，通過測量這一時間差就可以測得流體的質量流量。

    接下來推導科氏效應與流過測量管的質量流量的關系。

圖7 測量管受力變形圖

    如圖7所示，當有流體流過時，U形管的進、出口端受到大小相等、方向相反的一對力偶，即科氏力的影響而產生扭轉變形，扭轉角為θ。

    由牛頓第二定律F=ma及a=2ωv，可得：

    F=2mωv     （2）

    式中，F為測量管所受科氏力，N；m為測量管內流體質量，kg；ω為測量管振動角速度，rad/s；V為測量管內流體的流速，m/s。

    又有，測量管所受力矩M=F₁×r₁+F₂×r₂因F₁=F₂=2mωv，r₁=r₂，所以

    M=2Fr=4mωvr  （3）

    當管長為L（傳感器設計制造時已確定），時間為t時，流過測量管的質量流量Qm=m/t，流速v=L/t

    式（3）變為：

    M=4ωrQmL     （4）

    管子具有金屬性，因剛性而反彈，當剛度為Ks扭角為θ時，管子的反彈矩為：T=Ksθ

    因T=M，結合式（4），有：

    4ωrQmL=Ksθ

    所以

        （5）

    設管子的中點振動速度為v_t，有v_t=ωL。由圖7可知，

    Sinθ=v_tΔt/2r，即Sinθ=ωLΔt/2r

    這里的Δt為圖中P1、P2點在Z-Z’橫切面上的時間差，即安裝于該兩點上的檢測線圈所測得的時間差。

    當θ較小時Sinθ≈θ

    即：

        （6）

    將式（6）代入式（5）：

    

    由上式可知流體的質量流量Qm與流經檢測點P1、P2的時間Δt成正比，而與管子的振動頻率、材質以及流體的密度、粘度、壓力、溫度等物理特性無關。當管內無流動時，這對傳感器發出正弦波信號；當流體在管內流動而管子扭動時流體入口側同出口側所得的電壓信號之間產生相位差（即時間差Δt）把這一信號通過過濾、增幅后在積分產生基準流量信號，再變換為質量流量信號。

    3 CMF與CNG加氣機的結合

    本文分析了CNG加氣機計量的難題，以及CMF的原理和結構，說明了CMF是CNG加氣機計量功能的必選儀表：

    CMF是直接式的質量流量計。質量是不受流體種類（密度、粘度）和過程條件（溫度、壓力）影響的基本物理量，如測量體積流量來演算質量因溫度、壓力、密度等測量誤差而帶來的演算誤差，得到高精度是困難的。而測量對象多樣化、復合化就更需要質量流量計的直接測量。這一點正適合壓縮天然氣溫度、壓力、密度等參數變化大的工況條件。

    能測量廣范圍的流體：從液體到固體、乳劑、高壓氣體的廣范圍的流體都能測量，沒有流體妨礙部件，即使管子內面粘附物使管子內徑變小，但從原理上對精度沒有影響。因此它完全適合來測量高壓天然氣，且解決了可靠性的問題，不容易產生故障。

    高精度、高靈敏度：同一尺寸流量計的流量范圍，雖然因制造商和機種而不同，但都能測量1：20～1：100的流量范圍，準確度E和保證范圍也因生產廠家和機種而異一般為：E=±（0.1～0.2）%±零點漂移×100%。從這一點看保證了壓縮天然氣加氣流量范圍大，且作為貿易結算精度要求高的測量要求。

    結構簡單，且傳感器被惰性氣體密閉，不受外部環境和溫度的影響，不必定期維護。適用于加氣機這樣的惡劣環境使用。

    測量使用溫度的允許范圍寬。標準型為-240～+240℃（但因廠家、機種范圍不同）。特殊品+425℃也可使用。適用于壓縮天然氣因膨脹壓縮溫度時時變化的場合。

    能輸出高頻率脈沖數。脈沖輸出可在0～10000Hz的范圍內任意設定。利用這一高分辨率的高精度來測量氣體是太適合不過的。

    校正（誤差測試）容易。用衡器來校正測量方法簡單，特別適合現場檢定和校正。

    4 結論

    本文分析了天然氣作為經濟、安全、環保的新型燃料，已在國際上得到了廣泛的應用，同時由于國際石油價格的持續高漲，也為天然氣作為汽車燃料起到了推波助瀾的作用。但由于天然氣受壓力、溫度等過程變量的影響，如采用傳統流量儀表，則無法保證貿易交接過程中計量準確度。因此，科里奧利質量流量計就成為其必然選擇。

    隨著CNG汽車的廣泛應用，CNG加氣機也會被得到更多的認識，而CMF與CNG加氣機日益緊密的結合，一定會顯示其獨特的優越性和必要性。