摘 要：文章通過介紹科里奧利質量流量計的工作原理及特點，以及科里奧利質量流量計在實際安裝應用中應注意的事項，結合天然氣計量的三種計量方式，通過對科里奧利質量流量計與其它流量計的對比，提出科里奧利質量流量計對于測量小口徑、臟污天然氣等方面有著其它流量計不可比擬的優勢，成為天然氣計量方面首選。

關鍵字：天然氣計量 科里奧利質量流量計 應用

    0 引言

    科里奧利質量流量計其最大的特點就是能夠直接測量流體的質量，它不但具有準確性、重復性、穩定性，而且在流體通道內沒有阻流元件和可動部件，因而其可靠性好，使用壽命長，還能測量高粘度流體和高壓氣體的流量。目前在汽車用的清潔燃料壓縮天然氣（CNG）、能源及航天等工業部門得到廣泛的應用，它的問世帶來了流體測量技術的一次深刻變革，成為目前石油化工行業的主流流量計。

    本文就該計量計的工作原理幾技術特點進行介紹。

    1 質量流量計工作原理

    科里奧利質量流量計是利用流體在直線運動的同時處于以旋轉系中，產生與質量流量成正比的科里奧利原理制成的一種直接式質量流量儀表。在此以雙U型管質量流量計為例介紹其在天然氣計量中的應用。雙U形管結構如圖1所示。

圖1 雙U型管質量流量計結構

    1）U形管工作原理

    在雙管型質量流量計中，入口的分流管把流入的介質均等的一分為二，送到兩根測量管中，這樣保證了100%的被測介質經測量管，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，如圖2所示。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，扭曲方向相反。測量管扭曲的程度，與流體流過測量管的流體質量成正比，在驅動點兩側的測量管上安裝電磁感應器，以測量其運動的相位差，這一相位差直接正比于流體流過的質量流量。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°。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2 力偶及管子扭曲的傳感器端面視圖

    2）質量流量計計量方式

    目前，在國際上天然氣貿易交接計量有3種方式：

    一是質量計量；二是標準參比條件下的體積量計量；三是標準參比條件下的能量計量；這3種計量方式中，質量流量計都能夠單獨或配套其它設備完成。

    2 質量計量及標況體積計量

    1）由于質量流量計能夠直接測量天然氣的瞬時質量流量，在質量計量方面有得天獨厚的優勢，不需要其它測量設備，就可獨立完成。

    2）質量流量計測得的天然氣的瞬時質量流量，除以根據天然氣組分計算的標準參比條件下的天然氣密度，就可得到標準參比條件下的體積流量。其公式：

        （1）

    式（1）中：qn為標準參比條件下的瞬時體積流量；qm為瞬時質量流量；pn為標準參比條件下的絕對靜壓力，0.101325MPa；Mn為氣體的摩爾質量；Zm為標準參比條件下的氣體壓縮因子；R為通用氣體常數；Tn為標準參比條件下的氣體熱力學溫度，293.15k。

    從公式中可以看出，不需要測量流體的溫度和壓力，只需知道氣體的摩爾質量，就可將質量流量轉化為標準參比條件下的體積流量（Zn是Mn的函數）。能量流量通過質量流量與發熱量乘積計算得到。

    其公式：

        （2）

    式（2）中：qe為瞬時能量流量；qm為瞬時質量流量；Hs為標準參比條件下的天然氣質量發熱值。

    3 質量流量計技術特點及優缺點

    1）優點

    根據工作原理和結構分析，與其它流量計相比，質量流量計測量天然氣具有以下優點：

    （1）計量準確度高（≤0.5%），穩定性好，真正實現了高精度的直接流量測量；

    （2）量程比高，普遍可以達到20∶1至50∶1，有的質量流量計其范圍精度已高達100∶1以上；

    （3）可測量流體范圍廣泛，包括高粘度液的各種液體、含有固形物的漿液、含有微量氣體的液體、有足夠密度的中高壓氣體，在流量計上下游不必設置直管段；

    （4）檢測管內無可動部件，也無阻礙流體流動的部件，使流量計更便于維護和清洗，使用壽命更長；

    （5）尤其適用于以質量為基礎的貿易交接計量。

    2）缺點

    當然，質量流量計也有其不可避免的缺點，選用時應注意以下幾點：

    （1）不能用于測量密度太低的天然氣；

    （2）對外界振動干擾較敏感，質量流量計對安裝固定有較高要求；

    （3）不能用于較大管徑，目前尚局限于150（200）mm以下；

    （4）有較大的體積和重量，壓力損失較大與容積式計量儀表相當；

    （5）價格昂貴。

    4 質量流量計在管輸天然氣計量中的應用

    目前，天然氣計量表多選用質量流量計、孔板流量計和氣體渦輪流量計，盡管質量流量計有很多優點，但其仍存在不能用于大管徑流量測量、壓力損失較大、安裝固定要求高等缺點，限制了其在天然氣長輸管道中的計量應用。所以，長輸管道的主流天然氣計量儀表居于超聲波流量計、渦輪流量計和孔板流量計較多。就我公司外接天然氣而言年用量超過4億標準立方米，針對其用量大及管輸距離長的特點供方單位蘭州輸氣分公司天然氣末站選用了儀表口徑為300的差壓式（孔板）流量計。

    當然，孔板流量計也存在磨損大準確度低，量程比小，壓力損失大，流量計前后的直管段要求長，占地面積大，參與檢測的元件較多使維護環節增多等缺點。近幾年，由于微電子，數字技術的進步，超聲波流量計的發展勢頭異常迅猛。從發展趨勢來看，由于超聲波流量計具有精確度高、性能穩定可靠、量程比大、管道中無檢測件、維護量小等特點，在工程應用及貿易交接中，大有后來居上取代傳統流量儀表的趨勢。此外，超聲波流量計測量準確度受被測流體的溫度、壓力、粘度、密度等參數的影響很小，所以超聲波流量計的性能價格比要遠遠高于孔板流量計，目前超聲波流量計已經逐漸取代了孔板流量計成為天然氣貿易交接的理想產品。盡管超聲波流量計有諸多優點，但是由于超聲波流量計的測量原理為傳播時間差法，當超聲流量計的口徑變小時其聲波傳播的聲程變短，傳播時間也相應變短，傳播時間差就會很難得到準確的測量，這使小口徑的超聲波流量計的量程比和準確度都會下降。

    氣體渦輪流量計在所有流量計中屬最高精確的流量計，目前在國際天然氣計量領域應用也較為普遍。其特點是準確度較高，無零點漂移，抗干擾能力好，量程比較寬，所需的直管段較短，占地面積小。但是氣體渦輪流量計對被測介質的清潔度要求很高，由于渦輪流量計的葉輪容易損壞，所以一般要求流量計前安裝過濾器，且在投運操作上也有很高的要求，這導致渦輪流量計的后期維護量增加。天然氣計量表簡明對比見表1。

表1 天然氣計量表簡明對比表

    根據GB17167-2007國家標準《用能單位能源計量器具配備與管理通則》的規定，天然氣計量儀表精度為0.5級即可滿足計量要求。加之天然氣密度小，相同流速下，質量流量比液體要小得多，檢測到的由科氏力產生的相位差也小得多，為保證測量準確度，應選取在測量質量相同時能產生形變較大的質量流量計結構。由于U形測量管質量流量計在相同大小的科氏力作用下，測量徑向距離越長的結構其形變越大，在最大流量下，U形測量管測得的相位差可達到直管測量管的5倍，所以，測量天然氣時，應優先選用U形測量管質量流量計。

    質量流量計的安裝需要注意事項如下：機械安裝應注意以下幾個問題：

    （1）流量傳感器應安裝在一個堅固的基礎上。內徑小于10mm的小口徑質量流量計安裝在平衡堅硬和無振動的底面上，如墻面、地面或專門的基礎。如果在高振動環境使用，應注意對基礎的振動吸收，而且傳感器進出口與管道之間應用柔性管道連接；較大口徑的流量計直接安裝在工藝管道上，應用管卡和支撐物將流量計牢牢地固定。

    （2）為防止CMF間的相互影響，在多臺流量計串聯或并聯使用時，各流量傳感器之間的距離應足夠遠，管卡和支撐物應分別設置在各自獨立基礎上。

    （3）為保證使用時流量傳感器內不會存積氣體或液體殘值，對于彎管型流量計，測量液體，彎管應朝下，測量氣體時，彎管應朝上。測量漿液或排放液時，應將傳感器安裝在垂直管道，流向由下而上。連接傳感器和工藝管道時，一定要做到無應力安裝以免造成信號衰減，特別對某些直管型測量管的流量傳感器更應注意。

    5 結論

    雖然在近幾年超聲波流量計以其測量精度高、量程比大等優勢得到了迅速發展，但科里奧利質量流量計憑借其自身的優點，在成品油貿易計量等方面被廣泛應用，尤其對于測量小口徑、臟污天然氣等方面有著其他計量表不可比擬的優勢。