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科里奥利质量流量计在CNG加气机计量中的应用
当前:质量流量计 > 行业资讯 >   时间:2019-07-13 19:57  来源:中隆仪器  访问:


  为了减少汽车尾气对城市空气污染,压缩天然气(CNG)已大量的用作汽车燃料。随着CNG用量的大幅增加,其计量问题也更加突出。
  科里奥利质量流量计(CoriolisMassFlowmeter,以下简称科氏质量流量计)作为CNG加气机计量的核心部件,实现了真正意义上的高精度的直接质量流量测量。
  CNG加气机作为质量流量计欲抢占的一个具有广阔市场前景的应用领域,笔者根据现场获得的资料,提出了科氏流量计在CNG加气机计量中的技术要点,并针对计量过程中出现的主要问题提出了行之有效的技术措施和结构方案,为科氏质量流量计广泛应用于天然气计量行业提供指导。
1 质量流量计在CNG加气机中的使用
1.1 CNG加气机电气控制原理

  CNG加气机的入口处与加气站主管阀相连接,介质进入加气机后经过滤器、气液分离器进入质量流量计进行精确计量,计量后的气体经过安全阀、加气手柄至燃气汽车中。加气量的多少由质量流量计送至CPU,经过计算分别在显示屏上显示出加气量及加气金额。
  质量流量计的流量信号也被采用来控制高、中、低压电磁阀。在加气机CPU上的设置为:由低压阀向中压阀转换的流量值为4.00kg/min;由中压阀向高压阀转换的流量值为2.8kg/min;由高压阀向停止加气转换的流量值为1.5kg/min。质量流量计的流量信号并不是一直被加气机显示屏所显示,当按加气键后,流量信号才会被CPU接受并显示在加气屏上。 2.2 技术要点
  (1)压力传感器作为整个加气机的过压保护使用,当管路压力大于22MPa时,CNG加气机启动过压保护,关闭三个电磁阀,停止加气。当此压力传感器出现故障时,加气机会表现出一些看似由流量计引起的故障。
  (2)国产加气机为节约成本,在高、中、低三个阀门一般采用电磁阀,而不是气动阀,这与进口加气机不同(如意大利赛福加气机),而电磁阀如果质量不好会存在关不严等问题,这也将造成一些看似由流量计引起的故障,如零漂。
  (3)当加气机给汽车加满气时,加气机的主管压力与汽车气瓶压力基本达到平衡。
  (4)一辆出租车在空罐时加气,在气源压力为20MPa时加满气一般为13m3左右,公交车一般在80m3左右,当然也取决于一辆车气瓶的大小和数量。
  (5)质量流量计测量气体介质,其测量上限不再是质量流量,而是流速,一般要求小于0.5马赫数。
  (6)一些加气站的天然气脱水不够好。原料天然气进站后,先经过滤、计量,然后进入低压脱水装置,脱去其中的水分,使其露点达到或低于国家汽车用标准(即标准状态下-55℃),然后经缓冲器进入天然气压缩机,经过多极增压后压力达到25MPa后进入储气瓶组待用,这个过程中若控制不好有可能气体中还有水或油。
2 科氏质量流量计测量原理
  科氏力质量流量计是根据科氏力原理来测量流体的质量流量的,科氏力是指物体在旋转系统中做直线运动时所受的力:
  其中,科氏力,N;m—移动物体的质量,角速度,旋转或振动时的径向速度,m/s。科氏力与运动流体的质量m、速度v成正比,即与流体的质量流量成正比。科氏力质量流量计用测量管的振动来代替恒定的角速度,这个系统可看作角速度大小相等但方向相反的两个旋转系统。
  当流体流过两根平行的测量管,测量管受科氏力的作用产生反相振动,在测量管中产生的科氏力会引起管子变形从而产生进口和出口的相位差。当流量为零时,即流体停滞不流动时,入口和出口相位差为零;当有流体流过时,测量管入口处与出口处振动不同步,存在相位差。
  当质量流量增加时,相位差A-B也增加,通过入口和出口的电磁式相位传感器就可以测量管子的振动相位。用两根测量管的反相振动来确保系统平衡,利用科氏力原理测得的质量流量与流体温度、压力、粘度、电导率及流量特性无关。相位差与质量流量成正比:
  其中,△φ—相位差;K—常数;E—弹性模量;qm—质量流量,kg/s。
  流量计正常测量的前提为两测量管在谐振频率下振动。
3 质量流量计存在的主要问题、原因分析和解决方案
3.1 流量计的零漂问题

  流量计的零点漂移问题为加气机制造商和用户最为关心的问题,零点漂移也称作零点稳定性,为仪表测量真实零流量的能力指标,即为当流量为零时,流量计无规则输出信号的幅度,零点稳定性以质量流量的单位kg/min或kg/h表示。在加气机的应用中,是指不加气时,流量计有流量显示。当出现零点漂移现象时,加气机制造商的厂家或流量计厂家的售后一般会对流量计频繁重新做零点校正,但这样盲目的作零点校正是不对的,视流量计的结构和性能而定。
  对于U形管的流量计,其振动频率低,易受外界振动、安装应力和温度压力剧烈变化的影响,这种流量计需要频繁做零点校正;对于直管或微弯管的流量计,它具有的振动频率很高、测量管有坚固的第二腔室、过程连接与测量管有形变余地等特点,使得这类流量计一般不用做零点,只有在一些特殊情况下:如需要很高的测量精度;流速很低;极限的操作工况流体(如温度很高)才需要做零点。所以当加气机的使用中出现零漂现象时,要根据现场实际情况而定。
  根据在现场实际情况发现,当测量管中含有一定量液体时,会出现零点漂移故障。因为在加气时测量管中的液体也许会被气流带走,所以此种故障会时有时无。另外当测量管中含液体时在加气时会出现流量忽然增大很多,加气机计数增多。对于此故障,可以将加气机上的质量流量计安装方式设计的更合理一些,如对于直管型流量计,测量管可以倾斜安装;对于U型管和微弯管流量计,将测量管的弯管部分向上倾斜安装。这样便于气体中的液体易排出或不在流量计测量管中。
3.2 流量计的重复性问题
  在流量计的众多性能中,CNG加气机制造商、用户和计量部门关心更多的是流量计的重复性,在现场碰到的更多的也就是此问题。重复性是指在相同的测量条件下,对同一被测量值的连续多次测量时,其测量结果间的一致程度。对于此问题在现场也曾尝试很多办法调试,如重新做零点、修改K系数等非正当手段,但一般不能奏效,根据一些经验,真正有效的却是优化流量计的流场。
3.3 关于质量流量计安装直管段的讨论
  在我们可以找到的资料中及厂商市场宣传中都有质量流量计安装不需要直管段描述,其实这有个前提,那就是测量流体必须为不可压缩流体且满管。如前所述,质量流量计为双管结构,其正常工作的条件为两个测量管谐振。当流体为不可压缩流体(大多数液体),且测量管充满无气体时,两个测量管内的流体质量基本上保持一致,此时流量计的测量与流体的流场分布无关,也就是不需要直管段

  但是当流体为可压缩流体(气体和少数液体)和气液两相流时,就不能忽略流场对流量计测量的重要性。
  对于CNG这样一种可压缩气体而言,工作压力在20MPa左右,不仅仅反映出流速分布,而且可以反映出气体的质量分布。所以在紊乱的流场下流过两测量管中的流体质量会不相等,两测量管的振动不再在谐振频率下振动,这样会影响流量计的测量精度和重复性,极端情况下流量计测量管会停止工作。所以在刚开始加气时(此时压差达16MPa左右)流量计会出现测量管工作不正常的类似报警。
4 结论
  科氏质量流量计是目前直接测量质量流量式的流量计中发展最快,优点最多的流量测量仪表。随着科氏质量流量计广泛应用到CNG加气机中,其在CNG计量中出现的问题越来越受到关注。质量流量计的零漂问题可能是由于测量介质的相态引起的,当CNG气源中含有水或者油等液体时,测量管不能达到谐振,解决这个问题可以从净化气体和优化CNG加气机结构着手。
  流量计的重复性是CNG制造商、用户和计量部分最关心的性能,通过现场实际解决情况和流动模拟发现优化流量计的流场分布是解决重复性差的重要方法,通过在流量计进出口安装足够的直管段可以达到优化流场的目的。
  通过安装足够直管段发现对于可压缩流体和气液两相流,流场分布均匀对于两个测量管在谐振频率下工作,流量计正常测量是至关重要的,此项技术也可适用于其它类似的工况。
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