关键字：压缩天然气 科里奥利质量流量计

    0 前言

    人们常称21世纪是天然气世纪，中国天然气黄金时代已经到来。“天然气经济效应”将推动我国的能源革命、环保革命、产业革命向着一个崭新的阶段发展。

    我国政府已推出一系列支持和鼓励发展国内天然气的政策，为促进我国能源革命向天然气转换，提供了有力的保证。CNG（CompressedNaturalGas，压缩天然气）作为一种新型高效、洁净的汽车燃料，与燃油相比，具有以下优点，因而已在国际上，逐渐得到了广泛的应用。

    （1）节约燃料费用，降低运输成本：随着国际原油价格的一再飞速上涨，燃油成本已比燃气贵出约一倍。

    （2）安全性高：CNG自燃温度为732℃，汽油自燃温度为232～482℃。同时天然气相对空气的比重仅为0.6～0.7。一旦泄漏，可在空气中迅速扩散，不易在户外聚集达到爆炸极限。

    同时CNG是非致癌、无毒、无腐蚀性的。未发生过重大燃烧和爆炸事故。从国内使用十多年CNG的经验来看，天然气汽车比燃油汽车更安全。

    （3）CNG燃料抗爆性能好。

    CNG的抗爆性相当于汽油的辛烷值在130左右，而目前使用的汽油辛烷值最高仅在96左右，所以CNG作为汽车燃料不需添加剂。如铅等抗爆剂。

    （4）CNG汽车具有很好的环保效果。

    使用CNG替代汽油作为汽车燃料，可使CO排放量减少97%，CH化合物减少72%，NO化合物减少39%，CO2减少24%，SO₂减少90%，噪音减少40%。而且CNG不含铅、苯等制癌的有毒物质。所有CNG是汽车运输行业解决环保问题的首选燃料。

    （5）燃用CNG可延长汽车发动机的维修周期。

    汽车发动机以CNG为燃料，发动机运行平稳，噪音低。无重烃可减少积碳，可延长汽车大修理时间20%以上，润滑油更换周期延长到1.5万km。提高了发动机寿命，维修费用降低，比使用常规燃料节约50%左右的维修费用。

    1 CNG加气机的设计制造难点

    由于CNG汽车的上述优点，为其加注的CNG加气机也就应运而生。但相比于传统的加注计量装置，CNG加气机的设计制造，存在着诸多的难点：

    1.1 测量难度大，精度难以保证。

    （1）根据波义耳马略特定律（即理想气体状态方程）：

        （1）

    式中：p为绝对压力，Pa；V为气体体积，m³；T为绝对温度，K；C为常数。

    由式（1）可知，在充气过程中，压力的变化将直接影响体积量；同时，加气的膨胀和压缩过程中会产生吸放热，引起温度变化，也将间接影响体积量。该影响量不可忽视，在温度变化10℃时，体积量将变化约3%。

    （2）工作压力高（达25MPa），并且在充气过程中，加气站普遍采用三压力顺序充气方式，压力波动幅度大，给精确测量增加了难度。

    （3）密度变化大。由于天然气是由多种成分的气体组成，因开发地的不同而各种成分的比例含量的不同，密度是变化的。

    1.2 安全性要求高。高压、可燃气体、流动产生静电。

    1.3 可靠性要求高。高压元件、环境条件差（室外、点火干扰、雷击）

    1.4 参数计算及控制要求高。三压力加气、压力测量计算、加气参数优化等对电脑的要求高。

    本文将主要讨论精确计量的问题。因为天然气测量的上述特点，如采用容积式流量计、速度式流量计、差压式流量计等类型的流量计，因压力和温度的变化对体积的影响太大，即使采用温度补偿和压力补偿的方法也难以达到高精度的要求，况且气体压缩系数的影响是难以补偿的，所以体积测量方法是难以达到的。

    在讨论上述变量时，唯一不变的物理量，那就是质量。因此，我认为采用直接测量流体质量的科里奥利质量流量计是最好的解决方法。

    2 科里奥利质量流量计的原理和结构

    科里奥利质量流量计（CoriolisMassFlowmeter，简写为CMF），顾名思义，是一种直接测量流体质量的流量计。它是利用流体流过振动管道时产生的Corilois效应对管道两端振动相位或幅度影响来测量流过管道的流体质量的。理论上，它是一种直接测量流体质量流量的精确方法。相对于容积式流量计，从机理上（理想模型）讲，排除了温度、压力、流体状态、密度变化、导电性的影响，具有天然的高精度，是流量计的一个发展方向。

    基于流体振动原理工作的CMF通常由流量传感器（又名流量检测元件、一次仪表）和变送器（又名转换器、二次仪表）两部分组成。传感器部分包括测量管、驱动器和拾振器、维持振动管持续振动的反馈电路等。用于感受流体流过由激振器激振测量管时产生的科氏效应，由拾振器拾取并送到变送器。CMF的变送器主要由信号放大，流量和密度解算补偿的电路和软件，以及人机和通讯接口（显示和输出）等组成。用于测量与质量流量成正比例的两路振动信号的时间差或相位差，以及与流体密度对应的测量管谐振频率。

    CMF发展到现在已有40余种系列品种，其主要区别在于流量传感器测量管结构上设计创新；提高仪表精确度、稳定性、灵敏度等性能；增加测量管挠度，改善应力分布，降低疲劳损坏；加强抗干扰能力等。因而测量管出现了多种形状和结构。

    按测量管形状可分为直形和弯曲形：由于直形测量管刚性大，管壁相对较薄，在做CNG高压测量时，存在安全隐患。因此，目前以弯曲形为主，如：U形、S形、Ω形、B形、J形、圆环形、长圆环形等。

    按测量管段数可分为单管型和双管型。

    按双管型测量管段的连接方式可分为并联型和串联型。

    按测量管流体流动方向和工艺管道流动方向间布置方式可分为并行方式和垂直方式。

    本文将以一种典型的传感器结构，即双U形并联结构来说明CMF的工作原理。基本结构见图1。

图1 双U形管结构

    图2表示了U形管的工作原理：电磁驱动系统以固定频率驱动U形测量管振动，当流体被强制接受管子的垂直运动时，在前半个振动周期内，管子向上运动，测量管中流体在驱动点前产生一个向下压的力，阻碍管子的向上运动，而在驱动点后产生向上的力，加速管子向上运动。这两个力的合成，使得测量管发生扭曲；在振动的另外半周期内，扭曲方向则相反。

图2 U形管工作原理

    测量管扭曲的程度，与流体流过测量管的质量流量成正比，在驱动点两侧的测量管上安装电磁感应器（又称拾振器、检测线圈），以测量其运动的相位差，这一相位差直接正比于流过的质量流量。

    在双U形测量管结构中，两根测量管的振动方向相反，使得测量管扭曲相位相差180度，如图3所示。相对单测量管型来说，双管型的检测信号有所放大，流通能力也有所提高。

图3 测量管变形示意图当

    无流体流过时（即使测量管内充满流体），测量管处于单一振型的振动状态，即主振动状态，如图4所示。在此情况下，进、出口侧检测线圈检出的正弦波信号相位相反，相位相差180°。

图4 无流体通过时检测线圈输出图

    当有流体流过时，测量管因科氏力的作用，将产生一个与主振动同频率的附加扭转运动，如图5所示。

图5 由流体流动引起的科里奥利力

    此时，测量管处于主振动和与之同频率的叠加振动和复合振动状态（图4与图5的叠加）。进、出口侧检测线圈检出的正弦波信号出现一相位差。如图6所示。

图6 有流体流动时检测线圈输出图

    图6显示了当测量管中充满流体，且流体有流动时，从两个检测线圈输出的电压信号，电压信号仍为正弦波信号，但两个信号在通过平衡位置时已产生时间差，而这一时间差的大小是和流体的质量流量成正比的，通过测量这一时间差就可以测得流体的质量流量。

    接下来推导科氏效应与流过测量管的质量流量的关系。

图7 测量管受力变形图

    如图7所示，当有流体流过时，U形管的进、出口端受到大小相等、方向相反的一对力偶，即科氏力的影响而产生扭转变形，扭转角为θ。

    由牛顿第二定律F=ma及a=2ωv，可得：

    F=2mωv     （2）

    式中，F为测量管所受科氏力，N；m为测量管内流体质量，kg；ω为测量管振动角速度，rad/s；V为测量管内流体的流速，m/s。

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

    M=2Fr=4mωvr  （3）

    当管长为L（传感器设计制造时已确定），时间为t时，流过测量管的质量流量Qm=m/t，流速v=L/t

    式（3）变为：

    M=4ωrQmL     （4）

    管子具有金属性，因刚性而反弹，当刚度为Ks扭角为θ时，管子的反弹矩为：T=Ksθ

    因T=M，结合式（4），有：

    4ωrQmL=Ksθ

    所以

        （5）

    设管子的中点振动速度为v_t，有v_t=ωL。由图7可知，

    Sinθ=v_tΔt/2r，即Sinθ=ωLΔt/2r

    这里的Δt为图中P1、P2点在Z-Z’横切面上的时间差，即安装于该两点上的检测线圈所测得的时间差。

    当θ较小时Sinθ≈θ

    即：

        （6）

    将式（6）代入式（5）：

    

    由上式可知流体的质量流量Qm与流经检测点P1、P2的时间Δt成正比，而与管子的振动频率、材质以及流体的密度、粘度、压力、温度等物理特性无关。当管内无流动时，这对传感器发出正弦波信号；当流体在管内流动而管子扭动时流体入口侧同出口侧所得的电压信号之间产生相位差（即时间差Δt）把这一信号通过过滤、增幅后在积分产生基准流量信号，再变换为质量流量信号。

    3 CMF与CNG加气机的结合

    本文分析了CNG加气机计量的难题，以及CMF的原理和结构，说明了CMF是CNG加气机计量功能的必选仪表：

    CMF是直接式的质量流量计。质量是不受流体种类（密度、粘度）和过程条件（温度、压力）影响的基本物理量，如测量体积流量来演算质量因温度、压力、密度等测量误差而带来的演算误差，得到高精度是困难的。而测量对象多样化、复合化就更需要质量流量计的直接测量。这一点正适合压缩天然气温度、压力、密度等参数变化大的工况条件。

    能测量广范围的流体：从液体到固体、乳剂、高压气体的广范围的流体都能测量，没有流体妨碍部件，即使管子内面粘附物使管子内径变小，但从原理上对精度没有影响。因此它完全适合来测量高压天然气，且解决了可靠性的问题，不容易产生故障。

    高精度、高灵敏度：同一尺寸流量计的流量范围，虽然因制造商和机种而不同，但都能测量1：20～1：100的流量范围，准确度E和保证范围也因生产厂家和机种而异一般为：E=±（0.1～0.2）%±零点漂移×100%。从这一点看保证了压缩天然气加气流量范围大，且作为贸易结算精度要求高的测量要求。

    结构简单，且传感器被惰性气体密闭，不受外部环境和温度的影响，不必定期维护。适用于加气机这样的恶劣环境使用。

    测量使用温度的允许范围宽。标准型为-240～+240℃（但因厂家、机种范围不同）。特殊品+425℃也可使用。适用于压缩天然气因膨胀压缩温度时时变化的场合。

    能输出高频率脉冲数。脉冲输出可在0～10000Hz的范围内任意设定。利用这一高分辨率的高精度来测量气体是太适合不过的。

    校正（误差测试）容易。用衡器来校正测量方法简单，特别适合现场检定和校正。

    4 结论

    本文分析了天然气作为经济、安全、环保的新型燃料，已在国际上得到了广泛的应用，同时由于国际石油价格的持续高涨，也为天然气作为汽车燃料起到了推波助澜的作用。但由于天然气受压力、温度等过程变量的影响，如采用传统流量仪表，则无法保证贸易交接过程中计量准确度。因此，科里奥利质量流量计就成为其必然选择。

    随着CNG汽车的广泛应用，CNG加气机也会被得到更多的认识，而CMF与CNG加气机日益紧密的结合，一定会显示其独特的优越性和必要性。