摘 要：文章通过介绍科里奥利质量流量计的工作原理及特点，以及科里奥利质量流量计在实际安装应用中应注意的事项，结合天然气计量的三种计量方式，通过对科里奥利质量流量计与其它流量计的对比，提出科里奥利质量流量计对于测量小口径、脏污天然气等方面有着其它流量计不可比拟的优势，成为天然气计量方面首选。

关键字：天然气计量 科里奥利质量流量计 应用

    0 引言

    科里奥利质量流量计其最大的特点就是能够直接测量流体的质量，它不但具有准确性、重复性、稳定性，而且在流体通道内没有阻流元件和可动部件，因而其可靠性好，使用寿命长，还能测量高粘度流体和高压气体的流量。目前在汽车用的清洁燃料压缩天然气（CNG）、能源及航天等工业部门得到广泛的应用，它的问世带来了流体测量技术的一次深刻变革，成为目前石油化工行业的主流流量计。

    本文就该计量计的工作原理几技术特点进行介绍。

    1 质量流量计工作原理

    科里奥利质量流量计是利用流体在直线运动的同时处于以旋转系中，产生与质量流量成正比的科里奥利原理制成的一种直接式质量流量仪表。在此以双U型管质量流量计为例介绍其在天然气计量中的应用。双U形管结构如图1所示。

图1 双U型管质量流量计结构

    1）U形管工作原理

    在双管型质量流量计中，入口的分流管把流入的介质均等的一分为二，送到两根测量管中，这样保证了100%的被测介质经测量管，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，如图2所示。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，扭曲方向相反。测量管扭曲的程度，与流体流过测量管的流体质量成正比，在驱动点两侧的测量管上安装电磁感应器，以测量其运动的相位差，这一相位差直接正比于流体流过的质量流量。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°。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2 力偶及管子扭曲的传感器端面视图

    2）质量流量计计量方式

    目前，在国际上天然气贸易交接计量有3种方式：

    一是质量计量；二是标准参比条件下的体积量计量；三是标准参比条件下的能量计量；这3种计量方式中，质量流量计都能够单独或配套其它设备完成。

    2 质量计量及标况体积计量

    1）由于质量流量计能够直接测量天然气的瞬时质量流量，在质量计量方面有得天独厚的优势，不需要其它测量设备，就可独立完成。

    2）质量流量计测得的天然气的瞬时质量流量，除以根据天然气组分计算的标准参比条件下的天然气密度，就可得到标准参比条件下的体积流量。其公式：

        （1）

    式（1）中：qn为标准参比条件下的瞬时体积流量；qm为瞬时质量流量；pn为标准参比条件下的绝对静压力，0.101325MPa；Mn为气体的摩尔质量；Zm为标准参比条件下的气体压缩因子；R为通用气体常数；Tn为标准参比条件下的气体热力学温度，293.15k。

    从公式中可以看出，不需要测量流体的温度和压力，只需知道气体的摩尔质量，就可将质量流量转化为标准参比条件下的体积流量（Zn是Mn的函数）。能量流量通过质量流量与发热量乘积计算得到。

    其公式：

        （2）

    式（2）中：qe为瞬时能量流量；qm为瞬时质量流量；Hs为标准参比条件下的天然气质量发热值。

    3 质量流量计技术特点及优缺点

    1）优点

    根据工作原理和结构分析，与其它流量计相比，质量流量计测量天然气具有以下优点：

    （1）计量准确度高（≤0.5%），稳定性好，真正实现了高精度的直接流量测量；

    （2）量程比高，普遍可以达到20∶1至50∶1，有的质量流量计其范围精度已高达100∶1以上；

    （3）可测量流体范围广泛，包括高粘度液的各种液体、含有固形物的浆液、含有微量气体的液体、有足够密度的中高压气体，在流量计上下游不必设置直管段；

    （4）检测管内无可动部件，也无阻碍流体流动的部件，使流量计更便于维护和清洗，使用寿命更长；

    （5）尤其适用于以质量为基础的贸易交接计量。

    2）缺点

    当然，质量流量计也有其不可避免的缺点，选用时应注意以下几点：

    （1）不能用于测量密度太低的天然气；

    （2）对外界振动干扰较敏感，质量流量计对安装固定有较高要求；

    （3）不能用于较大管径，目前尚局限于150（200）mm以下；

    （4）有较大的体积和重量，压力损失较大与容积式计量仪表相当；

    （5）价格昂贵。

    4 质量流量计在管输天然气计量中的应用

    目前，天然气计量表多选用质量流量计、孔板流量计和气体涡轮流量计，尽管质量流量计有很多优点，但其仍存在不能用于大管径流量测量、压力损失较大、安装固定要求高等缺点，限制了其在天然气长输管道中的计量应用。所以，长输管道的主流天然气计量仪表居于超声波流量计、涡轮流量计和孔板流量计较多。就我公司外接天然气而言年用量超过4亿标准立方米，针对其用量大及管输距离长的特点供方单位兰州输气分公司天然气末站选用了仪表口径为300的差压式（孔板）流量计。

    当然，孔板流量计也存在磨损大准确度低，量程比小，压力损失大，流量计前后的直管段要求长，占地面积大，参与检测的元件较多使维护环节增多等缺点。近几年，由于微电子，数字技术的进步，超声波流量计的发展势头异常迅猛。从发展趋势来看，由于超声波流量计具有精确度高、性能稳定可靠、量程比大、管道中无检测件、维护量小等特点，在工程应用及贸易交接中，大有后来居上取代传统流量仪表的趋势。此外，超声波流量计测量准确度受被测流体的温度、压力、粘度、密度等参数的影响很小，所以超声波流量计的性能价格比要远远高于孔板流量计，目前超声波流量计已经逐渐取代了孔板流量计成为天然气贸易交接的理想产品。尽管超声波流量计有诸多优点，但是由于超声波流量计的测量原理为传播时间差法，当超声流量计的口径变小时其声波传播的声程变短，传播时间也相应变短，传播时间差就会很难得到准确的测量，这使小口径的超声波流量计的量程比和准确度都会下降。

    气体涡轮流量计在所有流量计中属最高精确的流量计，目前在国际天然气计量领域应用也较为普遍。其特点是准确度较高，无零点漂移，抗干扰能力好，量程比较宽，所需的直管段较短，占地面积小。但是气体涡轮流量计对被测介质的清洁度要求很高，由于涡轮流量计的叶轮容易损坏，所以一般要求流量计前安装过滤器，且在投运操作上也有很高的要求，这导致涡轮流量计的后期维护量增加。天然气计量表简明对比见表1。

表1 天然气计量表简明对比表

    根据GB17167-2007国家标准《用能单位能源计量器具配备与管理通则》的规定，天然气计量仪表精度为0.5级即可满足计量要求。加之天然气密度小，相同流速下，质量流量比液体要小得多，检测到的由科氏力产生的相位差也小得多，为保证测量准确度，应选取在测量质量相同时能产生形变较大的质量流量计结构。由于U形测量管质量流量计在相同大小的科氏力作用下，测量径向距离越长的结构其形变越大，在最大流量下，U形测量管测得的相位差可达到直管测量管的5倍，所以，测量天然气时，应优先选用U形测量管质量流量计。

    质量流量计的安装需要注意事项如下：机械安装应注意以下几个问题：

    （1）流量传感器应安装在一个坚固的基础上。内径小于10mm的小口径质量流量计安装在平衡坚硬和无振动的底面上，如墙面、地面或专门的基础。如果在高振动环境使用，应注意对基础的振动吸收，而且传感器进出口与管道之间应用柔性管道连接；较大口径的流量计直接安装在工艺管道上，应用管卡和支撑物将流量计牢牢地固定。

    （2）为防止CMF间的相互影响，在多台流量计串联或并联使用时，各流量传感器之间的距离应足够远，管卡和支撑物应分别设置在各自独立基础上。

    （3）为保证使用时流量传感器内不会存积气体或液体残值，对于弯管型流量计，测量液体，弯管应朝下，测量气体时，弯管应朝上。测量浆液或排放液时，应将传感器安装在垂直管道，流向由下而上。连接传感器和工艺管道时，一定要做到无应力安装以免造成信号衰减，特别对某些直管型测量管的流量传感器更应注意。

    5 结论

    虽然在近几年超声波流量计以其测量精度高、量程比大等优势得到了迅速发展，但科里奥利质量流量计凭借其自身的优点，在成品油贸易计量等方面被广泛应用，尤其对于测量小口径、脏污天然气等方面有着其他计量表不可比拟的优势。