黏稠液体渗入气泡对流量计测量的影响

蔡武昌

(中国仪器仪表行业协会 流量仪表工作委员会，上海 200233)



黏稠液体渗入气泡对流量计测量的影响

蔡武昌

(中国仪器仪表行业协会 流量仪表工作委员会，上海 200233)

摘要：针对高黏性液体在交接存储过程中流量测量存在误差的问题，英国工程实验室实验研究了超声波流量计和科里奥利质量流量计在运动黏度为200mm2/s液体中受渗入气泡的流量或密度测量影响程度。气泡体积分数在0～1%内测试不同流量下的测量误差，气泡体积分数变动和流量变动均会造成测量误差变化。两种变动产生的误差变化呈现不同趋势，从而可能实现仪表自诊断功能，补偿或改善仪表性能。结论： 低黏性液体用流量仪表不能简单移植到高黏性液体中应用，必须做性能评估或仪表改进。

关键词：超声波流量计科里奥利质量流量计密度测量高黏性液体含气泡混合液测量误差

1概述

对于低黏性液体(如水等)渗入气泡对超声波流量计(USF)和科里奥利质量流量计(CMF)测量的影响，有人做了实验并在实践中取得了一些认识。Endress+Hauser公司出版的《流量手册》中称： 气泡体积分数达到2%，将使USF不能工作，1%左右测量就会呈现问题[1]。1990年意大利计量院G.A.Cignolo氏等研究市场上7种型号CMF受含气泡的影响，在气泡体积分数为1%的水中进行影响实验，某些仪表中的误差为1%～2%，当气泡体积分数为10%时，误差普遍为15%～20%。

关于气泡在黏稠液体中影响如何，英国国家工程实验室(NEL)在2011年第10届东南亚烃流量测量学术讨论会上发表《含渗入气泡黏稠液的流量测量》一文[3]，阐述了USF和CMF在测量黏稠液体时受渗入气泡对流量测量和CMF密度影响的实验研究，得出实验样机在不同体积分数段的影响量值，文中对此进行简述。

全球储藏石油中，30%为低黏性轻油，70%为高黏性油，高黏性石油预计100年或更长时间内将是重要的能源。用中、低黏性油校准的流量仪表不能简单地直接应用于高黏度油品，要作性能评估和必要的补偿修正。

气体可经多种途径混入黏性油品，且不易消散，如油轮装卸，流入/流出生产流程中的容器，测试中的分离/汇入，生产过程中工况条件急剧变化等。如果能够求得渗入气泡对各种流量测量技术和仪表的影响以及在不同体积分数时的测量偏差的趋势，就有实现在线实时修正的可能性。

渡越时间法USF渗入气泡会阻碍声波传播而降低响应，使流量测量产生偏差。高级自诊断功能可检测信号衰减程度，当接收换能器接收不到信号就发出报警信号。

CMF渗入气泡理论上不会影响所测质量流量读数，然而气泡在测量管内影响管的阻尼，从而影响质量流量和密度的测量。此外，气泡在液体中分布不均匀也会使质量流量和密度产生偏差。CMF测量管阻尼和工作频率是2个重要自诊断参数，两者的任何波动可反映出测量管内是否存在固体颗粒或气泡。

2实验

实验对象是1台DN100 USF、1台DN100 CMF和1台DN150 CMF。USF系多声道渡越时间法测量仪表(以下简称仪表A)，流量范围5～100L/s；DN100 CMF系双测量管仪表(以下简称仪表B)，标称流量上限150kg/s；DN150 CMF也是双测量管仪表(以下简称仪表C)，标称流量上限约220kg/s。

试验是在英国NEL标准表比较法油流量标准装置上进行，参比标准表是Smith Meter公司的DN200刮板式容积流量计，其不确定度为±0.25%(95%置信度)。参比标准表则用该装置上所设静止启停法称重原始标准校准。图1所示是安装有参比标准表、气体注入器、1台USF和1台CMF测试组例，待测试流量计前后直管长度按制造厂规定。气体注入系统由1组流量仪表、压力/温度传感器组成，控制注入氮气体积分数。试验液体是运动黏度为200mm2/s(20℃)的Primol液，流量范围5～70L/s；气泡体积分数为0～1%。USF和CMF串联测试组示意如图1所示。

图1　USF和CMF串联测试组例

3测试结果与讨论

1) 超声波流量计(仪表A)。由于未装流动调整器，前、后直管长度按照制造商规定，但不得低于20D，5D。试验时按标准赋值组态设定，不因为受高黏度、低流速或渗入气泡影响而调整仪表。在液体中注入气泡的体积分数为0～1%，探求渗入气泡对单相液体流量测量性能的影响。液体体积流量误差与参比流量计所测液体体积流量的关系如图2所示。

图2　不同气泡体积分数下液体体积流量误差与液体体积流量的关系

由图2可知，仪表响应随着气泡体积分数增加而呈负偏差，大部分测试点在气泡体积分数低于0.3%时，与参比流量计比较误差均在±1%以内。在低流速时，则所有气泡体积分数测试点的仪表响应误差均接近1%，约为±1%。这一现象可认为气泡分布性较差时，仪表对渗入气泡会更好地处理，该分析得到流量超过50L/s(即流速超过6.4m/s)时所有气泡体积分数测试点误差增大所证实。

图3所示是不同液体体积流量下气泡体积分数与液体体积流量误差的关系。

图3　不同液体体积流量下气泡体积分数与液体体积流量误差的关系

在大流量时(本案例流量超过60L/s，流速超过7.6m/s)呈现较大误差，这可能是气泡在液流分布均匀所致。此外，由于液/气体间声阻抗失配最大，声波散射和衰减效应显著，会出现较大的问题。若气泡潴留在超声换能器壁龛凹处，阻碍了声波传播，更使仪表完全失效或导致很大误差。

在增加气泡体积分数或增加液体流速时，仪表A实验数据呈现可辨别两者仪表响应的不同趋势。增强仪表诊断功能有可能应用例如信噪比(SNR)等参数，SNR能检测气泡干扰超声束所引起任何衰减。这种情况下，USF若检测出气泡，可关闭顶层超声束，以减少弹状大气泡沿着顶层管壁流动所引起的误差。

2) 科里奥利质量流量计(仪表B)。图4所示仪表B，液体质量流量误差与气泡体积分数及液体体积流量的关系。

在参比流量计的所测液体体积流量为10L/s时，质量流量误差(与参比流量间偏差)按指数规律随气泡体积分数增大而增加，误差范围从3%(气泡体积分数为0.1%时)到17%(气泡体积分数为1%时)。在低流速引起误差大的可能原因是CMF测量管内潴留气泡，使流量测量产生不良影响。在较大流速和较大气泡体积分数时仪表B呈现负误差，散布于约±1%范围内。0.1L/s流量除外，最大误差为-2.4%(在气泡体积分数约1%时)。数据明显地也呈现仪表随着气泡体积分数增加向负值误差增加。通过仪表面板诊断程序，有可能经核查例如驱动增益等参数，补偿CMF因气泡体积分数增加而增加的质量流量误差。

图4　液体质量流量误差与气泡体积分数及液体体积流量的关系

图5所示是气液混合体密度数据，仪表同样随着气泡体积分数增加而呈现明显变化的趋势。低流速时仪表误差与中高流速误差的趋向不一样，这也可能是由于仪表测量管潴留气泡影响频率测量而形成较大的测量误差。在较大流速时密度误差是与气泡体积分数增大相关，密度读数随着气泡体积分数增大而向负值增加。气泡体积分数为1%左右时误差最大，而在气泡体积分数约为0.1%时误差最小。测试数据清楚表明，有可能用仪表先进诊断功能，从所记录失误测量改善气泡体积分数低于约1%时的不确定度。

图5　密度误差与气泡体积分数及液体体积流量的关系

笔者从略了与仪表B性能相似的DN150仪表C的数据。

4结束语

针对准确测量重油流量的迫切需要，在黏度为200mm2/s，气泡体积分数为0～1%流体中，对2例CMF、1例USF市场商品，实验研究了若干技术性能。当评估流量仪表在测量某指定高黏度液体时的应用稳定性能时，应十分重视该研究所提示第2组分气泡渗入流体的可能性。

所测试评估的USF性能明显依承于渗入气泡体积分数，由于气泡体积分数和液体流速两者对仪表性能影响呈现不同趋向，从而有可能在高黏性液渗入低量气泡液的应用中，实现以仪表内部新的高级信号诊断功能作预测和修正。实际上在低流速时气泡体积分数最高到1%，仪表仍能良好地运行。在高流速时渗入气泡分布将更为均匀。因为液/气间声阻抗为最大，声波散射和衰减与液/液相比明显增大，从而产生较大问题。

CMF具有直接测量质量流量和密度的优点，混入气泡原理上不应负面影响仪表读数，然而如气泡分布不均匀或在低流速时潴留在测量管内，可能会对质量流量和密度测量产生不良影响。2台不同口径CMF质量流量和密度测试数据仅是误差大小不同而呈现相似的两种不同趋向。

除低流速以外，2台CMF的质量流量呈现负误差，且随着气泡体积分数增大而增加，在低流速时则呈现正误差，上述现象可能也是测量管内潴留气泡所致。2台CMF密度测量呈现几乎相等的偏差且具有相似的变化趋向。

该研究测试数据表明CMF在高黏度液体的应用是颇有前景的，因其直接测量质量流量，给气-液流动测量带来重大优势。同时，该报告的各项成果说明，未进行性能评估或改进的通用仪表，不能简单地从低黏度液体应用移植到高黏度液体中应用。

参考文献:

[1]Flow Handbook—A Practical Guide： Measurement Technologies·Application·Solution [M]. Reinach： Endress+Hauser Flowtec AG, 2004.

[2]蔡武昌.油水混合液第2相含量对科里奥利流量计和涡街流量计测量的影响[J].石油化工自动化，2008，44(01)： 71-73.

[3]Mills C., Belshaw R. Flow Measurement of Viscous Fluid with Entrained Gas [C]// 10th South East Asia Hy-drocarbon Flow Measurement Workshop, 2011.

作者简介：蔡武昌(1929—)，男，原上海光华仪表厂总工程师，主要从事流量仪表的研制、开发和生产工作，任教授级高工。

中图分类号：TH814

文献标志码：B

文章编号：1007-7324(2016)03-0073-04

稿件收到日期： 2016-01-28，修改稿收到日期： 2016-03-16。