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一.质量流量计原理简介
质量流量计是根据哥里奥利（Coriolis）原理制成的。美国罗斯蒙特公司（MicroMotion）生产的在线质量流量计，是采用安装于测量管两侧的电磁信号检测器来检测振动管的振动，质量流量的大小由这两个信号的相位差来决定。
M=Ksθ/4ωrL （1-1）
式中：M—质量流量
KS—U形管系统的扭转弹性系数
θ—扭转角
ω—角速度
r—U形管左右臂到O-O轴线的垂直距离L—测量管（U 形管）长度
此式为科里奥利力—振动管式流量计的基本方程式。被测流体的质量流量M与扭转角θ成正比，与角速度ω成反比。如果U形管振动频率一定，则ω也是恒定的。利用图1所示的检测器来检测U形管的扭曲变形，即扭转角θ的变化可得：
θ＝LωΔt/2r （1-2）
Δt—两个检测器脉冲之间的时间间隔。
将此式（1-2）代入（1-1）中得
M=（Ks/8r2）Δt＝KΔt 其中K＝Ks/8r2
测得电脉冲时间间隔Δt，则可得被测流体的质量流量。
质量流量计的密度测量精度为0.1%。质量流量计测得的信号，经过变送器应用平台转化成操作人员可以看见的仪表信号，可以得到质量流量、密度、含水率、纯油流量、纯油累计量等重要参数，达到精确计量的目的。
图1
二.质量流量计生产状况分析及问题的提出
随着管理的进一步深入和细化，对计量仪表的要求变得越来越高，能实时监控区块产量变化的要求变得越来越强烈 。项目组针对各区块来液量混进，无法实现对各平台来液量及产油量的分区计量，无法掌握各采油区块的实际生产情况，不利于生产管理这一现状，对现场情况进行综合分析和论证后，进行工艺流程改造，逐步摸索出区块来油计量问题的解决办法。先后安装了罗茨流量计、电子水表以及LSZ-100双转子流量计，实施了污水系统和密闭原油处理工艺改造，实现了各区块来油的分区计量和密闭集输。
三.质量流量计在分区计量流程中的应用
1）流量计的选择
通过几年中对各型流量计的对比，罗斯蒙特公司生产的 CMF200型流量计4台和上海一诺仪表有限公司生产的MAGYN型智能电磁流量计5台，分别对原油和污水进行计量。
2）工艺流程改造
（1）流程改造前状况
如图2所示，19井来油加热分别进缓冲罐后经上海一诺仪表有限公司生产的LSZ100型流量计对来液量进行计量。DPB、金北区块来油加热后经哈尔滨龙江仪表有限公司生产的LL-150型罗茨流量计进行计量。 计量后的各区块来液混进一台三相分离器实现油、气、水三相分离，在污水外输泵后装一电子水表实现污水外输计量 。若要知道某一区块的纯油量，需提前一天将一座400m3油罐抽空，然后将这一区块的来液直接进该油罐，进液时间按罐容和区块的总液量来确定，一般情况下，按4小时的油罐进液量，经油罐取三级样化验含水后来折算全天的产液量和纯油量。此时各区块的流量计只能计量区块的总液量，油量多少无法计量。老流程，原油在三相分离器内停留时间短，（近期 11分钟，远期 8分钟），油气水不能进行有效分离，计量不准确。
图2 改造前流程简图
注：图中1、4 双转子流量计；2、3 罗茨流量计
（2）流程改造后状况：
改造后，DPC 区块来油先单独经一台美国罗斯蒙特公司生产的CMF200型质量流量计计量后与19区来油合进一台三相分离器；DPB区块、DPA区块分别进新建三相分离器进行油、气、水三相分离。在这三台分离器油出口处分别安装有CMF200型质量流量计进行油量计量。在污水出口处装有上海一诺有限公司生产的MAGYN型智能电磁流量计实现污水计量。改造后混合液在三相分离器中近期停留时间为34、54、65分钟，远期停留时间分别为 32、35、44分钟。与老流程相比，大大提高了分水能力。见图3。
图3 改造后流程简图
注：图中1、2、3 CMF200型质量流量计；4、5、6MAGYN型智能电磁流量计
3）三相分离器各出口流量计的现场应用
（1）区块来油流量计
通过对流量计的选型，选用了 CMF200型质量流量计作为区块来液的计量器具。传感器不需要任何特殊的支架只需简单地将传感器固定在管道上并遵循管道标准即可。该流量计没有可运动部件，无需维修。质量流量计测得的信号，经过MVD变送器应用平台转化成4-20Ma仪表信号，每 5秒钟刷新一次测量参数，可以得到质量流量、密度、含水率、纯油流量、纯油累计量等重要参数。
表1 四种流量计精度表
（2）改造后污水流量计
上海一诺有限公司生产的MAGYN智能电磁流量计，它的测量原理是基于法拉第电磁感应定律。具有一定电导率的流体流经测量管，将切割磁力线感应出电动势E，流速感应的信号电压E与体积流量Q成线性关系。
（3）改造前后四种流量计对比
如表1所示，改造后所选流量计精度明显高于改造前流量计。
4 实施效果及努力方向
1）质量流量计在分区计量流程上应用后 ，有效实现了对DPB、DPA、19井、DPC四个区块的原油计量，为产量自动监控提供了相对可靠的依据。
2）配套软件开发后可进行数据采集、汇总、报表打印，实现了办公自动化。
3）提高了沉降站自动监控水平，为核实区块液量、油量提供了技术上的条件。为油田区块分产、细化成本考核提供了有力的依据。
4）现场用油罐标定质量流量计情况看，质量流量计在高含水区（85%以上）计量误差较大应回避。
五.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
设管子的中点振动速度为vt，有vt=ωL。由图7可知，
Sinθ=vtΔt/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：
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×。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。
沪公网安备 31011502008050号
