影響LNG加氣機(jī)流量計測量準(zhǔn)確性的主要因素，LNG（液化天然氣）加氣機(jī)是將LNG由加氣站傳輸?shù)絃NG汽車儲氣瓶的超低溫計量設(shè)備，LNG加氣機(jī)在使用過程中，LNG液體一般為－120℃—－160℃，加氣管內(nèi)外溫差大，常導(dǎo)致計量不準(zhǔn)確，并引起貿(mào)易糾紛，故需要對加氣機(jī)定期進(jìn)行檢定，采用標(biāo)準(zhǔn)表原理的LNG加氣機(jī)檢定設(shè)備，消除質(zhì)量法中電子天平的準(zhǔn)確度容易受環(huán)境影響大和LNG回收困難等不利因素，流量計作為檢定設(shè)備的核心部件，其測量的準(zhǔn)確性是保證檢定設(shè)備可靠工作的關(guān)鍵，本文借助CFD軟件對流量計測量管內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值模擬分析，找出影響流量計測量準(zhǔn)確性的主要因素。
2.1 流量計結(jié)構(gòu)形式
LNG加氣機(jī)檢定設(shè)備采用科里奧利質(zhì)量流量計?？评飱W利質(zhì)量流量計由分流管、保護(hù)管、集流管和測量管構(gòu)成。流體進(jìn)入流量計后，經(jīng)分流管分成二路進(jìn)入并聯(lián)的兩根測量管，然后經(jīng)與分流管形狀相同的集流管進(jìn)入下游管道。流量計和測量管如圖1所示，
2.2 流量計工作原理
根據(jù)科式力的定義，當(dāng)測量管以一定的方向ω振動，流體以速度V在管內(nèi)流動時，將產(chǎn)生與流體質(zhì)量流量Qm成正比的科式力F，即：
式中：m為測量管內(nèi)流體質(zhì)量；l為測量管的長度。
在科式力的作用下，測量管發(fā)生扭曲變型，形變量大小與測量管產(chǎn)生的總科式力的大小成正比，即與質(zhì)量流量也成正比。通過位于流量計測量管兩側(cè)的電磁感應(yīng)器，測量監(jiān)測點處管子振動的速度，得到由于管子的變形引起這兩個速度信號之間的時間差，然后把此信號送到轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器將信號進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)換成直接與質(zhì)量流量成正比的電信號輸出。通過分析計算，質(zhì)量流量與兩側(cè)的電磁感應(yīng)器測出信號的時間差成正比，而與測量管振動的頻率、角速度和流體的物理參數(shù)的變化均沒有關(guān)系。
3 理論分析
3.1 假設(shè)
根據(jù)流量計結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境，作如下簡化：（1）科里奧利力只作用在測量管上，故只對測量管內(nèi)流場進(jìn)行分析研究；（2）兩根測量管段對稱分布，可以認(rèn)為二者內(nèi)部流體狀態(tài)*相同，故簡化為只分析其中一個；（3）測量管和保護(hù)殼材質(zhì)均為304不銹鋼，其良好的導(dǎo)熱性且管壁較薄，可以近視認(rèn)為測量管和保護(hù)殼內(nèi)外壁均不存在溫差。
3.2 傳熱過程分析
根據(jù)對流量計結(jié)構(gòu)形式的分析，流體在測量管流動過程中吸收的熱量均是保護(hù)殼通過熱輻射形式傳遞進(jìn)來的，對測量管吸收的輻射熱進(jìn)行分析計算，設(shè)單個測量管外壁吸收的輻射熱量為Q1，即
式中：εs為保護(hù)殼內(nèi)壁與測量管外壁組成的封閉區(qū)間的系統(tǒng)發(fā)射率，A1為測量管外壁總面積，T1為測量管外壁溫度，T2為保護(hù)殼內(nèi)壁溫度。
顯然，測量管吸收的輻射熱，均被流體以對流換熱方式帶走，設(shè)單個測量管與其內(nèi)流體對流換熱量為Q2，即：
式中：h為測量管內(nèi)壁與管內(nèi)流體之間的表面平均換熱系數(shù)，A3為測量管內(nèi)壁表面積，Δtm為測量管內(nèi)壁與管內(nèi)流體之間的平均溫差，t1、t2分別為測量管進(jìn)出口處流體溫度。在穩(wěn)定工況下，Q1=Q2，在保護(hù)殼溫度和測量管進(jìn)口溫度已知的情況下，采用圓管內(nèi)強(qiáng)制對流傳熱計算公式，結(jié)合式（2）、（3）可以計算出測量管與管內(nèi)流體之間的平均溫差，從而得到測量管出口處流體溫度和測量管內(nèi)壁溫度。
4 測量管內(nèi)流場數(shù)值模擬
考慮到LNG是一種可燃易爆液體，故在進(jìn)行流量計性能分析實驗時，采用物理性質(zhì)相近的液態(tài)氮作為工質(zhì)流體進(jìn)行分析。液態(tài)氮的物性參數(shù)見表1。
LNG加氣機(jī)檢定設(shè)備在實際應(yīng)用中，由工作環(huán)境的不同，而引起的流體參數(shù)變化主要是溫度、壓力、密度、速度等。對于LNG、液態(tài)氮等低溫流體來說，密度是溫度和壓力的函數(shù)，速度是質(zhì)量流量和密度的函數(shù)，所以只需分析測量管流體的溫度T、進(jìn)口壓力P和質(zhì)量流量Qm的影響。
采用CFD軟件對測量管在質(zhì)量流量Qm=10、15、20、30、40、60kg/min，流體進(jìn)口溫度T=90K、95K、100K、105K，流體進(jìn)口壓力P=0.8、1.0、1.2MPa對應(yīng)的72個工況進(jìn)行模擬。根據(jù)模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，各個工況流場的狀態(tài)分布相似。以Qm=20kg/min、T=90K，P=1MPa時的工況為例進(jìn)行分析.
5 模擬結(jié)果分析
表2可以看出，測量管進(jìn)口壓力為0.8MPa、質(zhì)量流量為10kg/min時，流體溫度由90K增加到105K，測量管內(nèi)壓降從0.224kPa增加到到0.247kPa；測量管進(jìn)口壓力為0.8MPa、流體溫度為90K時，質(zhì)量流量從10kg/min增加到60kg/min，測量管內(nèi)壓降的從0.224kPa增加到4.202kPa；流量計質(zhì)量流量和流體溫度不變時，改變測量管進(jìn)口壓力，測量管內(nèi)壓降基本不發(fā)生變化。依次分析其余的工況，可以發(fā)現(xiàn)測量管內(nèi)的壓降主要是由流量計的質(zhì)量流量決定，而進(jìn)口壓力和溫度的影響相對較小。
由液態(tài)氮的熱力學(xué)性質(zhì)可知，液態(tài)氮的飽和蒸氣壓力隨著溫度升高不斷提高。當(dāng)測量管內(nèi)*低壓力低于其溫度對應(yīng)的飽和壓力時，將發(fā)生空化現(xiàn)象，測量管內(nèi)流體的壓力均小于飽和壓力時，則流體的流態(tài)將轉(zhuǎn)化為汽液兩相流，無論由于空化現(xiàn)象引起的測量管的振動還是汽液兩相流的出現(xiàn)，都將嚴(yán)重降低質(zhì)量流量計的測量精度。測量管內(nèi)流體接近出現(xiàn)空化現(xiàn)象的程度，可以通過測量管內(nèi)流體的*低壓力與該工況下的飽和蒸氣壓力差ΔP來反映：ΔP＞0，測量管內(nèi)流體為單相流且無空化現(xiàn)象，流量計能有很高的測量精度；ΔP=0時，空化現(xiàn)象發(fā)生，流量計的測量精度降低；當(dāng)ΔP進(jìn)一步減小時，將出現(xiàn)汽液兩相流，流量計將不能準(zhǔn)確測量。由此可以看出，ΔP＞0的工況區(qū)域越大，則流量計準(zhǔn)確測量的范圍越廣，流量計的性能越高。各個工況下的ΔP見表3。
根據(jù)表3可以看出：（1）在測量管進(jìn)口壓力和溫度不變的情況下，ΔP隨著質(zhì)量流量的增加不斷變小，當(dāng)質(zhì)量流量由10kg/min增加到60kg/min時，ΔP減小了約4kPa。（2）在測量管進(jìn)口壓力和質(zhì)量流量不變的情況下，△P隨著流體溫度的升高不斷減小，當(dāng)流體溫度由90℃增加到105℃時，ΔP減小了約738kPa。（3）當(dāng)測量管進(jìn)口溫度和質(zhì)量流量不變的情況下，ΔP隨著進(jìn)口壓力的增加不斷變大，當(dāng)進(jìn)口壓力由0.8MPa增加到1.2MPa時，ΔP增加了約400kPa。由此可見，ΔP的大小主要是由流體溫度和進(jìn)口壓力所決定，而質(zhì)量流量的影響相對要小的多。由表3可以看出提高進(jìn)口壓力、降低溫度均可以使ΔP＞0的工況區(qū)域變大，使流量計準(zhǔn)確測量范圍變寬，達(dá)到提高流量計性能的目的。雖然理論上減小質(zhì)量流量也可以使ΔP＞0的工況區(qū)域變大，但實際中流體的溫度和流量存在一定的關(guān)系，減小流量流體溫度升高，增大流量流體溫度降低，而流體的溫度是影響ΔP的主要因素，所以增大流量也可以達(dá)到提高流量計性能的目的。
6 實驗結(jié)果及分析
由表4可以看出，在實驗1、2、3、4、5、6、7、8中，流體溫度均等于進(jìn)口壓力下的飽和溫度，即測量管內(nèi)流體為汽液兩相流，ΔP＜0，流量計的測量誤差較大；在實驗9中，流體溫度小于進(jìn)口壓力下的飽和溫度，即測量管內(nèi)流體轉(zhuǎn)化為單相流，即ΔP＞0，流量計測量誤差很小。當(dāng)質(zhì)量流量為40kg/min時，進(jìn)口壓力由1.0提高到1.4MPa時，流量計的誤差由0.66%減小到0.26%，其原因是進(jìn)口壓力增加，使ΔP變大，測量管內(nèi)流體含氣率變小，當(dāng)ΔP增大到大于零時，流體的溫度低于其壓力對應(yīng)的飽和溫度，流體流態(tài)由汽液兩相流轉(zhuǎn)化為單相流，從而進(jìn)入流量計能夠準(zhǔn)確測量工況范圍；當(dāng)進(jìn)口壓力為1.4MPa，流量計的質(zhì)量流量從10kg/min增加到40kg/min，單位質(zhì)量的流體從系統(tǒng)中吸收的熱量減少，流體溫度降低，使流體溫度由110.1K降低到106.3K，使ΔP＞0，進(jìn)入流量計能夠準(zhǔn)確測量工況范圍。
7 結(jié)論
通過數(shù)值模擬分析及實驗驗證，得到提高檢定設(shè)備性能的方法：
（1）在流量計材料和整個檢測系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)，盡可能的提高流量計的工作壓力，可以使流量計有較寬的溫度測量范圍和流量測量范圍；
（2）在流量計工作壓力確定的情況下，應(yīng)采用各種措施降低被測流體的溫度，從而保證流量計在較低的工作壓力和較寬質(zhì)量流量范圍內(nèi)的測量精度；
（3）在一定檢定環(huán)境下，單位時間內(nèi)整個檢定系統(tǒng)從環(huán)境中吸收的熱量基本不變，流體的溫度隨著質(zhì)量流量的提高而降低，由于溫度相對于質(zhì)量流量對流量計的測量精度影響更大，則可以通過提高流量計流量來達(dá)到降低被測流體溫度的目的，從而保證LNG流量計有較高的測量精度。
