科里奧利質量流量計是利用流體在直線運動的同時處于一旋轉系中, 產(chǎn)生與質量流量成正比的科里奧利力原理制成的一種直接式質量流量儀表。

  我國CMF的應用起步較晚, 從20世紀80年代中期引進成套裝置附帶進口少量儀表開始, 到技術改造所需單臺進口一定數(shù)量, 科里奧利質量流量計廣泛應用于石化、糧食、冶金等領域, 是當今世界上***先進流量測量儀表之一。我公司炭素陽極生產(chǎn)高溫瀝青配料系統(tǒng)計量中, 使用美國高準 (ELITE) 公司的CMF200A型科里奧利質量流量, 精度高達1.7‰, 為我廠陽極生產(chǎn)過程中物料配方測量提供了可靠的方法, 提高了以往使用失重式或計量泵式高溫計量瀝青的準確度, 提高了陽極碳塊的質量和生陽極生產(chǎn)的連續(xù)性, 在炭素陽極生產(chǎn)中取得了可觀的經(jīng)濟效益。

  質量流量計計量系統(tǒng)包括傳感器和用于信號處理的變送器?？评飱W利質量流量計依據(jù)牛頓第二定律:力=質量×加速度 (F=ma) 如圖1所示, 當質量為m質點以速度V對P軸作角速度ω旋轉管道內移動時, 質點受兩個分量加速度及其力。

1) 法向加速度, 即向心加速度ar, 其量值等于2ωr, 朝向P軸;

2) 切向角速度at, 即科里奧利加速度, 其值等于2ωV, 方向與ar垂直。復合運動, 質點at方向上作用著科里奧利力Fc=2ωVm, 管道對質點作用著一個反向力-Fc=-2ωVm。

  當密度為ρ流體旋轉管道中以恒定速度V流動時, 任何一段長度Δx管道將受到一個切向科里奧利力ΔFc:

  式中A—管道流通截面積。

  存在關系式:mq=ρVA

  因此, 直接或間接測量在旋轉管中流動流體的科里奧利力就可以測得質量流量。

  然而通過旋轉運動產(chǎn)生科里奧利力是困難的, 目前產(chǎn)品均代之以管道振動產(chǎn)生的, 即由兩端固定的薄壁測量管, 在中點處以測量管諧振或接近諧振的頻率 (或其高次諧波頻率) 所激勵, 在管內流動的流體產(chǎn)生科里奧利力, 使測量管中點前后兩半段產(chǎn)生方向相反的撓曲, 用光學或電磁學方法檢測撓曲量以求得質量流量。

  又因流體密度會影響測量管的振動頻率, 而密度與頻率有固定的關系, 因此CMF也可測量流體密度。

  CMF由流量傳感器和轉換器 (或流量計算機) 兩部分組成。圖2為流量傳感器, 主要有由測量管及其支撐固定橋架、測量管振動激勵系統(tǒng)中的驅動線圈A、檢測測量管撓曲的光學檢測探頭或電磁檢測探頭B、修正測量管材料楊氏模量溫度影響的測溫組件等組成。轉換器主要由振動激勵系統(tǒng)的振動信號發(fā)生單元、信號檢測和信號處理單元等組成;流量計算機則還有組態(tài)設定、工程單位換算、信號顯示和與上位機通信等功能。

  在鋁電解陽極生產(chǎn)中, 是將不同粒度的煅后石油焦按配方的比例由不同的計量器下料, 經(jīng)混合螺旋混合后經(jīng)預熱進入混捏機, 融化后的液體瀝青作為陽極成型的混合料粘結劑在混捏機內充分混合, 形成具有一定塑性的糊料。在陽極生產(chǎn)過程中, 對加入的瀝青含量的控制, 將直接影響到陽極產(chǎn)品的質量, 陽極產(chǎn)品瀝青含量過高, 成型后的產(chǎn)品極易變形, 體積密度偏低, 電阻偏高;陽極產(chǎn)品瀝青含量過低, 產(chǎn)品容易出現(xiàn)裂紋, 產(chǎn)生斷裂。因此對加入的瀝青做到測量和控制是陽極生產(chǎn)的關鍵。

  我公司選用的美國高準 (ELITE) 公司的CMF200A型質量流量計, 屬該公司高溫型產(chǎn)品, ***高可耐溫度343℃, ***大的液體流量87, 100kg/h, 高準流量計能為各種過程流體提供***的測量, 并且具有極低的壓力損失和極寬的流量范圍。

  陽極配料系統(tǒng)中瀝青的定量加入是通過質量流量計測量實際流量, 反饋到配料系統(tǒng)上位機 (KSC) , 并和上位機計算出的生產(chǎn)配方的流量設定值進行比較, 產(chǎn)生的流量差值以調節(jié)瀝青泵的轉速的方式, 完成瀝青流量的閉環(huán)控制。在實際應用中是通過圖3的工藝布置完成瀝青流量的控制。整個系統(tǒng)閥門狀態(tài)檢測及閥門動作控制由一臺西門子公司LOGO!完成, 當LOGO!檢測到Y2/Y4兩個手動閥門中只有一個閥門在打開時, 整個系統(tǒng)才允許啟動, 當Y2打開時選擇WAY I生產(chǎn)回路, 當Y4打開時選擇WAY II生產(chǎn)回路, 相應的瀝青泵M1/M2才會被啟動, 同時打開氣動閥Y3/Y5, 瀝青通過質量流量計測量后, 反饋至KSC, 通過接受來自KSC的信號, 自動打開氣動閥Y6或Y7, 其中Y6為啟動前熱循環(huán)用, Y7為正常生產(chǎn)回路。

  高準 (ELITE) 公司的變送器為模塊化并帶有微處理器功能, 配合ASICS數(shù)字技術, 可選擇數(shù)字通信協(xié)議。它與傳感器連接使用可獲得高度的質量流量、密度、溫度和體積流量信號, 并將獲得的信號轉換為模擬量、頻率等輸出信號。采用DSP數(shù)字信號處理器, 使測量管在一個已知的頻率下振動, 因此任何在此振動頻率范圍之外的頻率都是“噪聲”, 使能夠以一個被提高了的采樣率去過濾實時信號, 減少了流量計對流量的階躍變化的響應時間。使用多參數(shù)數(shù)字 (MVD) 變送器的響應時間比使用模擬信號處理的傳統(tǒng)變送器快2~4倍, 更快的響應時間提高短批量控制的效率和度。

  在不同溫度下的密度變化改變流量測量系統(tǒng)的質量, 從而使流量傳感器的平衡發(fā)生變化, 導致零點偏移。在日常生產(chǎn)中保持瀝青溫度的變化在工藝范圍內, 只要在實際使用的瀝青溫度條件下調零, 使用過程中的密度變化不大, 一般不存在問題。

  高準 (ELITE) 的科里奧利質量流量計CMF可測量液體粘度的范圍很寬, 并呈現(xiàn)良好的測量性能。雖有報告論及粘度影響測量度, 但很少有試驗數(shù)據(jù)。液體粘度會改變系統(tǒng)的阻尼特性, 從而影響零偏置;在低流量時對流量測量值有一定程度的影響。但在實際生產(chǎn)應用中采用啟動前熱循環(huán)2h以上, 且流量計流量和實際生產(chǎn)流量相當, 實現(xiàn)了流量計生產(chǎn)和循環(huán) (Y6閥和Y7閥) 的無擾動切換。

  CMF200可以在振動環(huán)境下工作, 但必須與振動隔離, 由于流量計內部振動管間用柔性管連接和采用隔離振動的支撐架, 并在實際生產(chǎn)中, 采用流量計和附近大型設備不在同一個安裝平面、部分管道間連接采用柔性連接、測量段部分管路U型布置等措施, 消除了現(xiàn)場振動對計量精度的影響。

  質量流量計在實際生產(chǎn)中應注意以下問題:CMF200A型質量流量計, 為U型結構, 裝于自下而上流動的垂直管道較為理想, 并按旗形安裝, 以保證計量管道內充滿液體瀝青, 增加計量的準確性;在使用前為保證質量流量計內部不發(fā)生瀝青掛壁的現(xiàn)象, 流量計外殼應纏繞伴熱管, 防止瀝青在計量時產(chǎn)生凝固現(xiàn)象, 在冬季生產(chǎn)時還要在流量計外部包覆保溫套;混捏機入口設單向閥, 在管路或是設備容器壓力不穩(wěn)的狀態(tài)下, 能保持管線所需壓力, 使瀝青泵能正常輸出流量。另外在泵的出端由于重力作用常會出現(xiàn)虹吸現(xiàn)象, 此時單向閥能消減由于虹吸產(chǎn)生的流量及壓力的波動;調零必須在實際生產(chǎn)的溫度下進行, 流量計排盡氣體, 充滿液體瀝青后, 再手動關閉傳感器上下游閥門, 再進行調零。安裝方面變動或溫度大幅度變化時需要重新調整。

  科里奧利質量流量計是一個較為準確、快速、可靠、高效、穩(wěn)定、靈活的流量測量儀表, 在石油加工、化工、冶金等領域將得到更加廣泛的應用, 在推動流量測量上顯示出巨大的潛力, 也為鋁電解陽極生產(chǎn)中的瀝青計量提供了可靠的手段。