超临界二氧化碳流量测量方法研究.pdf

引用格式：引用格式：罗凡,蒋岳峰,甘蓉,等.超临界二氧化碳流量测量方法研究J.中国测试，2024,50(1):62-68.LUOFan,JIANGYuefeng,GANRong,etal.StudyonflowmeasurementofsupercriticalcarbondioxideJ.ChinaMeasurement&Test,2024,50(1):62-68.DOI:10.11857/j.issn.1674-5124.2023080013超临界二氧化碳流量测量方法研究罗凡1，蒋岳峰2，甘蓉1，雷励1，赵宇轩3，钟忠1(1.中国测试技术研究院，四川成都610021;2.中国计量科学研究院，北京100029;3.核工业西南物理研究院，四川成都610225)摘要:在临界点附近的超临界流体，操作温度或操作压力的微小变化，都会引起超临界流体密度的很大变化，因此，尚无能够满足实时、准确、可溯源要求的超临界流体流量测量方法及仪表。该文首先分析超临界二氧化碳在拟临界温度区域的物理特性；然后分别研究科里奥利质量流量计和差压流量计的超临界流体测量特点，确定流量测量所需的工况条件；最后提出一种以科里奥利质量流量计对差压流量计进行动态密度修正，从而提高超临界流体质量流量测量精度的流量计组合方法。验证实验中，该文以质量法液体流量标准装置对上述两种流量计进行校准，再基于雷诺数近似原理采用质量法气体流量标准装置进行模拟测试，评估动态响应能力及两种被测介质之间的测量误差。实验结果表明：该流量计组合方法具备超临界二氧化碳流量测量的能力，可实现以科里奥利质量流量计作为工作级标准的超临界二氧化碳量值溯源。关键词:超临界二氧化碳;科里奥利质量流量计;差压式流量计中图分类号:TB937文献标志码:A文章编号:16745124(2024)01006207Study on flow measurement of supercritical carbon dioxideLUOFan1,JIANGYuefeng2,GANRong1,LEILi1,ZHAOYuxuan3,ZHONGZhong1(1.NationalInstituteofMeasurementandTestingTechnology,Chengdu610021,China;2.NationalInstituteofMetrology,China,Beijing100029,China;3.SouthwesternInstituteofPhysics,Chengdu610225,China)Abstract:Nearthecriticalpoints,aslightdisturbanceinoperatingtemperatureorpressurewillcausegreatchanges in the density of supercritical fluids.Therefore,there are no real-time,accurate and traceablesupercriticalfluidflowmeasurementmethodsandinstruments.Inthispaper,thephysicalcharacteristicsofsupercritical carbon dioxide in the quasi-critical temperature region are analyzed.Then the measurementfeaturesofCoriolismassflowmeteranddifferentialflowmeterinsupercriticalfluidarestudiedrespectively,andtheworkingconditionsformeasurementaredetermined.Finally,anewflowmetercombinationmethodisproposedwhichcorrectthedynamicdensityofdifferentialflowmeterwithCoriolismassflowmetertoimprovethemeasurementaccuracyofsupercriticalfluid.Intheverificationexperiment,theabovetwoflowmeterswerecalibratedwiththestandardfacilitiesforliquidflowrate,andtheevaluationofthedynamicresponseabilityandtheerrorbetweenthetwomeasuredmediawereconductedwiththegravimetricmethodgasflowstandarddevice in terms of the Reynolds number approximation principle.The results show that this flowmetercombinationmethodhastheabilitytomeasuresupercriticalcarbondioxidefluidsandrealizestraceabilitywith收稿日期:2023-08-02；收到修改稿日期:2023-09-15作者简介:罗凡（1980-），男，四川成都市人，副研究员，博士，研究方向为流量传感器理论研究及测试。第50卷第1期中国测试Vol.50No.12024年1月CHINAMEASUREMENT&TESTJanuary,2024Coriolismassflowmeterasthemastermeter.Keywords:supercriticalcarbondioxide;Coriolismassflowmeter;differentialpressureflowmeter0 引言物质随着温度和压力的变化，相应地呈现出固态、液态、气态 3 种相态，三态之间相互转化的温度和压力称为三相点。除三相点外，分子量不太大的稳定物质还存在一个临界点，当把处于气液平衡的物质升温升压时，热膨胀引起液体密度减少，压力升高使气液两相的界面消失，并成为均相体系，这一点即为临界点。高于临界温度和临界压力以上的流体是超临界流体，其没有明显的气液分界面，对温度和压力的变化非常敏感，从而具备一些独特的物理性质。常见的超临界流体中，由于二氧化碳密度大、黏性小、压缩性好、循环过程无相变1、化学性质稳定，无毒性和无腐蚀性，不易燃和不爆炸2，因此，被广泛用于能源、化学萃取、油田回注驱油，喷料、涂料和超临界色谱等领域。近年来，随着超临界二氧化碳的应用需求持续增加，少数科研机构已经开展了相应的流量测量方法研究。熊刚强等3通过研究情字井油田开发过程中二氧化碳回注计量方式的实验数据，认为差压式流量计、涡流流量计、多普勒流量计、靶式流量计、科式质量流量计在一定条件下适用。尽管超临界状态的二氧化碳是单相流，但其在线连续计量的精度无法接受，最高偏差高达 20%。因此，如何实现实时、准确、可溯源的流量测量是超临界二氧化碳应用和推广的前提条件。通过分析技术资料4（图 1图 4）可知，二氧化碳在拟临界温度前后约5 区域的热物理性质发生剧烈连续的变化，能明显提高布雷顿热力循环效能，但复杂的传热、传质过程却不适合进行流量测量。当压力低于临界压力时存在明显的液相区、气相区和气液相界面，此种两相流状态同样不适合流量测量。随着压力的增加，流体热物理性质畸变程度逐步变缓。当压力高于临界压力时，二氧化碳进入超临界区，此时气液相界面消失，呈现单相流状态。综合超临界二氧化碳的物理特性和流量测量要求，被测介质工况尽量远离拟临界区域，因此，确定其适合流量测量的合理工况条件为温度 120、压力约 12MPa，此时二氧化碳密度约 210kg/m3，流量约 20kg/min。定压比热/(104 Jkg1K1)16128407.47.88.28.69.0310308306304302300压力/MPa温度/K图 1 超临界二氧化碳定压比热的温度、压力特性动力粘度/(105 Pas)76543219.08.58.07.57.06.56.0压力/MPa310308306304302300温度/K图 2 超临界二氧化碳动力粘度的温度、压力特性310308306304302300温度/K0.220.180.140.100.060.02导数系热/(Wm1K1)9.08.58.07.57.06.56.0压力/MPa图 3 超临界二氧化碳导热系数的温度、压力特性第50卷第1期罗凡，等：超临界二氧化碳流量测量方法研究63由于科里奥利质量流量计具有内部无突出或运动部件，很强的耐腐蚀能力和较高的测量精度，还能实时测量流体介质密度等优点5-8，所以，本文提出一种以科里奥利质量流量计对差压流量计进行动态密度修正，并比对两种流量计的质量流量测量误差，从而提高超临界二氧化碳流量测量精度的流量计组合方法。1 测量原理首先，根据科里奥利质量流量计在 CNG 和LNG 中的应用研究表明，科里奥利质量流量计在扩展不确定度为 0.05%的质量法水流量标准装置校准后，在不调整流量系数的前提下，可以在扩展不确定度为 0.05%的质量法气体流量标准装置和0.1%的质量法低温液体流量标准装置上获得优于0.3%的测量误差，因此，其无需改造即可使用。其次，考虑到二氧化碳在超临界状态下的稳定性较差，常规的串联安装方式可能造成科里奥利质量流量计的密度测得值不能真实反映差压式流量计的密度变化，且需要兼顾现场安装空间，因此，本文设计了一种以科里奥利质量流量计作为节流部件的差压式流量计。通过差压变送器测量介质流过科里奥利质量流量计前后的差压值，并将科里奥利质量流量计实时测出的密度值代入差压流量计算公式，获得被测介质的质量流量：q1=c14A2p1(1)式中：q1工况下的体积流量；c流出系数；直径比；可膨胀系数；A工况下节流件开孔截面积；p节流件前后差压值；1工况下流体密度。2 样机设计要求样机结构如图 5 所示。D1D2L2L1L3L4上游取压点科里奥利质量流量计下游取压点差压变送器图 5 测量超临界流体流量的组合式流量计结构科里奥利质量流量计的选型需要考虑如下因素：1)依据经验和厂家推荐，科里奥利质量流量计在满量程的 25%75%范围内测量精度最佳。2)缩径后会增加雷诺数，按照式（2）：Re=VL=VL=Vdv(2)式中：L特征长度（圆管中为直径 d）；V特征流速；流体的动力黏滞系数；流体的运动黏滞系数，=/。在流量不变的情况下，流速 V 与直径 d 的平方成反比，即 V1/d2，则：Re 1d(3)一般情况下，超临界二氧化碳的雷诺数在 50000左右4，已经属于湍流区，极易产生流体状态的改变，若雷诺数再大幅提高，则会因流体噪声影响而显著降低科里奥利质量流量计的测量精度。因此，最多允许雷诺数升高 2 倍，即缩径比须大于 0.5。3)科里奥利质量流量计存在压降，通常为 50%满量程流量下的压损为 0.1MPa。因此，考虑到科里奥利质量流量计压损对差压流量计测量的影响，在满足流量需求的前提下，应增大缩径比。4)相关研究表明，孔板流量计的直径比在0.20.8 范围内时，流量系数随 增大呈先减小后增大的趋势，并以 0.55 为分界点，其中 在 0.450.65之间时可控制误差在 3%以内9。900800700600500400300200100密度/(kgm3)2902953003053103153206.06.57.07.58.08.59.0温度/K压力/MPa图 4 超临界二氧化碳密度的温度、压力特性64中国测试2024年1月综合上述因素，本文制作的科里奥利质量流量计传感器的工作频率约为 190Hz，流通口径 D2与流通管道的直径 D1之比0.6。样机照片见图 6。图 6 样机照片此外，为减少流体缩径后的流速场变化对科里奥利质量流量计测量精度的影响，上游取压点到质量流量计上游端面的距离 L13D2，上游内流道缩径后保留直线长度 L21.5D2。差压流量计下游出口管道扩径起点到流量计下游端面的距离 L42D2，以降低流体流经科里奥利质量流量计后的流速场不均匀性对下游取压点的测量影响。3 关键参数测试因为超临界二氧化碳的测试安全性要求和运行成本很高，为有效控制风险，本文依照目标工况条件对样机工作参数进行模拟实验。3.1 密度准确度及响应时间测试科里奥利质量流量计的密度测量原理如下：1=T2T201T202T201(4)其中 T01、T02分别为在 0 时，且充满空气和水状态下，传感器一次振型的固有周期，并且还作了一个近似规定，认为在 0 时水的密度值为 1g/cm3，空气的密度值为 0g/cm310。经过此方法校准后的科里奥利质量流量计密度测量误差小于 0.005g/cm3。根据目标工况条件，本文进行了科里奥利质量流量计在不同压力下的压缩空气密度测量。如表 1所示，科里奥利质量流量计的密度测量误差约为 2%。表 1 科里奥利质量流量计密度误差测试压力值/MPa密度参考值/（kgm3）密度测量值/（kgm3）10116.9118.512139.3140.513150.5151.214161.7161.915172.9172.0其次，由于超临界状态下的二氧化碳密度变化较为迅速，质量流量计的密度测量响应时间显得尤为关键。本文采用快开泄压方式评价其动态响应能力。被测流量计的显示刷新率为 1s，从图 7 中可以看到密度基本与压力变化同步，并伴随压力回升至静压时的测量值，说明此型号科里奥利质量流量计工作频率可以满足动态密度测量要求。16151413121110压力/MPa0510152025303540时间/s200180160140120100密度/(kgm3)压力密度图 7 密度响应时间测试3.2 零点温度漂移测试科里奥利质量流量计作为组合测量方法的核心部件，其性能决定了最终的测试结果。在目标工作温度范围 20120 内，科里奥利质量流量计的测量误差主要由零点漂移导致。本文结合参考文献11-12 中关于质量流量计零点稳定性的研究，针对性地研制了传感器的结构和制造工艺，并进行了升温模式的零点温度试验，试验结果如下：e=tdriftkQ(5)式中：k质量流量计流量系数；Q目标质量流量。如图 8 所示，该样机中科里奥利质量流量计的零点漂移tdrift约为 0.003s，由式（5）计算得到目标流量的最大流量测量误差为 0.3%。1600.0270.0260.0250.0240.0230.0220.0210.0200.019140120100806040200温度/零点/s195131721252933温度零点时间/min图 8 科里奥利质量流量计零点温度实验4 量值溯源方式研究由于目前还没有以超临界二氧化碳作为被测介第50卷第1期罗凡，等：超临界二氧化碳流量测量方法研究65质的流量标准装置，因此，该流量计组合在应用于超临界二氧化碳测量之前，需对其进行量值溯源，确保其具备可靠的测量精度。实际中，本文采用扩展不确定度为 0.05%（k=2）的质量法水流量标准装置对其进行校准，其中的科里奥利质量流量计准确度等级为 0.2 级，差压式流量计测量结果如表 2 所示，红色线框内为目标测试流量。表 2 校准数据压力/kPa检定时间/s标准流量/(m3h-1)差压/kPa电流值/mA流出系数平均流出系数重复性/%雷诺数流量点/(th-1)24930.00073.6861930316.3548.38968.39320.07%4.41043.68124930.00073.6921931916.3648.399924930.00073.6841931116.3598.390218430.00072.946126.4112.098.28618.29090.06%3.51042.94418530.00072.95126.6312.1048.290118430.00072.951126.5212.0978.296516730.00072.02262.397.9938.09518.09710.03%2.41042.01816630.00072.02262.367.9918.097116730.00072.02162.277.9858.0992基于等效雷诺数测试原理，参考 JJF15832016标准表法压缩天然气加气机检定装置校准规范，采用扩展不确定度为 0.05%（k=2）的质量法气体流量标准装置进行高压气体流量测试，测量原理如图 9所示。试验压力范围为 1216MPa，测试现场布置如图 10 所示。如表 3 所示，在不调整流量系数的情况下，科里奥利质量流量计的高压气体流量误差为 0.37%，重复性小于 0.1%，测量结果的 Urel=0.3%（k=2），说明科里奥利质量流量计在水和高压气体之间的测量误差较为一致。PP加气装置标准装置精密压力传感器采集系统压力传感器气源加气枪阀入口阀质量流量计流量指示仪储罐阀门储气瓶电子天平接入点图 9 质量法气体流量标准装置测量原理图 10 等效雷诺数高压空气流量测试应用该流量计组合测量方法进行高压气体流量动态测试，以科里奥利质量流量计为差压式流量计提供密度修正，并比较经修正后的差压流量与科里奥利质量流量计的质量流量误差，结果如表 4所示。从表 1表 4 可以得到如下结论：表 3 科里奥利质量流量计高压气体流量校准质量流量计示值/kg标准装置示值/kg相对误差/%平均误差/%重复性/%9.2889.2630.270.370.0878.9488.9100.438.4768.4410.4166中国测试2024年1月1)该流量计组合测量方法在 50%流量时的雷诺数约为 50000，满足超临界流体测量时的要求，说明科里奥利质量流量计的设计合理。2)该流量计组合测量方法在目标流量下能产生较大差压，说明科里奥利质量流量计与被测管路的缩径比合理。3)该流量计组合测量方法具有较好的重复性，说明上、下游取压孔位置设置合理，且以科里奥利质量流量计作为节流部件对上、下游差压测量点的流场影响较小。4)该流量计组合测量方法的量程比为 51，同常规差压式流量计接近，说明科里奥利质量流量计对差压测量的影响较小。5)在进行类似超临界二氧化碳的高雷诺数流体流量测量时，可以将科里奥利质量流量计作为工作级标准表，并采用质量法水流量标准装置作为上一级量值溯源标准。6)该流量计组合测量方法的两种流量计最大比对误差为1.69%，相较参考文献 3 中所述的流量测量误差已有显著提高，说明该方法具备准确测量超临界二氧化碳的能力。5 结束语随着“双碳”目标的逐步落实和人民对环境保护的日益重视，超临界二氧化碳技术的明显优势将促使其得到更加快速的发展和广阔的应用。但是，如果没有准确的计量手段，不仅造成超临界二氧化碳不能被合理、有效地利用，还导致超临界二氧化碳设备的能耗效率和碳减排量得不到准确计算。本文首次为类似二氧化碳的超临界流体流量测量提供了一种计量手段和量值溯源方法，也为最终实现自主可控的超临界介质流量测量标准建设提供了技术参考。表 4 组合式差压流量计质量流量误差比对质量流量计流量/（kgmin1)密度/（kgm3）流量计前介质压力/MPa 差压变送器电流值/mA 差压/kPa 差压流量计流量/（kgmin1)误差/%27.640145.612.37620.3204255.00627.9401.0826.046145.212.41818.2104222.03826.0350.0425.812145.212.44117.5001210.93925.3761.6924.591145.412.46916.8817201.27724.8050.8723.905147.112.50015.7811184.08023.8600.1921.910147.812.56413.8226153.47821.8390.3321.363148.012.57813.3706146.41621.3450.0919.905148.612.63112.0759126.18619.8560.2519.538149.412.64411.6788119.98119.4130.6417.983150.712.69210.5366102.13417.9890.0317.290151.412.70710.085895.09117.3980.6216.731152.212.7279.645288.20616.8010.4215.655152.512.7578.898976.54515.6660.0714.538153.612.7848.256266.50314.6550.8013.553154.512.8017.700357.81713.7041.1212.851154.712.8277.309451.70912.9690.9211.864154.912.8416.806743.85511.9510.7310.921154.412.8596.400537.50811.0341.0410.183154.512.8756.075632.43110.2640.799.4615155.112.8905.769327.6459.4950.358.7323156.112.9045.500223.4418.7710.448.0170157.012.9165.262319.7238.0690.65第50卷第1期罗凡，等：超临界二氧化碳流量测量方法研究67参考文献 张进,董鹤鸣,王硕,等.超临界二氧化碳孔板流量计结构参数模拟研究 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