引言

 

质量流量计是20世纪70年代发展起来的流量测量仪表。它由传感器和信号处理系统组成。传感器是一种基于科里奥利效应的谐振式传感器,又叫测量管。当流体通过测量管时,会产生与质量流量成正比的科里奥利力,通过对科里奥利力进行信号处理,可实现流体质量的直接测量。同时,通过检测测量管的振动频率变化,可实现流体密度的测量;通过安装在内部测量管上的一个铂电阻,可监测流体温度的变化。通过测量过程流体流量、密度、温度,可以计算出流体的质量总量、体积流量、体积总量、浓度、各组分的百分比含量等。质量流量计测量质量不受过程流体的温度、压力、密度、黏度等参数变化的影响,具有准确度高、量程宽的特点。其应用领域涵盖:从油气开采、石油炼制、化工、食品医药、建材、电力等传统领域,到新医药、新能源,半导体等新兴行业;从单一液体测量到气体和浆液 两相测量;从过程控制到精细配比、贸易交接。 由于质量流量计具备上述优点,应用领域越来越 广泛,各生产厂商陆续推出了各自的系列产品。 本文 通过介绍质量流量计市场现状,梳理主要厂商产品特 点,对目前市场上主要品牌产品进行了性能对比和分 析,提出了质量流量计发展方向。 

 

1 质量流量计国内外市场。 

近年来,世界经济快速发展,能源需求显著增加。 随着对交接计量、环境保护、信息化、精细管理要求的 提升,科氏质量流量计的市场应用也显著增加。 2019 年,全球科氏质量流量计市场规模大约 19 亿美元,主 要应用领域包括油气、化工和石油化工、食品和饮料等 行业。 其中:液体应用的市场份额约为 15 亿美元,占 比约 79%;气体应用的市场份额约为 4 亿美元,占比约 21%。 科氏质量流量计的年增长率约为 11%,增长主 要来自能源行业。 其中:亚太区能源板块的增长非常快, 中东市场油气项目的投资也在持续增长。 2019 年,国 内的市场规模约为 18 亿人民币,市场排名中进口品牌 主要是艾默生、 恩德斯豪斯(E+H)、科隆(Krohne)、横 河、ABB。 国产产品占比约为 10%,西安东风机电和山 西太航在国产厂商中处于kao_qian。 

 

2 质量流量计技术发展 

近年来,随着有限元分析和模态仿真的应用、测量 管材料性能的提升、机械加工能力增强等基础技术的 迅猛发展,以及集成电路、数字化处理、软件解算能力 的提升,使得流量测量精度持续提升,测量范围进一步 扩大,现场适应性显著提高。 在此基础上,质量流量计 的应用场合不断扩展。 国产质量流量计生产厂商通过 紧跟世界先进技术,不断在以上环节对产品进行技术 发展和升级,产品性能和质量得到较大的提高。 

 

2. 1 技术改进扩大测量应用范围 

在过去的二十年里,科氏质量流量计在世界范围 内被广泛地应用于多种的液体测量。 过去的产品设计 通过高压损获得高精度的流量读数,因为对噪声的敏 感和过程温度、压力的影响,使得流量计有时不能稳定 工作。 新的设计显著改善了压损、小流量灵敏度以及 对工艺噪声的抑制和识别能力,使得液体测量应用范 围进一步扩大,竞争优势更加明显。 技术的提升也推 动质量流量计应用于气体测量。 2019 年,全球约有超 过 80 000 台质量流量计应用于气体测量,气体测量应 用的增长速度大约是液体应用增速的四倍多。 美国石 油协会(american petroleum institute,API)、国家计量机 构(national measure institute,NMI)、德国联邦物理技术 研究院( physikalisch-technischen bundesanstalt,PTB)等 多个组织都在研究和提供标准,以提升质量流量计的 气体测量应用。 

 

2. 2 降低采购和维护成本提升产品竞争力 

质量流量计技术发展带动了产品在主要工业行业 的应用推广,尤其是在石油石化能源行业,质量流量计 的需求持续增长。 然而,相对其他传统流量计,质量流 量计的制造成本和维护成本相对较高,能源企业主只 有在贸易交接等需要高精度测量的场合才选用质量流 量计,高价格限制了市场规模的进一步扩大。 如何有 效降低质量流量计的制造成本,从而使价格更加“亲 民”、使更多的用户接受,是厂商未来的挑战和机遇。 另外,质量流量计的标定、运行评估等维护成本需要用 户在技术、辅助设备、资金、时间上需要大量的投入,也 增加了用户的成本负担。 因此,合理、完善、简便、有效 的维护服务模式,也是扩大用户、创造竞争优势的 机会。 

 

2. 3 通信技术进步形成了新的技术壁垒 

在过去的十年里,信息技术、通信技术出现了大幅 的进步。 基金会现场总线( foundation fieldbus,FF) 和 Profibus PB/ PA 将成为主要的通信协议,预计将超过 HART 协议。 现在,主要流量计的生产厂商提供了各 种各样的协议,以实现不同的网络应用,包括 MUDBUS 通信协议、HART 协议、以太网、工业网;同时,模拟信 号,环流、开关量依旧存在。 产品通信协议的广泛兼容 性以便在各类应用领域需求使用满足,是占领市场的 先决条件。 同时,客观上形成的技术壁垒,限制了其他 厂商的产品应用。 

 

2. 4 测量技术和应用需求的快速结合 

多相流的测量、小流量的测量精度、过程数据记录 和数据分析诊断、认证的贸易交接,一直是困扰用户的 难题。 目前,海外质量流量计厂商陆续推出了相关的 技术和产品来适应用户不断提高的要求。 此项工作在 国内的生产厂商处还没有开展。 如何快速开发出相关 产品,对于国产厂商来说,是很大的机遇和挑战。 3 国内外品牌产品对比 通过对国内外主要厂商产品进行对比,总结分析 主要厂商在产品、性能、功能等方面的优缺点,以提出 国产质量流量计的技术发展和提升方向。 

 

3. 1 产品系列化对比 

①主要厂商产品系列对比:主要厂商均推出系列产品,以满足不同场合的使用,系列间均有明确的区分 标准,能准确区分产品的应用场合、性能指标、应用优 势等。各主要厂商产品系列如表 1 所示。

 

以艾默生的 CMF 系列和 F 系列产品为例,F 系列 制造成本低、适用于普通过程控制,CMF 系列更加适 用于复杂工况、精密和贸易交接。 艾默生系列产品对 比如表 2 所示。

②产品系列化发展趋势分析:国外厂商根据市场 的需求及应用领域进行产品定位,非常注重详细区分 产品的设计性能、部件组成、软件功能,落实产品设计 定位、性能定位、功能定位、应用定位,强化了产品的市 场指向性和产品的专业化水平。 以西安东风为代表的 国产厂商以市场为导向,通过开发系列化产品满足不 同的市场需求,与国外厂商逐步缩小了差距。 

 

3. 2 产品性能化对比 

①在满足国内外相关标准及特殊需求方面,国产 产品与进口产品还存在明显差异。 证 在零点稳定度值、量程比、压力范围、温度范围、认 等方面[1] ,国产产品与国外kao_qian品牌(如艾默生高 精度 CMF 系列)相比还有一定差距,国内外产品主要 性能指标对比如表 3 所示。

 

国内外产品在测量液体时基本能够满足过程应用 中的常规需求,但工艺条件变化后,测量效果随之变化 的程度,国内外产品却有着明显的差异。 例如:含气、 脉动、外部振动、现场干扰等工艺影响下的测量效果[2] ,国产产品与国外kao_qian品牌还存在一定的差距。 贸易交接应用中,国产产品能否达到长期、可靠的要 求,还需要进一步评估。 例如:零点漂移、安装及环境 影响、故障率等需要进行至少一年以上的长期应用评 估[3] 。 国内外产品在密度测量的准确度指标上还有差 异;部分国产厂家没有重视密度标定及检定工作,而进 口产品大多有明确的规程和检定。 ②国产产品性能提升方向分析:针对已经推向市 场的系列化产品,建议国产厂家持续地进行性能优化, 制定系统的优化方案,以缩小与国外产品的差距;同 时,要进一步提升国产产品的可靠性。 

 

3. 3 产品功能化对比 

(1)在安装、显示、输出等七大功能方面,国产产 品与进口产品还存在一定差距。 

①安装功能。 国内外生产厂商,在产品的技术文 件中,对于特殊应用,例如高温、低温、两相流、贸易应 用等,均未给出详细、明确的尺寸、应用图样说明,在安 装手册中也未给出详细的说明。 这使得客户在实际安 装应用中易产生差错,造成后期的纠纷较多。

 

②显示功能。 国内外生产厂商差异不大,现场显示 组态功能均可通过菜单授权,从而打开、关闭部分显示 项;可以通过按键选择进行仪表组态;采用新型的显示 模块,可以进行图形或多行的显示。 状态指示通过增加 显示面板上的发光二极管数量和表征方式(颜色、闪烁 方式),使得仪表工作状态能更加直观地被表征出来。 

 

③输出功能。 开关量的输出,对于优化过程控制 应用广泛,在国外产品中均有体现,在国产品牌中现在 还相对较少。 双环流输出及输出可组态,对于化工过 程控制应用中比较普遍,在国外产品中均有体现,在国 产品牌中现在还相对较少。 

 

④补偿功能[4] 。 动态压力补偿功能,不同的工艺 压力会有不同的零点及斜率的变化。 这种变化的程 度,在不同结构型式的质量流量计上,表现各不相同。 虽然国内外厂家都采用了压力补偿功能,工艺压力变 化对斜率的影响被降低到非常小。 但国产质量流量计在 精确计量、贸易交接等应用中还不充分,压力对零点的 影响也必须被考虑进去。 温度影响补偿功能,同样介 质温度变化也会导致零点及斜率的变化,如同上述的 压力影响一样,生产厂商都进行了温度补偿。 但是,环 境温度、介质温度引起的零点影响却很少考虑,在高精 度要求中,这部分是需要注意的。 此外,在密度测量应 用中,由介质流的带来的密度测量变化也必须被关注。 为了保证实际应用中的密度测量精度,应考虑密度补 偿功能。 

 

⑤诊断功能。 在出现故障或性能超差时,流量计的 状态(包括:变送器、传感器、连线)需要进行维修或功能 检查。 因此,在线诊断功能对于用户使用、服务的效率、 工程安全都至关重要,而智能化仪表功能是必不可少 的。 部分国产厂家还没有开展功能开发,还不具备自动 的校验功能和对参数、状态、配置、趋势的校验功能。 

⑥记录功能。 部分国产产品尚不具备按照时间轴 记录测量变化、操作变化、配置变化的功能,也不具备 记录数据的读入和分析工具,现场数据记录与故障分 析依旧困难。 

⑦辅助功能。 部分国产产品还不具备压力补偿的 一体化功能,无法实现流量计泄漏的自动化检测。 

 

(2)国产产品功能提升方向分析。 建议国产厂商按照各功能分解情况,在输出功能、 补偿功能、诊断功能等核心指标上对标进口产品,充分 利用国内快速发展的电子技术、信息技术、机械加工能 力,不断迭代产品软硬件,持续提升该产品性能和质 量,并加大国内市场推广力度,在实际应用中提升产品 功能。 

 

3. 4 制造工艺标准化情况对比 

①在制造检定工艺方面,国产产品与进口产品还 存在一定差距。 出厂前的老化工艺是降低产品在现场故障率的有 效方法。 这也是产品疲劳试验的重要一环。 通过老化 可以有效提高产品的可靠性,国产厂商老化工艺要求 和装备水平还有较大提升空间。 对于测量氧气等工艺 应用时,流量计必须进行脱脂处理,而国产厂商往往忽 视脱脂工艺。 出厂检定也是国产厂商的薄弱环节。 同一类产品 出厂后会被应用到不同的工艺环境中:有可能测量液 体,也可能测量气体;有可能测量大流量,也有可能测 量小流量。 因此,在出厂检定时,除了按照核定规程要 求[5]进行出厂检定外,建议结合各应用的技术指标和 应用特点,进行出厂综合评定[6] ,以增强产品实际应用 的可靠性。 例如,结合设计规格出中的质量流量范围、 介质温度等技术要求,除进行常规出厂检定外,对密 度、温度的检验和标定也是非常必要的。

 

 ②制造水平提升方向。 质量流量计性能高低很大程度取决于厂商是否具 备先进完备生产流程。 首先,应完善产品老化流程,严 格筛选标准。 其次,严格标定规则、增加密度、温度的 检定工艺。 第三,对于脱脂工艺等特殊应用制定特殊 工艺保证手段。 

 

3. 5 产品应用化对比 

①在满足应用要求方面,国产产品与进口产品还 存在一定差距。

 

进口产品比较重视开展应用化研究。 例如:小口 径的快速灌装应用、贸易交接应用、液化天然应用、高 压、高温应用,进口产品明显kao_qian国产产品;撬装设备 是提升应用便捷化和准确度的有效手段,进口产品在 撬装技术应用方面kao_qian国产产品,在能源行业广泛使 用的密度橇、计量橇、装卸橇、拌合橇、单井橇、燃料橇, 仍以进口质量流量计为主。

 

 ②技术趋势分析。 形成解决方案的标准化,推出模块化的产品,具有 软、硬件的集成,满足现场模块化安装、操作方便、简单实 用的效果。 例如对定量装车系统进行模块化、橇装化。 

 

4 技术发展展望 

目前,质量流量计的技术发展方向主要是围绕提 升测量性能和提高现场适应性开展技术升级,通过电 路快速响应和精确控制以及软件处理,提升信噪比,提 高测量性能,使质量流量计在多相流、间歇流、装卸应 用等苛刻条件下的应用得以推广。 未来,随着信息技 术和智能化水平提升,质量流量计将会成为新的智能 终端。 除了提供流量、密度、温度、黏度等测量功能以 外,其还可通过信息处理和现场网络,利用多元过程统 计监控、模糊逻辑分析及自适应技术,将质量流量计的 测量变量、状态信息、过程信息、及趋势性信息进行有 效融合,实现质量流量计自身状态评估、故障诊断、自 动校准、工艺过程监测及自适应和资产管理协助等功 能[7-8] 。 这些功能可以促进过程工艺优化,降本增效。 近年来,国产质量流量计技术已有了大幅提升。

 

 国内外产品使用效果比对表明,国产产品性能指标基 本达到了国外产品的水平,已经具备了与进口产品竞 争的能力。 但是国产质量流量计在许多苛刻应用场合 与进口产品还存在明显差距:

 

①国产产品在多相流、间 歇性流体的测量准确性不高;

 

②国产产品在微小流量 场合敏感度低,误差较大,测量能力有待提高;

 

③在功 能提升和认证方面差距明显,国内产品的仪表数据监 控和状态分析诊断功能,与进口产品相比,还处于模仿 和追赶的状况,在需要贸易交接场合,进口产品的认证 更受欢迎,更加被用户认可;

 

④国产产品在苛刻工况下 工作的稳定性不高;

 

⑤kao_qian的进口质量流量计生产商 陆续推出了相关的技术和产品以适应客户不断提高的 要求,而国内生产厂商处还没有开展此项工作。 面对机会和挑战,相信质量流量计国产厂商通过 持续技术提升、合理的定价、发展可定制的应用性技 术,结合国内厂家的服务优势、应用优势和技术能力, 将会有效推动国产化的进程。 

 

5 结论

随着高速信号处理技术、数字驱动技术、振动控制 技术、软件算法等技术的发展,质量流量计作为一种高 精度流量测量仪表,产品性能正在不断地完善提升。 量程比的进一步增加,使质量流量计适应工艺条件变 化的能力进一步增强,测量稳定性持续提升,气体测 量、小流量测量准确度大幅提高。 性能提升使得质量 流量计在石油石化、化学配比、贸易交接、生物医药、新 兴能源等领域得到广泛的应用。 

 

通过对国内外主要品 牌的产品进行详细对比,总结分析主要厂商在产品、性 能、功能等方面的优缺点。 国产产品应在现有生产工 艺水平的基础上,通过持续的技术优化和创新,进一步 提升质量流量计的稳定性和可靠性;通过扩大智能化 水平的研发投入,在满足基本测量要求的基础上,快速 适应当今信息技术、物联网技术发展对工业仪表新要 求,这是国产质量流量计的技术发展和提升方向。