引言

 

質量流量計是20世紀70年代發展起來的流量測量儀表。它由傳感器和信號處理系統組成。傳感器是一種基于科里奧利效應的諧振式傳感器,又叫測量管。當流體通過測量管時,會產生與質量流量成正比的科里奧利力,通過對科里奧利力進行信號處理,可實現流體質量的直接測量。同時,通過檢測測量管的振動頻率變化,可實現流體密度的測量;通過安裝在內部測量管上的一個鉑電阻,可監測流體溫度的變化。通過測量過程流體流量、密度、溫度,可以計算出流體的質量總量、體積流量、體積總量、濃度、各組分的百分比含量等。質量流量計測量質量不受過程流體的溫度、壓力、密度、黏度等參數變化的影響,具有準確度高、量程寬的特點。其應用領域涵蓋:從油氣開采、石油煉制、化工、食品醫藥、建材、電力等傳統領域,到新醫藥、新能源,半導體等新興行業;從單一液體測量到氣體和漿液 兩相測量;從過程控制到精細配比、貿易交接。 由于質量流量計具備上述優點,應用領域越來越 廣泛,各生產廠商陸續推出了各自的系列產品。 本文 通過介紹質量流量計市場現狀,梳理主要廠商產品特 點,對目前市場上主要品牌產品進行了性能對比和分 析,提出了質量流量計發展方向。 

 

1 質量流量計國內外市場。 

近年來,世界經濟快速發展,能源需求顯著增加。 隨著對交接計量、環境保護、信息化、精細管理要求的 提升,科氏質量流量計的市場應用也顯著增加。 2019 年,全球科氏質量流量計市場規模大約 19 億美元,主 要應用領域包括油氣、化工和石油化工、食品和飲料等 行業。 其中:液體應用的市場份額約為 15 億美元,占 比約 79%;氣體應用的市場份額約為 4 億美元,占比約 21%。 科氏質量流量計的年增長率約為 11%,增長主 要來自能源行業。 其中:亞太區能源板塊的增長非常快, 中東市場油氣項目的投資也在持續增長。 2019 年,國 內的市場規模約為 18 億人民幣,市場排名中進口品牌 主要是艾默生、 恩德斯豪斯(E+H)、科隆(Krohne)、橫 河、ABB。 國產產品占比約為 10%,西安東風機電和山 西太航在國產廠商中處于kao_qian。 

 

2 質量流量計技術發展 

近年來,隨著有限元分析和模態仿真的應用、測量 管材料性能的提升、機械加工能力增強等基礎技術的 迅猛發展,以及集成電路、數字化處理、軟件解算能力 的提升,使得流量測量精度持續提升,測量范圍進一步 擴大,現場適應性顯著提高。 在此基礎上,質量流量計 的應用場合不斷擴展。 國產質量流量計生產廠商通過 緊跟世界先進技術,不斷在以上環節對產品進行技術 發展和升級,產品性能和質量得到較大的提高。 

 

2. 1 技術改進擴大測量應用范圍 

在過去的二十年里,科氏質量流量計在世界范圍 內被廣泛地應用于多種的液體測量。 過去的產品設計 通過高壓損獲得高精度的流量讀數,因為對噪聲的敏 感和過程溫度、壓力的影響,使得流量計有時不能穩定 工作。 新的設計顯著改善了壓損、小流量靈敏度以及 對工藝噪聲的抑制和識別能力,使得液體測量應用范 圍進一步擴大,競爭優勢更加明顯。 技術的提升也推 動質量流量計應用于氣體測量。 2019 年,全球約有超 過 80 000 臺質量流量計應用于氣體測量,氣體測量應 用的增長速度大約是液體應用增速的四倍多。 美國石 油協會(american petroleum institute,API)、國家計量機 構(national measure institute,NMI)、德國聯邦物理技術 研究院( physikalisch-technischen bundesanstalt,PTB)等 多個組織都在研究和提供標準,以提升質量流量計的 氣體測量應用。 

 

2. 2 降低采購和維護成本提升產品競爭力 

質量流量計技術發展帶動了產品在主要工業行業 的應用推廣,尤其是在石油石化能源行業,質量流量計 的需求持續增長。 然而,相對其他傳統流量計,質量流 量計的制造成本和維護成本相對較高,能源企業主只 有在貿易交接等需要高精度測量的場合才選用質量流 量計,高價格限制了市場規模的進一步擴大。 如何有 效降低質量流量計的制造成本,從而使價格更加“親 民”、使更多的用戶接受,是廠商未來的挑戰和機遇。 另外,質量流量計的標定、運行評估等維護成本需要用 戶在技術、輔助設備、資金、時間上需要大量的投入,也 增加了用戶的成本負擔。 因此,合理、完善、簡便、有效 的維護服務模式,也是擴大用戶、創造競爭優勢的 機會。 

 

2. 3 通信技術進步形成了新的技術壁壘 

在過去的十年里,信息技術、通信技術出現了大幅 的進步。 基金會現場總線( foundation fieldbus,FF) 和 Profibus PB/ PA 將成為主要的通信協議,預計將超過 HART 協議。 現在,主要流量計的生產廠商提供了各 種各樣的協議,以實現不同的網絡應用,包括 MUDBUS 通信協議、HART 協議、以太網、工業網;同時,模擬信 號,環流、開關量依舊存在。 產品通信協議的廣泛兼容 性以便在各類應用領域需求使用滿足,是占領市場的 先決條件。 同時,客觀上形成的技術壁壘,限制了其他 廠商的產品應用。 

 

2. 4 測量技術和應用需求的快速結合 

多相流的測量、小流量的測量精度、過程數據記錄 和數據分析診斷、認證的貿易交接,一直是困擾用戶的 難題。 目前,海外質量流量計廠商陸續推出了相關的 技術和產品來適應用戶不斷提高的要求。 此項工作在 國內的生產廠商處還沒有開展。 如何快速開發出相關 產品,對于國產廠商來說,是很大的機遇和挑戰。 3 國內外品牌產品對比 通過對國內外主要廠商產品進行對比,總結分析 主要廠商在產品、性能、功能等方面的優缺點,以提出 國產質量流量計的技術發展和提升方向。 

 

3. 1 產品系列化對比 

①主要廠商產品系列對比:主要廠商均推出系列產品,以滿足不同場合的使用,系列間均有明確的區分 標準,能準確區分產品的應用場合、性能指標、應用優 勢等。各主要廠商產品系列如表 1 所示。

 

以艾默生的 CMF 系列和 F 系列產品為例,F 系列 制造成本低、適用于普通過程控制,CMF 系列更加適 用于復雜工況、精密和貿易交接。 艾默生系列產品對 比如表 2 所示。

②產品系列化發展趨勢分析:國外廠商根據市場 的需求及應用領域進行產品定位,非常注重詳細區分 產品的設計性能、部件組成、軟件功能,落實產品設計 定位、性能定位、功能定位、應用定位,強化了產品的市 場指向性和產品的專業化水平。 以西安東風為代表的 國產廠商以市場為導向,通過開發系列化產品滿足不 同的市場需求,與國外廠商逐步縮小了差距。 

 

3. 2 產品性能化對比 

①在滿足國內外相關標準及特殊需求方面,國產 產品與進口產品還存在明顯差異。 證 在零點穩定度值、量程比、壓力范圍、溫度范圍、認 等方面[1] ,國產產品與國外kao_qian品牌(如艾默生高 精度 CMF 系列)相比還有一定差距,國內外產品主要 性能指標對比如表 3 所示。

 

國內外產品在測量液體時基本能夠滿足過程應用 中的常規需求,但工藝條件變化后,測量效果隨之變化 的程度,國內外產品卻有著明顯的差異。 例如:含氣、 脈動、外部振動、現場干擾等工藝影響下的測量效果[2] ,國產產品與國外kao_qian品牌還存在一定的差距。 貿易交接應用中,國產產品能否達到長期、可靠的要 求,還需要進一步評估。 例如:零點漂移、安裝及環境 影響、故障率等需要進行至少一年以上的長期應用評 估[3] 。 國內外產品在密度測量的準確度指標上還有差 異;部分國產廠家沒有重視密度標定及檢定工作,而進 口產品大多有明確的規程和檢定。 ②國產產品性能提升方向分析:針對已經推向市 場的系列化產品,建議國產廠家持續地進行性能優化, 制定系統的優化方案,以縮小與國外產品的差距;同 時,要進一步提升國產產品的可靠性。 

 

3. 3 產品功能化對比 

(1)在安裝、顯示、輸出等七大功能方面,國產產 品與進口產品還存在一定差距。 

①安裝功能。 國內外生產廠商,在產品的技術文 件中,對于特殊應用,例如高溫、低溫、兩相流、貿易應 用等,均未給出詳細、明確的尺寸、應用圖樣說明,在安 裝手冊中也未給出詳細的說明。 這使得客戶在實際安 裝應用中易產生差錯,造成后期的糾紛較多。

 

②顯示功能。 國內外生產廠商差異不大,現場顯示 組態功能均可通過菜單授權,從而打開、關閉部分顯示 項;可以通過按鍵選擇進行儀表組態;采用新型的顯示 模塊,可以進行圖形或多行的顯示。 狀態指示通過增加 顯示面板上的發光二極管數量和表征方式(顏色、閃爍 方式),使得儀表工作狀態能更加直觀地被表征出來。 

 

③輸出功能。 開關量的輸出,對于優化過程控制 應用廣泛,在國外產品中均有體現,在國產品牌中現在 還相對較少。 雙環流輸出及輸出可組態,對于化工過 程控制應用中比較普遍,在國外產品中均有體現,在國 產品牌中現在還相對較少。 

 

④補償功能[4] 。 動態壓力補償功能,不同的工藝 壓力會有不同的零點及斜率的變化。 這種變化的程 度,在不同結構型式的質量流量計上,表現各不相同。 雖然國內外廠家都采用了壓力補償功能,工藝壓力變 化對斜率的影響被降低到非常小。 但國產質量流量計在 精確計量、貿易交接等應用中還不充分,壓力對零點的 影響也必須被考慮進去。 溫度影響補償功能,同樣介 質溫度變化也會導致零點及斜率的變化,如同上述的 壓力影響一樣,生產廠商都進行了溫度補償。 但是,環 境溫度、介質溫度引起的零點影響卻很少考慮,在高精 度要求中,這部分是需要注意的。 此外,在密度測量應 用中,由介質流的帶來的密度測量變化也必須被關注。 為了保證實際應用中的密度測量精度,應考慮密度補 償功能。 

 

⑤診斷功能。 在出現故障或性能超差時,流量計的 狀態(包括:變送器、傳感器、連線)需要進行維修或功能 檢查。 因此,在線診斷功能對于用戶使用、服務的效率、 工程安全都至關重要,而智能化儀表功能是必不可少 的。 部分國產廠家還沒有開展功能開發,還不具備自動 的校驗功能和對參數、狀態、配置、趨勢的校驗功能。 

⑥記錄功能。 部分國產產品尚不具備按照時間軸 記錄測量變化、操作變化、配置變化的功能,也不具備 記錄數據的讀入和分析工具,現場數據記錄與故障分 析依舊困難。 

⑦輔助功能。 部分國產產品還不具備壓力補償的 一體化功能,無法實現流量計泄漏的自動化檢測。 

 

(2)國產產品功能提升方向分析。 建議國產廠商按照各功能分解情況,在輸出功能、 補償功能、診斷功能等核心指標上對標進口產品,充分 利用國內快速發展的電子技術、信息技術、機械加工能 力,不斷迭代產品軟硬件,持續提升該產品性能和質 量,并加大國內市場推廣力度,在實際應用中提升產品 功能。 

 

3. 4 制造工藝標準化情況對比 

①在制造檢定工藝方面,國產產品與進口產品還 存在一定差距。 出廠前的老化工藝是降低產品在現場故障率的有 效方法。 這也是產品疲勞試驗的重要一環。 通過老化 可以有效提高產品的可靠性,國產廠商老化工藝要求 和裝備水平還有較大提升空間。 對于測量氧氣等工藝 應用時,流量計必須進行脫脂處理,而國產廠商往往忽 視脫脂工藝。 出廠檢定也是國產廠商的薄弱環節。 同一類產品 出廠后會被應用到不同的工藝環境中:有可能測量液 體,也可能測量氣體;有可能測量大流量,也有可能測 量小流量。 因此,在出廠檢定時,除了按照核定規程要 求[5]進行出廠檢定外,建議結合各應用的技術指標和 應用特點,進行出廠綜合評定[6] ,以增強產品實際應用 的可靠性。 例如,結合設計規格出中的質量流量范圍、 介質溫度等技術要求,除進行常規出廠檢定外,對密 度、溫度的檢驗和標定也是非常必要的。

 

 ②制造水平提升方向。 質量流量計性能高低很大程度取決于廠商是否具 備先進完備生產流程。 首先,應完善產品老化流程,嚴 格篩選標準。 其次,嚴格標定規則、增加密度、溫度的 檢定工藝。 第三,對于脫脂工藝等特殊應用制定特殊 工藝保證手段。 

 

3. 5 產品應用化對比 

①在滿足應用要求方面,國產產品與進口產品還 存在一定差距。

 

進口產品比較重視開展應用化研究。 例如:小口 徑的快速灌裝應用、貿易交接應用、液化天然應用、高 壓、高溫應用,進口產品明顯kao_qian國產產品;撬裝設備 是提升應用便捷化和準確度的有效手段,進口產品在 撬裝技術應用方面kao_qian國產產品,在能源行業廣泛使 用的密度橇、計量橇、裝卸橇、拌合橇、單井橇、燃料橇, 仍以進口質量流量計為主。

 

 ②技術趨勢分析。 形成解決方案的標準化,推出模塊化的產品,具有 軟、硬件的集成,滿足現場模塊化安裝、操作方便、簡單實 用的效果。 例如對定量裝車系統進行模塊化、橇裝化。 

 

4 技術發展展望 

目前,質量流量計的技術發展方向主要是圍繞提 升測量性能和提高現場適應性開展技術升級,通過電 路快速響應和精確控制以及軟件處理,提升信噪比,提 高測量性能,使質量流量計在多相流、間歇流、裝卸應 用等苛刻條件下的應用得以推廣。 未來,隨著信息技 術和智能化水平提升,質量流量計將會成為新的智能 終端。 除了提供流量、密度、溫度、黏度等測量功能以 外,其還可通過信息處理和現場網絡,利用多元過程統 計監控、模糊邏輯分析及自適應技術,將質量流量計的 測量變量、狀態信息、過程信息、及趨勢性信息進行有 效融合,實現質量流量計自身狀態評估、故障診斷、自 動校準、工藝過程監測及自適應和資產管理協助等功 能[7-8] 。 這些功能可以促進過程工藝優化,降本增效。 近年來,國產質量流量計技術已有了大幅提升。

 

 國內外產品使用效果比對表明,國產產品性能指標基 本達到了國外產品的水平,已經具備了與進口產品競 爭的能力。 但是國產質量流量計在許多苛刻應用場合 與進口產品還存在明顯差距:

 

①國產產品在多相流、間 歇性流體的測量準確性不高;

 

②國產產品在微小流量 場合敏感度低,誤差較大,測量能力有待提高;

 

③在功 能提升和認證方面差距明顯,國內產品的儀表數據監 控和狀態分析診斷功能,與進口產品相比,還處于模仿 和追趕的狀況,在需要貿易交接場合,進口產品的認證 更受歡迎,更加被用戶認可;

 

④國產產品在苛刻工況下 工作的穩定性不高;

 

⑤kao_qian的進口質量流量計生產商 陸續推出了相關的技術和產品以適應客戶不斷提高的 要求,而國內生產廠商處還沒有開展此項工作。 面對機會和挑戰,相信質量流量計國產廠商通過 持續技術提升、合理的定價、發展可定制的應用性技 術,結合國內廠家的服務優勢、應用優勢和技術能力, 將會有效推動國產化的進程。 

 

5 結論

隨著高速信號處理技術、數字驅動技術、振動控制 技術、軟件算法等技術的發展,質量流量計作為一種高 精度流量測量儀表,產品性能正在不斷地完善提升。 量程比的進一步增加,使質量流量計適應工藝條件變 化的能力進一步增強,測量穩定性持續提升,氣體測 量、小流量測量準確度大幅提高。 性能提升使得質量 流量計在石油石化、化學配比、貿易交接、生物醫藥、新 興能源等領域得到廣泛的應用。 

 

通過對國內外主要品 牌的產品進行詳細對比,總結分析主要廠商在產品、性 能、功能等方面的優缺點。 國產產品應在現有生產工 藝水平的基礎上,通過持續的技術優化和創新,進一步 提升質量流量計的穩定性和可靠性;通過擴大智能化 水平的研發投入,在滿足基本測量要求的基礎上,快速 適應當今信息技術、物聯網技術發展對工業儀表新要 求,這是國產質量流量計的技術發展和提升方向。