孙增华，赵云岷，王 斌



高准科氏质量流量技术用于燃油精确管控

孙增华1,2，赵云岷1，王 斌1

（1. 青岛港湾职业技术学院， 山东青岛 266404；2． 大连海事大学 轮机工程学院， 辽宁大连 116026）

为解决船舶燃油计量不准和低效率问题，研究船舶面临的燃油成本压力、计量误差产生原因和消耗动态管控策略；分析高准科氏质量流量计（CMF）的工作原理和特点，可独立测量燃油的在线密度、直接质量流量和温度，且不受被测燃油物理参数的影响，并具备智能化的自我校验功能；进行高准科氏质量流量计的船上安装设计、应用前景和经济效益分析。实船使用结果表明：高准科氏质量流量计精度高、稳定可靠，实现船舶燃油管控高效透明，降低了船舶营运成本，其投资回收期少于6个月，对船舶节能减排具重要意义。

船舶 流量计 高准科氏质量流量计 燃油管控

0 引言

船舶运输是石油消费的重点行业，也是温室效应气体(GHG)和大气污染排放的重要来源之一，“绿色航运”成为当前的热点。IMO制定的“船舶能效设计指数（EEDI）”和“船舶能效管理计划（SEEMP）”对实施船舶节能减排具有强制性和巨大的推动力[1]。航运市场低迷，国际油价走高，燃油成本已占船舶营运成本的60%以上。因此，节能减排已成为航运业的首要责任。

目前，航运业最有效的节油措施是主机降速，船舶能效营运指数(EEOI)值越小，船舶每海里油耗就越低，而船舶油耗及EEOI计算都需要精确的油耗质量监测。船舶加油、储存、净化与使用各个环节，燃油计量误差大，尤其是船舶燃油交易计量精度差是船东面临的最棘手难题之一。针对燃油管控，船东及船舶租家已采取了很多措施，如加油过程监督、第三方量油、量油飞行检查、调平船舶吃水量油、油舱表修正、油温补偿、口袋油问题、严防量油孔深度造假、杜绝加油过程中鼓气或添加起泡剂等等，但效果仍不理想。船舶加油过程，需要多人长时间用油尺反复测量确认，同时根据吃水差查阅油舱表进行修正，然后通过手动方式进行换算和温度补偿。这种多人、长时间及手动操作方式效率低、人为误差大。船舶营运中的燃油消耗不能动态精确监控，不能提供耗油量与航速的实时曲线，无法指导船上实现最佳节油航速。因此，船舶燃油管控向更加透明高效的方向发展，燃油精确计量及成本核算是航运业亟需的关键技术之一。

1 船舶燃油计量存在的问题

船舶加油不是简单的买卖双方贸易交接过程，必须考虑船舶的营运成本和投资预算，要求加油数量足够、减少因燃油加载造成的时间（船期）延误，高重复性的全球认可的精确计量技术，降低对于加油数量的争议和投诉次数等。然而，燃油装船计量包括燃油从体积到质量的转换、燃油温度补偿、油舱表与量油尺的不确定度、燃油品质(如含水、杂质、气泡等)问题，实际操作起来很难，存在油舱容量测量的内在偏差(油舱表不准、油尺测量不准)、油中含气(气泡)、加油驳船的管道内留存、流量计校准及读数问题、流量计内油可能反向流动等等。

船舶加油计量误差包括：油位测量误差，量油尺的1 cm误差可导致4 m液位的0.25%误差[2]，加上船舶横倾、纵倾或摇晃的影响，误差会更大。雷达测量油位的情况，船舶纵倾时，1 cm/m 偏离中心 & 1 m 修正(100 m舱) 产生4米液位的0.25%误差[2]，不正确的标定 (凹陷/空间/障碍物) 能导致约0.5%的误差[2]。燃油温度误差，2℃温度误差可产生0.1% 油量误差(50℃密度991 g/l的燃油)[2]，油温测量探头的位置对于燃油体积转换为质量的准确性影响很大，不同位置测的油温差别较大，实际上测量的是油舱单点温度，计算时就用这个单点温度代表油舱平均温度导致误差大。油舱内的燃油分层及密度误差产生0.25%～1.5% 油量误差[2]。高粘度燃油携带气体表现为体积增大(燃油“卡布奇诺”现象)，如果燃油夹带5%的气体，体积测量会造成+5%的批量误差，换算为质量会有+5%误差。体积到质量转换产生的误差，燃油压力、温度等参数变化较大的情况下，若仅测量体积流量，就会因燃油密度的变化带来很大的测量误差。在容积式和差压式流量计中，被测燃油密度可能变化10%，这会使流量产生10~20%的误差。上述整个过程由人工操作完成，误差会更大。

2 船舶燃油计量技术

船上常用的流量计有差压式、容积式、涡轮式、电磁式和超声波式，它们在原理上都是测量体积流量的；虽然差压式流量计可测量体积流量和质量流量，但流量值受流体介质的密度、温度和压力变化影响，需要修正[3]；因此，上述流量计都不能直接测得质量流量，尤其当流体中含有气泡时，会把气泡当作流体介质来计量，产生批量误差。它们安装要求高，其上游和下游管道必须为水平直管段。

航运以节约燃油提高经济效益，对燃油测量准确度的要求越来越高，但测量体积流量再人工乘上密度求取质量流量的方式已不能满足现代航运的要求，迫切需要流量计能直接测量和显示船舶燃油的质量流量，且不受其它参数的影响。科氏质量流量计(CMF)利用力学原理直接输出质量参数，不经过任何转换就可测量其它流量计难以测量的含气液体、含固体颗粒液体，且对被测流体的温度、压力、粘度、密度不敏感[4-7]。

3 艾默生高准科氏质量流量技术

3.1 高准科氏流量计(CMF)的结构

高准CMF可独立测量在线密度、温度、直接质量流量三个参数[2,8]。如图1(a)所示，主要部件之间以焊接和螺钉连接为主，采用双U型测量管，实现了两管相位差测量，降低了外界扰动的影响。高准CMF的多参数测量是近期流量计发展的亮点，它既可直接测取质量流量，也可利用测量管谐振频率与管中被测燃油密度之间的函数关系求取密度。通过测量密度，高准CMF可直接换算出混合在燃油中的水所占百分比，计算出含水率。

3.2 高准CMF工作原理

Coriolis力与离心力一样来自于物体运动所具有的惯性。Coriolis力是对旋转体系中直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动偏移的一种描述。如图1(b)所示，变送器提供激励电压加到驱动器上时，双U型测量管被施加简谐激振力，使U型管做相对运动。由于闭环自激电路的作用，激振频率等于测量管的一阶弯曲振动固有频率，U型管在此固有频率上谐振。双U型管在驱动器作用下绕主管道以一定频率作往复周期振动，燃油流经双U型管，流动方向与振动方向垂直，就会在U型管上产生科氏力效应，使双U型管扭转振动，安装在U型管两端的检测线圈将产生相位不同的两组信号，这两组信号的相位差与流经的燃油质量流量成比例关系[3-7]。根据弹簧和砝码系统的工作原理，振动频率和质量成正比，不同密度的燃油流经U型管时，U型管主振频率不同，可得频率与燃油密度间的线性关系[3-7]。安装在测量管入口处的铂热电阻(RTD)可间接测量燃油温度以补偿流量检测管受温度变化引起的刚性变化。

双U型高准CMF工作原理如图2(b)所示：当流量为0时，U型管只有上下振动而不受科氏力作用，两检测线圈的信号同相位。图2(c)所示：当燃油流经双U型管时，U型管上下振动过程中，将受到科氏力作用，由于U型管两侧中流动方向相反，两侧管壁受到的科氏力方向相反，形成了一对力矩作用在U型管上，使U型管产生扭曲变形，则两检测线圈的两组信号不同步而存在一相位差△，U型管扭曲角与燃油质量流量m成正比，只要测出两检测线圈的信号时间差△(也就是相位差△)，就可测得质量流量m，且与燃油的物性参数和测试条件无关。图3(a)所示：流量为0时，进口与出口检测线圈的信号同步△=0；流量越大，则△越大，即△2>△1；图3(b)所示：组合密度(流量管和流体)越高，主振频率就越低，即2>1。

变送器可解算出流经U型管的燃油质量流量和密度，高准CMF的测量解算公式如下：

高准CMF测取流体密度的关系式[3]为

高准CMF测取流体含水率的关系式[3]为

高准CMF测取质量流量的关系式[4]为

式中：x-被测流体密度，-U型测量管谐振频率，-流量计常数，-测量管质量，-测量管体积。ε-被测流体含水率，0-纯油密度，w-纯水密度。m-质量流量，s-U型管扭转弹性模量(因变形微小，s为常数)，-U型管扭转角，-U型管弯曲半径，-U型管长度，-U型管绕主管道(支撑管)摆动的角速度，△-U型管进口和出口两检测线圈的信号时间差。

3.3 高准CMF的特点

艾默生Micro Motion(高准)Coriolis(科氏)质量流量计(高准CMF)[2.8]，具有精度高、稳定性好、高精度直接质量流量测量，且不受被测燃油物理参数的影响，计量精度已达0.05%～0.1%，重复性优于0.1%[2,7]。计量结果有权威性，可追踪计量过程，这正是船舶燃油精确管控所迫切期待的。

高准CMF对介质适应性较广，可气液两相测量，卓越的含气测量能力。因不受管内流动状态的影响，无论是层流还是湍流都不影响其测量精度，对流速分布不敏感[4-7]。无论其上游还是下游，高准传感器没有直管段要求，为船上安装提供了很多方便。其检测管内无部件，便于维护和清洗，使用寿命更长。它测量范围大，在测量质量流量的同时，可同时测得在线密度、温度、体积流量和含水率等。

高准CMF缺点是对外界震动干扰较敏感。为防止主管道震动的影响，CMF流量传感器对安装固定有较高的要求；额定口径范围2~300 mm，流量范围2 kg/hr~3200 Tons/hr[2,8]；测量管内壁磨损腐蚀或沉积结垢会影响其测量精度。但在CMF发生问题以前能够通过自校验功能获得其状态信息。

航运业全球化特点对CMF标定维护提出了更高要求。高准CMF具有在线自检功能，可在任何地点、任何时间在线运行仪表自检功能，自动分析现有状态并与其出厂“指纹”进行对比[2,8]，判断其状况及零点稳定性，决定是否需要拆除仪表进行离线标定，该方法已获得国际权威第三方认证机构荷兰NMI认证。如果CMF自检结果没有偏离NMI允许范围，可无限期使用而无需标定，其测量结果为国际法定计量组织(OIML)所承认，并扩展到欧盟及其它国家和地区[2,8]。

4 高准科氏质量流量计(CMF)的应用

有效地控制燃油直接关系到航运业国际竞争力，测量原理的先进性决定了高准CMF具有极大的优越性，备受航运业关注。高准CMF的测量管内无运动部件，无阻碍燃油流动的部件，降低压头损失意味着降低运营成本。直接获得质量流量、在线密度和温度，提高燃油交易效率和精度，降低不确定度可使未计入的损失降到最低，尤其是高精度测量带来了最终效益。

2008年，Maersk船队开始安装高准CMF，ExxonMobil、台湾长荣、中海集运等也为其船舶安装高准CMF。船上安装高准CMF后，加油时直接提供质量流量，消除了加油数量上的争议。船舶主副机、锅炉耗油被实时计量、存储，并传送到岸上监控分析，实现船舶能效精确管理，如表1所示。

表1马士基应用高准CMF数据报告

5 高准科氏质量流量计(CMF)的实船安装

高准CMF基体应安装在一个平稳坚固和无振动的基础上；若在高振动环境使用，应注意基础减振。其传感器进出口与管道之间应用柔性管道连接，传感器不需外部支撑。多台高准CMF串联或并联使用，为防止它们之间相互影响，其传感器之间的距离应足够远，管卡和支撑物应分别设置在各自独立的基础上。为防止高准CMF传感器内积存气体，U型测量管的弯管应朝下，但只要流量管中始终充满燃油，无论U型管朝向如何，高准CMF传感器都能正常工作。尽管高准CMF不受安装应力影响，但要尽量减小仪表上的弯曲应力和扭应力。

高准CMF可在码头、船厂、锚地或船舶航行过程中安装，3-5天即可完成，不影响船期。安装高准CMF图纸需要先通过相关船级社审核并批准，流量计安装管路图需经船级社认证，这由船东来完成。提前准备好符合船级社要求的物料，如管路、法兰、伴温管、绝热材料、电缆、封堵材料等；配备安全员、防火措施、搭脚手架等；符合工艺和技术要求的安装焊接。进行密闭性能试验，确保管路密闭性能要求；用玻璃丝棉对流量计及管路进行保护。最后厂家技术人员进行高准CMF系统的调试、测试。

HFO和MGO的高准CMF分别安装在加油总管上，主机、副机和辅锅炉的燃油进口和回油口各安装1个高准CMF，确认电缆铺设通道、电缆开孔、GPS岸转位置和控制单元接线箱等。高准CMF传感器配有一体式变送器，它们之间不需要接线。每台CMF都应安装一台性能良好的稳压电源，同时安装接地线。高准CMF无需调零，上电使用前确保传感器流量管内充满燃油即可，其测量结果经RS485、HART、以太网传输，经卫星通讯发送到岸上办公室，其测量信息可实时存储、打印、远程传输与组态分析，真正实现了船舶燃油管控的透明高效。

6 安装高准CMF投资回报分析

一艘远洋船舶需安装5-8个高准CMF，包括远程监控系统，总价5-18万美元，材料和人工费约3万美元。表1表明5.75个月就能收回安装高准CMF的初始投资，营运5年可为单船节约成本123万美元。

中远集运某轮2013年耗油约3万吨，仅考虑加油环节误差≤3‰，则加油损失90吨，以燃油平均价格620美元/吨计算，则损失5.58万美元/年，即船上安装高准CMF年创造效益至少5万美元。随航运形势好转，船舶恢复正常航速，耗油量翻倍，再考虑节省的人力成本，投资回收率会更高。

船舶营运过程中，只要船上提交的报告在耗油定额范围内，公司就不追究油耗精度，也无法确知实际耗油量，那么船上就存在“口袋油”。因此，船舶日耗油计量比加油环节更难控制，限定耗油定额已不适应现代化航运的要求。

主副机、锅炉安装高准CMF后，实时监测燃油消耗，提供耗油量与航速的实时曲线，获得最佳节油航速，可为EEOI精确计算和中午报告提供实时最精确的耗油、航速等数据。通过燃油精确管控可获得国家节能减排方面的补助。使用高准CMF后，计量误差减小的同时还节省了第三方量油或“飞行量油”费用，增加船东控制燃油成本的信心。因此，综合上述分析，安装高准CMF的投资回收期少于6个月。

7 结语

高准CMF可独立测量燃油的在线密度、直接质量流量和温度，不受被测燃油物理参数的影响，具有智能化自我校验功能，测量信息可实时存储、打印、卫星传输与组态分析。高准CMF实船安装容易，稳定可靠，使用方便，实现燃油高精度计量，高效透明的燃油管控，降低船舶营运成本，其投资回收期少于6个月，提高船公司的国际竞争力。

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[2] Emerson process management-coriolis flow & density measurement. http://www.micromotion.com/

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[8] Micro motion F-series coriolis flow and density sensors. http://www.micromotion.com

Micro Motion Coriolis Mass Flow Technology for Fuel Precise Control

Sun Zenghua1,2, Zhao Yunmin1, Wang Bin1

(1. Qingdao Harbour Vocational and Technical College, Shandong Qingdao 266404, China; 2. College of Marine Engineering, Dalian Maritime University, Liaoning Dalian 116026, China)

TH814+.6

A

1003-4862（2017）12-0010-05

2017-09-15

青岛港湾职业技术学院科研项目(QDGW2014Z02)

孙增华(1972-)，男，副教授，轮机长。从事船舶新技术应用研究。Email: sunzenghua@126.com