質量流量計供應市場情況分析和技術發(fā)展方向調查

摘要:上海自動化儀表有限公司對質量流量計測量技術應用情況進行了總結分析,旨在預測質量流量計技術發(fā)展前景,研究新技術在質量流量計產品的應用。上海自動化儀表有限公司介紹了質量流量計供應市場情況,匯總了國內外市場規(guī)模和主要廠商市場份額,進行了主要廠商產品技術進步情況調查,分析了技術進步對產品性能提升的促進作用,提出了質量流量計技術發(fā)展方向。使用主要技術指標橫向對比的方法,對國內外主流品牌的主要產品進行了詳細對比,總結分析了主要廠商在產品系列、性能指標、功能開發(fā)等方面的優(yōu)缺點。通過指標比對,全面梳理了供應市場主要產品情況,得出國內外廠商產品技術特點,指出了國產質量流量計存在的技術差距,并提出國產質量流量計性能提升方向。未來,通過將新的技術不斷應用于產品,質量流量計將成為智能終端,除了提供測量功能外,還將實現(xiàn)自身狀態(tài)評估、故障診斷、自動校準等多種功能。

引言

質量流量計是20世紀70年代發(fā)展起來的流量測量儀表。它由傳感器和信號處理系統(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)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(jiān)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(shù)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(yī)藥、建材、電力等傳統(tǒng)領域,到新醫(yī)藥、新能源,半導體等新興行業(yè);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(yōu)點,應用領域越來越 廣泛,各生產廠商陸續(xù)推出了各自的系列產品。 本文 通過介紹質量流量計市場現(xiàn)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(fā)展方向。

1 質量流量計國內外市場。

近年來,世界經濟快速發(fā)展,能源需求顯著增加。 隨著對交接計量、環(huán)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(guī)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(yè)。 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(yè)。 其中:亞太區(qū)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(xù)增長。 2019 年,國 內的市場規(guī)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。

2 質量流量計技術發(fā)展

近年來,隨著有限元分析和模態(tài)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(fā)展,以及集成電路、數(shù)字化處理、軟件解算能力 的提升,使得流量測量精度持續(xù)提升,測量范圍進一步 擴大,現(xiàn)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(huán)節(jié)對產品進行技術 發(fā)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(shù),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(wěn)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(yōu)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(xié)會(american petroleum institute,API)、國家計量機 構(national measureinstitute,NMI)、德國聯(lián)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(fā)展帶動了產品在主要工業(yè)行業(yè) 的應用推廣,尤其是在石油石化能源行業(yè),質量流量計 的需求持續(xù)增長。 然而,相對其他傳統(tǒng)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(yè)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(guī)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(zhàn)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(chuàng)造競爭優(yōu)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(xiàn)了大幅 的進步。 基金會現(xiàn)場總線( foundation fieldbus,FF) 和 Profibus PB/PA 將成為主要的通信協(xié)議,預計將超過 HART 協(xié)議。 現(xiàn)在,主要流量計的生產廠商提供了各 種各樣的協(xié)議,以實現(xiàn)不同的網(wǎng)絡應用,包括 MUDBUS 通信協(xié)議、HART 協(xié)議、以太網(wǎng)、工業(yè)網(wǎng);同時,模擬信 號,環(huán)流、開關量依舊存在。 產品通信協(xié)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(shù)據(jù)記錄 和數(shù)據(jù)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(xù)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(fā)出相關 產品,對于國產廠商來說,是很大的機遇和挑戰(zhàn)。 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(yōu)缺點,以提出 國產質量流量計的技術發(fā)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(qū)分 標準,能準確區(qū)分產品的應用場合、性能指標、應用優(yōu) 勢等。各主要廠商產品系列。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。

②產品系列化發(fā)展趨勢分析:國外廠商根據(jù)市場 的需求及應用領域進行產品定位,非常注重詳細區(qū)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(yè)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(fā)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(wěn)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。

國內外產品在測量液體時基本能夠滿足過程應用 中的常規(guī)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(xiàn)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(huán)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(guī)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(xù)地進行性能優(yōu)化, 制定系統(tǒng)的優(yōu)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(xiàn)場顯示 組態(tài)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(tài);采用新型的顯示 模塊,可以進行圖形或多行的顯示。 狀態(tài)指示通過增加 顯示面板上的發(fā)光二極管數(shù)量和表征方式(顏色、閃爍 方式),使得儀表工作狀態(tài)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(yōu)化過程控制 應用廣泛,在國外產品中均有體現(xiàn),在國產品牌中現(xiàn)在 還相對較少。 雙環(huán)流輸出及輸出可組態(tài),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(xiàn),在國 產品牌中現(xiàn)在還相對較少。

④補償功能[4] 。 動態(tài)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(xiàn)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(huán) 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(xiàn)故障或性能超差時,流量計的 狀態(tài)(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(fā),還不具備自動 的校驗功能和對參數(shù)、狀態(tài)、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(shù)據(jù)的讀入和分析工具,現(xiàn)場數(shù)據(jù)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?shù)?一體化功能,無法實現(xiàn)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(fā)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(xù)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(xiàn)場故障率的有 效方法。 這也是產品疲勞試驗的重要一環(huán)。 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(huán)節(jié)。 同一類產品 出廠后會被應用到不同的工藝環(huán)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(guī)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(guī)格出中的質量流量范圍、 介質溫度等技術要求,除進行常規(guī)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(guī)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(yè)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(xiàn)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(tǒng)進行模塊化、橇裝化。

4 技術發(fā)展展望

目前,質量流量計的技術發(fā)展方向主要是圍繞提 升測量性能和提高現(xiàn)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(xiàn)場網(wǎng)絡,利用多元過程統(tǒng) 計監(jiān)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(tài)信息、過程信息、及趨勢性信息進行有 效融合,實現(xiàn)質量流量計自身狀態(tài)評估、故障診斷、自 動校準、工藝過程監(jiān)測及自適應和資產管理協(xié)助等功 能[7-8] 。 這些功能可以促進過程工藝優(yōu)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(shù)據(jù)監(jiān) 控和狀態(tài)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(wěn)定性不高;

⑤kao_qian的進口質量流量計生產商 陸續(xù)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(zhàn),相信質量流量計國產廠商通過 持續(xù)技術提升、合理的定價、發(fā)展可定制的應用性技 術,結合國內廠家的服務優(yōu)勢、應用優(yōu)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(shù)字驅動技術、振動控制 技術、軟件算法等技術的發(fā)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(wěn)定性持續(xù)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(yī)藥、新 興能源等領域得到廣泛的應用。

上海自動化儀表有限公司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(yōu)缺點。 國產產品應在現(xiàn)有生產工 藝水平的基礎上,通過持續(xù)的技術優(yōu)化和創(chuàng)新,進一步 提升質量流量計的穩(wěn)定性和可靠性;通過擴大智能化 水平的研發(fā)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(lián)網(wǎng)技術發(fā)展對工業(yè)儀表新要 求,這是國產質量流量計的技術發(fā)展和提升方向。