成曉一 孫 策

(國家石油天然氣大流量計(jì)量站，大慶 163712)

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液體超聲流量計(jì)在測量液態(tài)烴流量上的應(yīng)用

成曉一 孫 策

(國家石油天然氣大流量計(jì)量站，大慶 163712)

液體超聲流量計(jì)用于原油及成品油貿(mào)易計(jì)量,該流量計(jì)測量范圍寬、無可動部件、自診斷功能強(qiáng)，是一種新型的液態(tài)烴貿(mào)易交接計(jì)量儀表。本文主要介紹該流量計(jì)原理、標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用及檢定情況。

超聲流量計(jì)；超聲換能器；檢定；體積管

0 引言

近年來，隨著超聲流量測量技術(shù)不斷進(jìn)步，國外廠家成功開發(fā)出適用于原油、成品油貿(mào)易計(jì)量的時差法多聲道液體超聲流量計(jì)，并迅速推向市場，在多個石油公司進(jìn)行了使用。多聲道液體超聲流量計(jì)在大口徑管道計(jì)量中有突出的優(yōu)勢，無可動部件的構(gòu)造、完善的自診斷功能、測量范圍廣等特點(diǎn)，使其在常用的容積式流量計(jì)、渦輪流量計(jì)外，成為一種可供選擇的液態(tài)烴貿(mào)易交接計(jì)量儀表。

1 液體超聲流量計(jì)測量原理

液體超聲流量計(jì)和氣體液體超聲流量計(jì)一樣是通過測量高頻聲脈沖在流體中傳播時間得出流量的速度式流量計(jì)。在管壁兩邊安裝一對斜角為φ的超聲換能器，兩個換能器同時或定時發(fā)射和接收對方的高頻聲脈沖。通過測量高頻聲脈沖在管道內(nèi)向順流和逆流沿對角線方向傳播，分別測量其傳播時間，其傳播時間差與流體在多個聲道上平均流速有關(guān)。運(yùn)用數(shù)值計(jì)算技術(shù)計(jì)算出在管線條件下液體軸向平均流速和流量。

2 液體超聲流量計(jì)在國內(nèi)外應(yīng)用情況

多聲道液體超聲流量計(jì)用于液態(tài)烴計(jì)量首先在歐美得到認(rèn)可并開始應(yīng)用，多聲道超聲流量計(jì)通過不斷的技術(shù)發(fā)展，逐漸在國外大型煉油廠、輸油管道、海上平臺等場所得到廣泛的應(yīng)用。美國賓夕法尼亞州管道公司應(yīng)用DN400液體超聲流量計(jì)在輸油管道上計(jì)量，中石化珠三角成品油管線上使用了11套口徑分別為DN200、DN250、DN300和DN400的液體超聲流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量，中國海洋石油公司在其恩平油田采用4臺DN250液體超聲流量計(jì)用于原油貿(mào)易計(jì)量。除此之外，液體超聲流量計(jì)在荷蘭的煉油廠、德國的多介質(zhì)傳輸管線等對原油及成品油計(jì)量都有過成功的應(yīng)用。液體超聲流量計(jì)在液態(tài)烴流量測量領(lǐng)域得到了快速的發(fā)展；從世界液態(tài)烴測量領(lǐng)域的發(fā)展來看，在大口徑流量測量領(lǐng)域，傳播時間差法液體超聲流量計(jì)以其優(yōu)異的計(jì)量性能，較低的維護(hù)成本會在一定程度上取代原有的容積式流量計(jì)及渦輪流量計(jì)。

3 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織于1997年出版的ISO/TR 12765《用傳播時間差法超聲流量計(jì)測量封閉管道內(nèi)的流體流量》是以技術(shù)報告的形式發(fā)布的，該標(biāo)準(zhǔn)主要對傳播時間差法流量計(jì)的測量原理，技術(shù)要點(diǎn)做了闡述，著重于氣體超聲流量計(jì)。美國天然氣協(xié)會也于1998年出版了第9號技術(shù)報告(AGA Report NO.9) 《用多聲道超聲流量計(jì)測量天然氣流量》。我國在參考這兩個標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，2001年出版了GB/T 18604《用氣體超聲流量計(jì)測量天然氣流量》的國家標(biāo)準(zhǔn)，2014年進(jìn)行了修訂；2007年發(fā)布了用于檢定超聲流量計(jì)檢定規(guī)程JJG 1030-2007 《超聲流量計(jì)》；推動了氣體超聲流量計(jì)在國內(nèi)天然氣貿(mào)易計(jì)量上的廣泛使用。

液體超聲流量計(jì)計(jì)量液態(tài)烴起步較晚，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)也較少。美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會發(fā)布的ANSI/ASME MFC-5M-1985(R2006)《用傳播時間差法超聲流量計(jì)測量密封管道中液體流量》著重于液體測量，但缺乏對于液態(tài)烴計(jì)量的技術(shù)要點(diǎn)描述；美國石油學(xué)會發(fā)布的API MPMS 5.8：2005《用傳播時間差法超聲流量計(jì)計(jì)量液態(tài)烴》規(guī)定了液體超聲應(yīng)用原則，提出了關(guān)于被測量液體的注意事項(xiàng)，重點(diǎn)講解液體超聲流量計(jì)在計(jì)量液態(tài)烴領(lǐng)域中的安裝、操作和維護(hù)及檢定，具有較強(qiáng)的應(yīng)用性，該標(biāo)準(zhǔn)2011年進(jìn)行了修訂。我國沒有液體超聲流量計(jì)計(jì)量液態(tài)烴的標(biāo)準(zhǔn)。

4 API 5.8的適用性分析

目前液體超聲流量計(jì)在液態(tài)烴貿(mào)易計(jì)量、泄漏量檢測、過程監(jiān)測等方面已經(jīng)得到了部分應(yīng)用，隨著液體超聲計(jì)量技術(shù)的不斷進(jìn)步，液體超聲流量計(jì)已基本上采用多聲道測量原理。API 5.8在其文本中指出“本標(biāo)準(zhǔn)用于貿(mào)易交接測量，其它應(yīng)用可以參考，包括分配計(jì)量、校驗(yàn)儀表測量和泄漏檢測測量”。

API 5.8可以滿足我國目前及未來幾年可能達(dá)到的水平，處于可以被市場采用的情況。該標(biāo)準(zhǔn)在起草時得到了多家流量測量機(jī)構(gòu)及流量計(jì)制造廠家的支持，進(jìn)行了充分、詳實(shí)的實(shí)驗(yàn)，具備較強(qiáng)的理論、實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。該標(biāo)準(zhǔn)目前已經(jīng)使用了近十年的時間，從調(diào)研得到的情況分析，該標(biāo)準(zhǔn)具有較強(qiáng)的可應(yīng)用性，能夠滿足目前應(yīng)用液體超聲流量計(jì)計(jì)量液態(tài)烴的技術(shù)水平。

由于處于不同的標(biāo)準(zhǔn)體系下，API的部分標(biāo)準(zhǔn)與我國現(xiàn)行的部分標(biāo)準(zhǔn)存在不協(xié)調(diào)、不配套的現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為在技術(shù)內(nèi)容、試驗(yàn)方法等方面存在不一致性。API 5.8存在的主要問題是在檢定方面，部分參數(shù)的表達(dá)形式、數(shù)據(jù)的處理方法與我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)存在不一致現(xiàn)象，需要進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)化才能適應(yīng)我國目前的標(biāo)準(zhǔn)體系。

5 與國內(nèi)相關(guān)規(guī)程的差異

檢定技術(shù)的差異主要體現(xiàn)在檢定方法、檢定數(shù)據(jù)處理等方面上。目前國內(nèi)涉及該方面的規(guī)程主要是JJG 1030—2007《超聲流量計(jì)》,該規(guī)程主要針對氣體超聲流量計(jì)編寫。本節(jié)主要就API 5.8及JJG 1030相關(guān)部分的差異做了比較及分析。

檢定次數(shù)是指在某一流量點(diǎn)下對流量計(jì)進(jìn)行一次檢定過程標(biāo)準(zhǔn)器運(yùn)行的次數(shù)。在國內(nèi)主要使用JJG 1030的相關(guān)條款對其進(jìn)行限制，JJG 1030中指出對于準(zhǔn)確度等級不低于0.5級的流量計(jì),每個流量點(diǎn)的檢定次數(shù)應(yīng)不少于6次。而API 5.8在其文件中詳細(xì)地指出了較少的檢定次數(shù)可能不滿足流量計(jì)重復(fù)性的要求，并且給出推薦的檢定次數(shù)和預(yù)期的重復(fù)性。在超聲流量計(jì)實(shí)際檢定過程中，建議采用JJG 1030的規(guī)定。

JJG 1030 規(guī)定流量計(jì)的重復(fù)性不得超過相應(yīng)準(zhǔn)確度等級規(guī)定的最大允許誤差絕對值的1/5。對于貿(mào)易計(jì)量使用的0.2級液體超聲波流量計(jì)來講，按規(guī)程要求的最大重復(fù)性范圍為0.04%。API 5.8 中并沒有直接對流量計(jì)的重復(fù)性給出范圍，但在其引用標(biāo)準(zhǔn)中指出用于貿(mào)易交接的流量計(jì)其重復(fù)性優(yōu)于0.05%。在重復(fù)性計(jì)算方法上也存在較大差異，JJG 1030根據(jù)流量計(jì)的基本誤差采用貝塞爾公式計(jì)算，API是采用一組檢定過程中得到的最大及最小脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)算：

重復(fù)性=(最大脈沖數(shù)-最小脈沖數(shù))/最小脈沖數(shù)×100%

6 檢定方法研究

為了保證貿(mào)易計(jì)量儀表達(dá)到相應(yīng)的準(zhǔn)確度，掌握合理、可靠的檢定技術(shù)及方法是必不可少的。流量測量儀表的檢定或校準(zhǔn)是流量量值傳遞或溯源鏈中最重要的環(huán)節(jié)，探索及制定合理、可靠的檢定方法對促進(jìn)流量計(jì)的應(yīng)用有重大意義。

超聲流量計(jì)是靠智能電子單元間接測量超聲波傳輸時間來計(jì)算出流量，人工“產(chǎn)生”出與流量相關(guān)的脈沖(頻率)，由于流量脈沖和串行信號是通過計(jì)算獲得，因此輸出信號會落后于流體特性，而且經(jīng)過數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換處理，脈沖信號很可能落后于串行數(shù)據(jù)。

6.1 體積管法檢定液體超聲流量計(jì)

體積管流量檢定裝置是目前石油行業(yè)主要應(yīng)用的流量標(biāo)準(zhǔn)器，廣泛應(yīng)用于各個液態(tài)烴貿(mào)易計(jì)量站。體積管流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的測量不確定度處于0.04%水平，在量值傳遞體系中滿足檢定0.2級液體超聲流量計(jì)的需要。

傳播時間差法超聲流量計(jì)是通過測量不同聲道上的傳播時間的差來實(shí)現(xiàn)流量測量，流量計(jì)在其內(nèi)部流場中的幾個地點(diǎn)進(jìn)行采樣測量。由于流動存在不穩(wěn)定性，微小的流動波動及脈動都會導(dǎo)致流量計(jì)產(chǎn)生一個不均勻脈沖輸出。在檢定超聲流量計(jì)時，體積管的體積和運(yùn)行時間都必須達(dá)到足以克服這種微小流動帶來的影響，才可以得到滿意的流量計(jì)重復(fù)性。

由于液體超聲流量計(jì)脈沖頻率是不均勻的，只有采用更大的體積管才能達(dá)到理想的檢定效果。需要注意的是，延長標(biāo)定時間不會對流量計(jì)的重復(fù)性有本質(zhì)上的改善。API 5.8：2005給出了適合檢定不同口徑的超聲流量計(jì)的體積管的推薦容積值，見表1。雖然2011年修訂時取消了該表，但仍強(qiáng)調(diào)在檢定液體超聲流量計(jì)時需要使用較大容積的體積管。

表1 API標(biāo)準(zhǔn)建議的體積管容積值

為了驗(yàn)證表1的可靠性，我們在某檢定實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了相對應(yīng)的驗(yàn)證試驗(yàn)，該檢定實(shí)驗(yàn)室擁有標(biāo)稱值5000L、2000L的球式體積管各一套，且兩套體積管可以實(shí)現(xiàn)相互串聯(lián)使用，利用一臺DN150口徑的液體超聲流量計(jì)在重復(fù)性條件下，使用兩套體積管對230m3/h的流量點(diǎn)下進(jìn)行10次檢定，如圖1所示。

在按照J(rèn)JG 1030 的要求進(jìn)行重復(fù)性計(jì)算后，得到利用5000L體積管進(jìn)行標(biāo)定的重復(fù)性為0.05%，而利用2000L體積管進(jìn)行標(biāo)定的重復(fù)性為0.09%。

結(jié)合圖1及重復(fù)性結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)隨著體積管容積值的變小，流量計(jì)重復(fù)性有變大的趨勢。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了由于流量計(jì)輸出頻率的不均勻性，較小容積值的體積管很難滿足檢定液體超聲流量計(jì)的需要。

圖1 不同容積體積管標(biāo)定結(jié)果

6.2 使用等精度傳遞理論檢定液體超聲流量計(jì)

在流量計(jì)量領(lǐng)域中有等精度傳遞理論：在流量量值傳遞時只要滿足計(jì)量學(xué)相同性基本原則，即流量計(jì)在使用時和檢定時流量點(diǎn)相同、介質(zhì)相同和使用介質(zhì)的物理特性相同、流量計(jì)檢定和使用時幾何特性相同、流量計(jì)在檢定和使用過程中的操作過程相同，那么流量標(biāo)準(zhǔn)所復(fù)現(xiàn)的流量單位值將會等精度傳遞給工作流量計(jì)。

檢定原理及方法如下(見圖2)：1)先利用體積管檢定作為中間傳遞的標(biāo)準(zhǔn)表，在規(guī)定的流量點(diǎn)下，逐點(diǎn)進(jìn)行多次重復(fù)測量(測量次數(shù)不少于6次)，在進(jìn)行溫度、壓力修正后，計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)表在每個檢定點(diǎn)下的平均儀表系數(shù)和對應(yīng)的重復(fù)性；2)在相同的流量檢定點(diǎn)和檢定條件下，在規(guī)定的時間段內(nèi)同時記錄標(biāo)準(zhǔn)表和超聲流量計(jì)的脈沖數(shù)以及當(dāng)時各處的溫度、壓力數(shù)據(jù)，此時體積管處于停止運(yùn)行狀態(tài)；3)通過標(biāo)準(zhǔn)表的脈沖數(shù)及儀表系數(shù)及當(dāng)時的溫度、壓力計(jì)算出流過標(biāo)準(zhǔn)表的流體標(biāo)況體積；4)通過標(biāo)準(zhǔn)表的流體標(biāo)況體積及超聲流量計(jì)處的溫度、壓力可以得出超聲流量計(jì)在每個檢定點(diǎn)下的平均儀表系數(shù)和對應(yīng)的重復(fù)性。

因此，在測量條件不變的前提下，對某量進(jìn)行等精度多次重復(fù)測量時，隨著測量次數(shù)的增加，其重復(fù)性將會隨著測量次數(shù)的增大而變小。通常情況下渦輪流量計(jì)(標(biāo)準(zhǔn)表)的重復(fù)性可以達(dá)到0.03%,體積管的準(zhǔn)確度為0.05%，根據(jù)公式計(jì)算，其準(zhǔn)確度可達(dá)到0.06%，滿足現(xiàn)場檢定流量計(jì)的需要。

液體超聲流量計(jì)存在著不均勻頻率輸出，導(dǎo)致需使用較大容積值的體積管才可對其進(jìn)行檢定，這極大影響了液體超聲流量計(jì)在現(xiàn)場的應(yīng)用；體積管配合標(biāo)準(zhǔn)表的檢定方法可以實(shí)現(xiàn)對液體超聲流量計(jì)的檢定；并且可以使用移動式體積管流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，這種檢定方法還可以推廣到老計(jì)量站改造中，極大地降低了流量計(jì)的檢定費(fèi)用及難度。液體超聲流量計(jì)的現(xiàn)場核查是保證流量計(jì)正常、可靠運(yùn)行的重要保障措施，由于液體超聲流量計(jì)受到安裝條件的影響較大，不推薦采用離線檢定方式。

7 結(jié)束語

液體超聲流量計(jì)是一種新型的液態(tài)烴貿(mào)易交接計(jì)量儀表，用于原油及成品油貿(mào)易計(jì)量,該流量計(jì)測量范圍寬、無可動部件、自診斷功能強(qiáng)。目前我國還缺乏指導(dǎo)液體超聲流量計(jì)運(yùn)行、安裝、操作的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，在國際上通用的相關(guān)規(guī)范中，API 5.8在運(yùn)行、安裝、操作檢定等方面對液體超聲流量計(jì)做了比較詳細(xì)的規(guī)定，但是在檢定數(shù)據(jù)處理方面與國內(nèi)現(xiàn)行的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)有較大的差異。建議對API 5.8檢定數(shù)據(jù)處理部分進(jìn)行適當(dāng)修改以適應(yīng)石油行業(yè)的應(yīng)用，并對API 5.8進(jìn)行修改和轉(zhuǎn)化，編制作為石油行業(yè)應(yīng)用的傳播時間差法液體超聲流量計(jì)計(jì)量液態(tài)烴的行業(yè)或國家標(biāo)準(zhǔn)，推動液體超聲流量計(jì)在液態(tài)烴貿(mào)易交接計(jì)量上的應(yīng)用。

[1] 黃亮，谷曉懂,等.靜壓壓力傳感器在測量液體重量上的應(yīng)用.計(jì)量技術(shù)，2014(10)

[2] 成曉一.mt法天然氣流量原級標(biāo)準(zhǔn)裝置.計(jì)量技術(shù)，2012(11)

[3] GB/T 18604—2014 用氣體超聲流量計(jì)測量天然氣流量

[4] 張亮，徐益挺,等.超聲流量計(jì)系統(tǒng)延時檢定方法研究.計(jì)量技術(shù)，2013(3)

[5] 胡鶴鳴，孟濤,等.超聲流量計(jì)阻流件影響評估軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā).計(jì)量技術(shù)，2014(6)

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10.3969/j.issn.1000-0771.2015.09.23