汪楚堯

摘 要：油品計(jì)量分為靜態(tài)計(jì)量與動(dòng)態(tài)計(jì)量。靜態(tài)計(jì)量是最早采用的計(jì)量方式，它具有通用、直接、投資少的特點(diǎn)，但也存在諸多的不確定因素，如：人員、溫度、密度、體積、取樣等環(huán)節(jié)。近些年來(lái)，隨著石油行業(yè)計(jì)量水平的提高以及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)不斷加劇，計(jì)量準(zhǔn)確度越來(lái)越受到各企業(yè)的重視，動(dòng)態(tài)計(jì)量更為符合石化行業(yè)的需求，它多以質(zhì)量測(cè)量進(jìn)行交接計(jì)量，直接測(cè)量油品的質(zhì)量，避免了不必要的測(cè)量因素，提高了測(cè)量的準(zhǔn)確度。

關(guān) 鍵 詞：動(dòng)態(tài)計(jì)量;質(zhì)量測(cè)量;準(zhǔn)確度

中圖分類號(hào)：TQ 018 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671-0460（2015）06-1312-04

Analysis and Countermeasures of Mass Flow Measurement Error

WANG Chu-yao

（PetroChina Fushun Petrochemical Company， Liaoning Fushun 113008，China）

Abstract： Oil metering is divided into static measurement and dynamic measurement. The static measurement is the earliest measurement method， it is universal， direct， less investment， but there are many uncertain factors， such as temperature， density， and volume， sampling etc. In recent years， along with improvement of the measurement level in the petroleum industry， the measurement accuracy is more and more important to enterprises， dynamic measurement is more in line with the needs of the petrochemical industry， it uses mass measurement to carry out custody transfer metering， direct measurement of mass can avoid needless measurement factors， and can improve the measurement accuracy.

Key words： Dynamic measurement; Mass measurement; Accuracy

質(zhì)量流量計(jì)發(fā)展于上世紀(jì)70年代，在世界范圍內(nèi)，它屬于動(dòng)態(tài)計(jì)量的一種重要手段，在石油化工行業(yè)的貿(mào)易結(jié)算中，質(zhì)量流量計(jì)發(fā)揮著舉足輕重的作用，它的測(cè)量誤差不僅直接影響著企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，也擔(dān)負(fù)著監(jiān)督各類生產(chǎn)裝置物料供需之間的平衡關(guān)系。然而在實(shí)際使用過(guò)程中，由于其本身結(jié)構(gòu)、工作原理及工況條件不為大家所熟悉，經(jīng)常會(huì)造成計(jì)量失準(zhǔn)的問(wèn)題，給企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益及平穩(wěn)生產(chǎn)帶來(lái)了風(fēng)險(xiǎn)。本人長(zhǎng)期以來(lái)在質(zhì)量流量計(jì)檢定、維護(hù)及使用過(guò)程中總結(jié)了一些經(jīng)驗(yàn)，在此與大家分享。

1 工作原理

簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)，質(zhì)量流量計(jì)（以下簡(jiǎn)稱“流量計(jì)”）由傳感器和變送器兩部分組成。

傳感器是基于科里奧利力（科里奧利1792年至1843年，法國(guó)數(shù)學(xué)家、氣象物理學(xué)家）效應(yīng)的相位敏感型諧振式傳感器。為描述旋轉(zhuǎn)體系的運(yùn)動(dòng)，需要在運(yùn)動(dòng)方程中引入一個(gè)假想的力，這就是科里奧利力。引入科里奧利力之后，人們可以像處理慣性系中的運(yùn)動(dòng)方程一樣簡(jiǎn)單地處理旋轉(zhuǎn)體系中的運(yùn)動(dòng)方程，簡(jiǎn)化了旋轉(zhuǎn)系的處理方式（圖1）。

圖1 科里奧利力

Fig.1 Coriolis force

傳統(tǒng)的傳感器組件包括：核心處理器、驅(qū)動(dòng)線圈、檢測(cè)線圈、保護(hù)殼、流量管、電阻溫度檢測(cè)器、過(guò)程接頭。驅(qū)動(dòng)線圈與磁鐵配合使用，使科里奧利傳感器流量管發(fā)生振動(dòng)。經(jīng)線圈驅(qū)動(dòng)，會(huì)使流量管以其諧振頻率進(jìn)行振動(dòng)。流量管的兩側(cè)安裝有檢測(cè)線圈及磁鐵構(gòu)成的電磁檢測(cè)器。電磁檢測(cè)器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)代表振動(dòng)管在該位置上的正比于流量的信號(hào)。傳感器內(nèi)的驅(qū)動(dòng)線圈、檢測(cè)線圈、RTD 元件（指溫度檢測(cè)裝置）都連接到核心處理器。核心處理器是一精密的電子設(shè)備，用于控制傳感器和信號(hào)測(cè)量及處理。核心處理器可執(zhí)行所有必要運(yùn)算以獲得測(cè)量的過(guò)程變量值，并將這些值傳送給變送器，以供控制系統(tǒng)使用。當(dāng)介質(zhì)通過(guò)流量管時(shí)，兩根流量管的入口側(cè)管和出口側(cè)管都會(huì)產(chǎn)生科里奧利力。這些力會(huì)使流量管彼此相對(duì)扭曲振動(dòng)。從流量管入口側(cè)流入的質(zhì)量流會(huì)產(chǎn)生一個(gè)科里奧利力，該力會(huì)抵制流量管振動(dòng)。當(dāng)質(zhì)量流過(guò)出口側(cè)管時(shí)，科里奧利力則會(huì)加強(qiáng)流量管的振動(dòng)。在入口和出口側(cè)的科里奧利力方向相反，從而導(dǎo)致了流量管產(chǎn)生扭曲運(yùn)動(dòng)，正是利用這一運(yùn)動(dòng)來(lái)測(cè)量質(zhì)量流量。由于流量管的扭曲，使入口側(cè)與出口側(cè)的運(yùn)動(dòng)不同，因此檢測(cè)組件上產(chǎn)生的正弦波便出現(xiàn)了不同步的現(xiàn)象，即兩個(gè)正弦波出現(xiàn)了時(shí)間延遲（相位差）。相位差與質(zhì)量流量成正比?？评飱W利力越大，產(chǎn)生的相位差也越大，質(zhì)量流量也越大。介質(zhì)質(zhì)量、管材剛性和振動(dòng)頻率之間的關(guān)系是科里奧利流量計(jì)進(jìn)行密度測(cè)量的基礎(chǔ)。以彈簧系統(tǒng)為例：當(dāng)質(zhì)量增加時(shí)，系統(tǒng)的振動(dòng)頻率則會(huì)下降。當(dāng)質(zhì)量減少時(shí)，系統(tǒng)的振動(dòng)頻率則會(huì)提高。振動(dòng)頻率的單位是Hz。流量管的振動(dòng)周期則是振動(dòng)頻率的倒數(shù)。科里奧利流量計(jì)通過(guò)測(cè)量流量管振動(dòng)周期來(lái)計(jì)算密度。介質(zhì)密度與所測(cè)得的流量管振動(dòng)周期成正比。

2 安 裝

2.1 方 向

科里奧利質(zhì)量流量計(jì)是直接的質(zhì)量流量測(cè)量。其測(cè)量的準(zhǔn)確度與介質(zhì)的流態(tài)無(wú)關(guān)，因此沒(méi)有直管段的需要，可以因地制宜的安裝傳感器。

安裝應(yīng)遵循三個(gè)基本原則：

液體：要能夠始終充滿傳感器（圖2）。

圖2 測(cè)量液體安裝

Fig.2 Installation of liquid measurement

氣體：在傳感器內(nèi)不產(chǎn)生積液（圖3）。

圖3 測(cè)量氣體安裝

Fig.3 Installation of gas measurement

漿液/臟污介質(zhì)：要易于從傳感器中排空（圖4）。

圖4 測(cè)量漿液/臟污介質(zhì)安裝

Fig.4 Measurement of slurry installation / dirty medium

除此之外，流量計(jì)應(yīng)避免安裝在管道相對(duì)高點(diǎn)的位置，原因是管道高端的氣體很難排除，易對(duì)流量計(jì)的計(jì)量造成影響。

2.2 施工要求

四不要（圖5）：

（1）不要使用傳感器對(duì)中管線;

（2）不要使用傳感器支撐管線;

（3）不要直接支撐在傳感器上;

（4）不要使用傳感器頂拉管段距離。

圖5 禁止安裝的形式

Fig.5 Prohibited installation forms

質(zhì)量流量計(jì)的安裝狀態(tài)應(yīng)該是無(wú)應(yīng)力影響的狀態(tài)。現(xiàn)場(chǎng)安裝后的傳感器如果受到外來(lái)應(yīng)力的沖擊會(huì)直接影響到流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確度。

2.3 其它注意事項(xiàng)

（1）流量調(diào)節(jié)閥應(yīng)該安裝在傳感器的出口端;

（2）傳感器的兩側(cè)應(yīng)該安裝截止閥，便于調(diào)零;

（3）設(shè)置旁路管線，便于流量計(jì)的拆裝維護(hù);

（4）新投用的管線應(yīng)該在管線吹掃完畢后再安裝傳感器;

3 導(dǎo)致計(jì)量誤差的關(guān)鍵因素

3.1 操作因素影響

（1）儀表參數(shù)。組態(tài)了錯(cuò)誤的流量系數(shù)、儀表系數(shù)。（流量計(jì)檢定過(guò)程中出現(xiàn)了問(wèn)題，如：標(biāo)準(zhǔn)秤準(zhǔn)確度下降、測(cè)量介質(zhì)含氣、閥門漏量等） ，輸出信號(hào)與量程設(shè)置不匹配（遠(yuǎn)程顯示時(shí)）。

（2）量值與修正。組態(tài)了不適用的計(jì)量單位、小流量切除值。

（3）零點(diǎn)。流量計(jì)調(diào)零不正確。（調(diào)零時(shí)測(cè)量管介質(zhì)不滿管、介質(zhì)處于流動(dòng)狀態(tài)、介質(zhì)處于兩相狀態(tài)）

3.2 性能影響

（1）傳感器。流量計(jì)傳感器腐蝕、磨損等導(dǎo)致性能下降。

（2）變送器。流量計(jì)變送器器件老化。

（3）接線端。電纜進(jìn)線孔密封不嚴(yán)，導(dǎo)致水汽進(jìn)入（造成零點(diǎn)漂移或設(shè)備損壞）。

3.3 工藝因素影響

（1）氣液兩相。

（2）閥門泄漏。

（3）壓力低導(dǎo)致氣化。

（4）操作流量變化過(guò)大。

3.4 溫度對(duì)傳感器的影響

（1）對(duì)流量管的影響，金屬的彈性會(huì)隨溫度的變化而變化。

（2）對(duì)傳感器零點(diǎn)的影響，所有機(jī)械結(jié)構(gòu)都會(huì)受到溫度影響，由于幾何形狀和結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱，溫度的變化擴(kuò)大了這種影響。這個(gè)影響的定義是當(dāng)介質(zhì)溫度與調(diào)零溫度不一致時(shí)所可能產(chǎn)生的最大偏差[3]。

（3）不同材質(zhì)、形狀、壁厚的流量管的修正系數(shù)也不同。

3.5 溫度對(duì)變送器的影響

環(huán)境溫度對(duì)模擬輸出的影響定義是每偏離校準(zhǔn)溫度1 ℃， 變化為量程的±0.005%。

3.6 壓力對(duì)傳感器的影響

可以增加流量管的壁厚來(lái)降低壓力影響，增加壁厚會(huì)降低靈敏度，靈敏度的降低會(huì)降低計(jì)量準(zhǔn)確度。流量管壁厚必須加以優(yōu)化來(lái)保證最佳性能。

4 解決措施

4.1 流動(dòng)性

（1）為避免測(cè)量介質(zhì)在通過(guò)流量計(jì)時(shí)摻入氣體造成氣液兩相，建議在流量計(jì)上游安裝消氣器。

（2）有些生產(chǎn)裝置產(chǎn)出的產(chǎn)品易帶有雜質(zhì)，這些雜質(zhì)在通過(guò)流量計(jì)時(shí)會(huì)堵塞測(cè)量管，建議在流量計(jì)上游安裝過(guò)濾器。

（3）測(cè)量時(shí)，液體介質(zhì)中帶有大團(tuán)的氣體或氣體介質(zhì)中帶有大的液滴時(shí)，需要開啟團(tuán)狀流（Slug Flow）功能，團(tuán)狀流功能使儀表測(cè)量及輸出不受流體狀態(tài)短暫變化的影響。

（4）通過(guò)檢測(cè)流量計(jì)的驅(qū)動(dòng)增益判斷流量計(jì)運(yùn)行情況，一般情況下，驅(qū)動(dòng)增益超過(guò)8%的時(shí)候可視為出現(xiàn)異常。流量計(jì)測(cè)量管氣液兩項(xiàng)的時(shí)候，驅(qū)動(dòng)增益一般在40%左右;流量計(jì)測(cè)量管固液兩項(xiàng)的時(shí)候，驅(qū)動(dòng)增益一般在20%左右（以上是參考值，因流量計(jì)型號(hào)及管徑不同實(shí)際值會(huì)有所偏差）。

4.2 安裝

流量計(jì)的安裝地點(diǎn)應(yīng)該遠(yuǎn)離油泵、壓縮機(jī)、變壓器、高頻開關(guān)。這些設(shè)施會(huì)使流量計(jì)與管路發(fā)生共振及產(chǎn)生電信號(hào)疊加導(dǎo)致流量計(jì)失準(zhǔn)[5]。另外，流量計(jì)的安裝方向應(yīng)該由被測(cè)介質(zhì)的流體狀態(tài)決定。

4.3 電伴熱

有些地區(qū)冬季寒冷，為了滿足油品正常輸送與計(jì)量，要求油品溫度保持在一定范圍內(nèi)，這時(shí)需要使用電伴熱來(lái)解決這一問(wèn)題。如果電伴熱的溫度過(guò)高，產(chǎn)品會(huì)出現(xiàn)汽化現(xiàn)象，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)增益超限，流量計(jì)報(bào)警。原因是氣液兩相使得諧振頻率與驅(qū)動(dòng)頻率相差過(guò)大，核心處理器為了保護(hù)電路強(qiáng)行關(guān)閉驅(qū)動(dòng)電壓。解決辦法為控制電伴熱的溫度上限，以滿足被測(cè)介質(zhì)計(jì)量需求為佳。

4.4 量程選擇

流量計(jì)的最低使用流量不能低于量程的10%，常用流量應(yīng)該為量程的50%～75%之間，這樣可以減少零點(diǎn)漂移和流量計(jì)線性誤差的影響。

表1 質(zhì)量流量計(jì)管徑與流速對(duì)照表

Table 1 The diameter and velocity of mass flowmeter

4.5 雙向計(jì)量

流量計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，由于地勢(shì)高低、管道壓力及操作失誤，經(jīng)常使得流量計(jì)中的被測(cè)介質(zhì)發(fā)生倒流現(xiàn)象，為了避免這種情況我們要對(duì)流量計(jì)進(jìn)行雙向計(jì)量設(shè)置，防止流量計(jì)丟量計(jì)量。

4.6 零點(diǎn)設(shè)置

流量計(jì)調(diào)零的條件

（1）被測(cè)介質(zhì)通過(guò)傳感器預(yù)熱20 min以上;

（2）傳感器的溫度與被測(cè)介質(zhì)接近一致;

（3）測(cè)量管中被測(cè)介質(zhì)完全充滿;

（4）關(guān)閉流量計(jì)的前后閥門使被測(cè)介質(zhì)處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。

導(dǎo)致零點(diǎn)漂移的因素很多，如：溫度、壓力、測(cè)量管壁變薄、兩相流、不滿管、振動(dòng)、電磁干擾。解決辦法為定期到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)試、設(shè)定流量切除值，建議為量程的0.5%～1.0%。（注：由于應(yīng)力導(dǎo)致的零點(diǎn)漂移是不能通過(guò)零點(diǎn)調(diào)試根本解決的，因?yàn)楣芫€熱脹冷縮的必然性會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力再次變化進(jìn)而影響零點(diǎn)。解決辦法為校準(zhǔn)質(zhì)量流量計(jì)與管線的安裝位置，使其在同一軸線上。）

4.7 背壓

輕烴是石化行業(yè)的重要產(chǎn)品，它包括：乙烯、丙烯、丁烯、甲烷、乙烷、丁烷等。正常狀態(tài)下它們?yōu)闅鈶B(tài)，實(shí)際計(jì)量中多以測(cè)量液相為主。在測(cè)量液相輕烴時(shí)，如果流量計(jì)的背壓低于其飽和蒸汽壓時(shí)，測(cè)量管就會(huì)出現(xiàn)氣液兩相情況，導(dǎo)致計(jì)量準(zhǔn)確度大幅度下降。

背壓指流量計(jì)出口端的管道壓力，通常情況下背壓應(yīng)大于被測(cè)介質(zhì)飽和蒸汽壓的1.25倍與流量計(jì)壓損的2倍之和。

p>1.25Pa+2Δp （1）

式中：P—被測(cè)介質(zhì)的出口端壓力， MPa;

Pa—被測(cè)介質(zhì)的飽和蒸汽壓， MPa;

ΔP—質(zhì)量流量計(jì)的永久壓力損失， MPa。

如果滿足不了上式要求，可以參考高于飽和蒸汽壓的15%（最低要求）， 見表2。

表2 輕烴飽和蒸汽壓表

Table 2 Light hydrocarbon saturation vapor pressure

4.8 “掛壁”現(xiàn)象

有些油品黏度較大或容易凝結(jié)，經(jīng)常會(huì)在測(cè)量管上發(fā)生掛壁現(xiàn)象，掛壁以后，流量計(jì)也會(huì)出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)增益超限，導(dǎo)致流量計(jì)報(bào)警。發(fā)現(xiàn)掛壁現(xiàn)象后，如：液蠟裝車之前，被測(cè)介質(zhì)密度會(huì)高于正常值，這時(shí)可以把流量計(jì)拆下進(jìn)行吹掃，若不具備拆下條件，可以通過(guò)打循環(huán)的方法使凝結(jié)部分隨著溫度升高及沖擊慢慢溶解將掛壁現(xiàn)象慢慢消除，液蠟掛壁現(xiàn)象一般循環(huán)1 h后即可消除。

4.9 遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)

流量計(jì)大多安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，由于石油化工裝置現(xiàn)場(chǎng)多為高溫高壓、易燃易爆區(qū)，為了讀數(shù)方便，我們經(jīng)常要把流量計(jì)的流量信號(hào)采集到儀表室進(jìn)行讀取。流量計(jì)常用的信號(hào)輸出端包括：4～20 mA輸出、頻率輸出、RS485輸出。僅從同步精度上講：RS485輸出精度相對(duì)高于4～20 mA輸出和頻率輸出。因?yàn)樗恍枰演敵鲂盘?hào)進(jìn)行二次轉(zhuǎn)換，而是直接通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議采集最終數(shù)據(jù)，這樣避免了流量精度的下降。因此，應(yīng)該盡量選擇具備RS485輸出的變送器。

4.10 MF修正

MF為流量計(jì)檢定報(bào)告中的各流量點(diǎn)的誤差修正系數(shù)，質(zhì)量流量計(jì)采取離線檢定時(shí)，可以采用基本誤差法進(jìn)行交接計(jì)量，但是相鄰兩次檢定結(jié)果如果處于同一方向，應(yīng)該采用流量點(diǎn)誤差系數(shù)修正計(jì)量結(jié)果。尤其是在大宗物料的貿(mào)易結(jié)算中，千分之一的誤差也會(huì)帶來(lái)巨大的效益損失。

修正點(diǎn)的選擇以常用流量點(diǎn)為準(zhǔn)，如一臺(tái)羅斯蒙特CMF300的質(zhì)量流量計(jì)：

第一次的檢定結(jié)果見表3。

表3 流量計(jì)檢定結(jié)果表（一）

Table 3 Flowmeter test results table（1）

第二次的檢定結(jié)果見表4。

表4 流量計(jì)檢定結(jié)果表（二）

Table 4 Flowmeter test results table（2）

如果常用流量點(diǎn)為40 t/h，兩次檢定結(jié)果分別為：+0.08%和+0.15%，那么第二次檢定后使用流量計(jì)在40 t/h的計(jì)量狀態(tài)下計(jì)量，結(jié)算油量應(yīng)該再乘以0.998 5進(jìn)行MF修正，使計(jì)量結(jié)果的誤差進(jìn)一步向零趨近。

4.11 振動(dòng)管的選材

流量計(jì)傳感器的振蕩管是金屬材料，振蕩管的抗沖擊、抗腐蝕能力直接影響著流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確度與穩(wěn)定性。通常決定振蕩管這種特性的因素包括：

（1）振蕩管的振動(dòng)幅值;

（2）振蕩管的壁厚;

（3）振蕩管的金屬材料。

振動(dòng)幅值與壁厚改變很困難，會(huì)直接影響流量計(jì)的靈敏度與準(zhǔn)確度，我們只能通過(guò)改變振蕩管的選材改變其特性。

實(shí)際生產(chǎn)中，多數(shù)企業(yè)選用的是316L不銹鋼振蕩管的流量計(jì)，其實(shí)更為理想的是選用哈氏合金振蕩管的流量計(jì)，以提高計(jì)量穩(wěn)定性。因?yàn)樵靸r(jià)昂貴，目前使用哈氏合金流量計(jì)的企業(yè)較少。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，如何做好質(zhì)量流量計(jì)量并不是一件難事，關(guān)鍵在于我們一定要搞清楚其工作原理，要學(xué)會(huì)正確安裝、調(diào)試并使用它，這樣才能發(fā)揮它高準(zhǔn)確度高穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)，避免計(jì)量糾紛的出現(xiàn)，為企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益保駕護(hù)航。

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