成曉一 孫 策

(國家石油天然氣大流量計量站，大慶 163712)

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液體超聲流量計在測量液態(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量站，大慶 163712)

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

超聲流量計；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)不斷進步，國外廠家成功開發(fā)出適用于原油、成品油貿(mào)易計量的時差法多聲道液體超聲流量計，并迅速推向市場，在多個石油公司進行了使用。多聲道液體超聲流量計在大口徑管道計量中有突出的優(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，使其在常用的容積式流量計、渦輪流量計外，成為一種可供選擇的液態(tài)烴貿(mào)易交接計量儀表。

1 液體超聲流量計測量原理

液體超聲流量計和氣體液體超聲流量計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。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)。運用數(shù)值計算技術(shù)計算出在管線條件下液體軸向平均流速和流量。

2 液體超聲流量計在國內(nèi)外應(yīng)用情況

多聲道液體超聲流量計用于液態(tài)烴計量首先在歐美得到認可并開始應(yīng)用，多聲道超聲流量計通過不斷的技術(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液體超聲流量計在輸油管道上計量，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的液體超聲流量計進行計量，中國海洋石油公司在其恩平油田采用4臺DN250液體超聲流量計用于原油貿(mào)易計量。除此之外，液體超聲流量計在荷蘭的煉油廠、德國的多介質(zhì)傳輸管線等對原油及成品油計量都有過成功的應(yīng)用。液體超聲流量計在液態(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以其優(yōu)異的計量性能，較低的維護成本會在一定程度上取代原有的容積式流量計及渦輪流量計。

3 相關(guān)標(biāo)準

國際標(biāo)準化組織于1997年出版的ISO/TR 12765《用傳播時間差法超聲流量計測量封閉管道內(nèi)的流體流量》是以技術(shù)報告的形式發(fā)布的，該標(biāo)準主要對傳播時間差法流量計的測量原理，技術(shù)要點做了闡述，著重于氣體超聲流量計。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測量天然氣流量》。我國在參考這兩個標(biāo)準的基礎(chǔ)上，2001年出版了GB/T 18604《用氣體超聲流量計測量天然氣流量》的國家標(biāo)準，2014年進行了修訂；2007年發(fā)布了用于檢定超聲流量計檢定規(guī)程JJG 1030-2007 《超聲流量計》；推動了氣體超聲流量計在國內(nèi)天然氣貿(mào)易計量上的廣泛使用。

液體超聲流量計計量液態(tài)烴起步較晚，相應(yīng)的標(biāo)準也較少。美國國家標(biāo)準協(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)烴計量的技術(shù)要點描述；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計量液態(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，重點講解液體超聲流量計在計量液態(tài)烴領(lǐng)域中的安裝、操作和維護及檢定，具有較強的應(yīng)用性，該標(biāo)準2011年進行了修訂。我國沒有液體超聲流量計計量液態(tài)烴的標(biāo)準。

4 API 5.8的適用性分析

目前液體超聲流量計在液態(tài)烴貿(mào)易計量、泄漏量檢測、過程監(jiān)測等方面已經(jīng)得到了部分應(yīng)用，隨著液體超聲計量技術(shù)的不斷進步，液體超聲流量計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)準用于貿(mào)易交接測量，其它應(yīng)用可以參考，包括分配計量、校驗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到的水平，處于可以被市場采用的情況。該標(biāo)準在起草時得到了多家流量測量機構(gòu)及流量計制造廠家的支持，進行了充分、詳實的實驗，具備較強的理論、實驗基礎(chǔ)。該標(biāo)準目前已經(jīng)使用了近十年的時間，從調(diào)研得到的情況分析，該標(biāo)準具有較強的可應(yīng)用性，能夠滿足目前應(yīng)用液體超聲流量計計量液態(tài)烴的技術(shù)水平。

由于處于不同的標(biāo)準體系下，API的部分標(biāo)準與我國現(xiàn)行的部分標(biāo)準存在不協(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)的表達形式、數(shù)據(jù)的處理方法與我國現(xiàn)行標(biāo)準存在不一致現(xiàn)象，需要進行相應(yīng)的轉(zhuǎn)化才能適應(yīng)我國目前的標(biāo)準體系。

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》,該規(guī)程主要針對氣體超聲流量計編寫。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)是指在某一流量點下對流量計進行一次檢定過程標(biāo)準器運行的次數(shù)。在國內(nèi)主要使用JJG 1030的相關(guān)條款對其進行限制，JJG 1030中指出對于準確度等級不低于0.5級的流量計,每個流量點的檢定次數(shù)應(yīng)不少于6次。而API 5.8在其文件中詳細地指出了較少的檢定次數(shù)可能不滿足流量計重復(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。在超聲流量計實際檢定過程中，建議采用JJG 1030的規(guī)定。

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

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)易計量儀表達到相應(yīng)的準確度，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流量計的應(yīng)用有重大意義。

超聲流量計是靠智能電子單元間接測量超聲波傳輸時間來計算出流量，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

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)準器，廣泛應(yīng)用于各個液態(tài)烴貿(mào)易計量站。體積管流量標(biāo)準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級液體超聲流量計的需要。

傳播時間差法超聲流量計是通過測量不同聲道上的傳播時間的差來實現(xiàn)流量測量，流量計在其內(nèi)部流場中的幾個地點進行采樣測量。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)致流量計產(chǎn)生一個不均勻脈沖輸出。在檢定超聲流量計時，體積管的體積和運行時間都必須達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重復(fù)性。

由于液體超聲流量計脈沖頻率是不均勻的，只有采用更大的體積管才能達到理想的檢定效果。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，但仍強調(diào)在檢定液體超聲流量計時需要使用較大容積的體積管。

表1 API標(biāo)準建議的體積管容積值

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

在按照JJG 1030 的要求進行重復(fù)性計算后，得到利用5000L體積管進行標(biāo)定的重復(fù)性為0.05%，而利用2000L體積管進行標(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，流量計重復(fù)性有變大的趨勢。上述實驗結(jié)果驗證了由于流量計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

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

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)準表，在規(guī)定的流量點下，逐點進行多次重復(fù)測量(測量次數(shù)不少于6次)，在進行溫度、壓力修正后，計算出標(biāo)準表在每個檢定點下的平均儀表系數(shù)和對應(yīng)的重復(fù)性；2)在相同的流量檢定點和檢定條件下，在規(guī)定的時間段內(nèi)同時記錄標(biāo)準表和超聲流量計的脈沖數(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行狀態(tài)；3)通過標(biāo)準表的脈沖數(shù)及儀表系數(shù)及當(dāng)時的溫度、壓力計算出流過標(biāo)準表的流體標(biāo)況體積；4)通過標(biāo)準表的流體標(biāo)況體積及超聲流量計處的溫度、壓力可以得出超聲流量計在每個檢定點下的平均儀表系數(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(標(biāo)準表)的重復(fù)性可以達到0.03%,體積管的準確度為0.05%，根據(jù)公式計算，其準確度可達到0.06%，滿足現(xiàn)場檢定流量計的需要。

液體超聲流量計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行檢定，這極大影響了液體超聲流量計在現(xiàn)場的應(yīng)用；體積管配合標(biāo)準表的檢定方法可以實現(xiàn)對液體超聲流量計的檢定；并且可以使用移動式體積管流量標(biāo)準裝置，這種檢定方法還可以推廣到老計量站改造中，極大地降低了流量計的檢定費用及難度。液體超聲流量計的現(xiàn)場核查是保證流量計正常、可靠運行的重要保障措施，由于液體超聲流量計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

液體超聲流量計是一種新型的液態(tài)烴貿(mào)易交接計量儀表，用于原油及成品油貿(mào)易計量,該流量計測量范圍寬、無可動部件、自診斷功能強。目前我國還缺乏指導(dǎo)液體超聲流量計運行、安裝、操作的應(yīng)用標(biāo)準，在國際上通用的相關(guān)規(guī)范中，API 5.8在運行、安裝、操作檢定等方面對液體超聲流量計做了比較詳細的規(guī)定，但是在檢定數(shù)據(jù)處理方面與國內(nèi)現(xiàn)行的計量標(biāo)準有較大的差異。建議對API 5.8檢定數(shù)據(jù)處理部分進行適當(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計量液態(tài)烴的行業(yè)或國家標(biāo)準，推動液體超聲流量計在液態(tài)烴貿(mào)易交接計量上的應(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.計量技術(shù)，2014(10)

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

[3] GB/T 18604—2014 用氣體超聲流量計測量天然氣流量

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

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

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10.3969/j.issn.1000-0771.2015.09.23