液態(tài)烴原級標(biāo)準(zhǔn)裝置及量傳溯源技術(shù)

高軍

大慶油田工程有限公司

隨著現(xiàn)代流量測量技術(shù)的發(fā)展，新型流量測量儀表（如渦輪流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)、超聲流量計(jì)）在液態(tài)烴流量測量領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，流量計(jì)的測量能力、適應(yīng)能力得到大幅提高，拓寬了流量計(jì)的流量范圍、黏度范圍、溫度范圍。同時(shí)，流量計(jì)自診斷技術(shù)、小信號切除技術(shù)、多方式信號傳輸技術(shù)為流量計(jì)的測量準(zhǔn)確性和可靠性提供了保障，也為流量計(jì)的在線核查、遠(yuǎn)程診斷提供了技術(shù)支持。

1 液態(tài)烴流量量傳溯源體系

1.1 質(zhì)量容積法組合系統(tǒng)

由“質(zhì)量+容積”法組合系統(tǒng)構(gòu)成液態(tài)烴流量原級標(biāo)準(zhǔn)裝置，其中：質(zhì)量法油流量裝置由電子秤及高黏度換向器組成，質(zhì)量流量測量不確定度優(yōu)于0.03%，最大流量為120 t/h；容積法大流量閉式循環(huán)系統(tǒng)由單向體積管組成，體積流量測量不確定度優(yōu)于0.05%，最大流量為1 000 m3/h，循環(huán)介質(zhì)約18 m3。

通過比對組件，將質(zhì)量法油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置、容積法體積管標(biāo)準(zhǔn)裝置復(fù)現(xiàn)的量值溯源到國家基準(zhǔn)。液態(tài)烴流量量傳溯源如圖1所示。

質(zhì)量法流量標(biāo)準(zhǔn)以電子秤作為標(biāo)準(zhǔn)器，容積法流量標(biāo)準(zhǔn)采用體積管、標(biāo)準(zhǔn)量器作為標(biāo)準(zhǔn)器，總的測量不確定度為質(zhì)量、體積量的不確定度的合成[1]。

圖1 液態(tài)烴流量量傳溯源Fig.1 Liquid hydrocarbon flow quantity traceability

質(zhì)量法可以直接或間接傳遞到工作流量計(jì)，容積法體積管標(biāo)準(zhǔn)裝置可以直接傳遞到工作流量計(jì)或交接計(jì)量所依據(jù)的國家檢定規(guī)程和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對液態(tài)烴流量計(jì)選型、安裝、運(yùn)行及檢定等方面給出了技術(shù)要求[2]?！百|(zhì)量+容積”法量傳溯源體系如圖2所示。

圖2 “質(zhì)量＋容積”法量傳溯源體系Fig.2 Quantity traceability system of"mass and volume"

1.2 液態(tài)烴流量標(biāo)準(zhǔn)裝置工藝流程

環(huán)道式系統(tǒng)主要用于較大口徑流量儀表檢定，采用體積管法、標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)法兩種傳遞方式[3]。流量標(biāo)準(zhǔn)裝置采用1臺體積管，裝置擴(kuò)展不確定度優(yōu)于0.04%，流量為20～1 000 m3/h。根據(jù)閃點(diǎn)、黏溫曲線，選用黏度分別為3、15、60 mm2/s 的白油作為檢定介質(zhì)。白油凝點(diǎn)低，不需要加熱，閃點(diǎn)高，防爆等級低，不含蠟，適合作為長期使用的檢定介質(zhì)。白油分別儲存在3座臥式儲油罐中。設(shè)置2臺500 m3/h 立式管道泵，1 臺120 m3/h 立式管道泵，電動(dòng)機(jī)均采用變頻器控制。

工藝流程為：流量計(jì)安裝后，在測試管路中首先開始充液體、排空氣體；環(huán)道流量裝置充液完畢后，啟動(dòng)穩(wěn)壓緩沖器對整個(gè)裝置進(jìn)行增壓；當(dāng)增壓至預(yù)設(shè)壓力后，環(huán)道裝置與外部連接閥門全部關(guān)閉，啟動(dòng)管道泵，裝置形成“閉環(huán)運(yùn)行系統(tǒng)”；比較流量計(jì)示值與體積管的容積值，就可確定被檢流量計(jì)的誤差或流量計(jì)系數(shù)[4]。液態(tài)烴流量標(biāo)準(zhǔn)裝置技術(shù)參數(shù)見表1，其工藝流程見圖3。

表1 液態(tài)烴流量標(biāo)準(zhǔn)裝置技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of liquid hydrocarbon flow standard unit

圖3 液態(tài)烴流量標(biāo)準(zhǔn)裝置工藝流程Fig.3 Process flow of liquid hydrocarbon flow standard unit

2 關(guān)鍵模塊及其功能

利用若干關(guān)鍵技術(shù)和模塊實(shí)現(xiàn)液態(tài)烴流量量傳溯源。

2.1 高黏度換向器

換向器采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)單向旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)介質(zhì)為硅油，測試黏度為35 mm2/s。換向器通過編碼器調(diào)整落水點(diǎn)，方便快捷，流速穩(wěn)定不外濺，換向行程時(shí)間差可達(dá)到5 ms。

2.2 溫度測量與控制

超聲測溫裝置利用超聲波的傳播速度與介質(zhì)溫度之間的函數(shù)關(guān)系間接測量介質(zhì)溫度，可實(shí)現(xiàn)溫度的快速測量。經(jīng)評定超聲波溫度測量系統(tǒng)擴(kuò)展不確定度U為0.07%（k=2）。溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)冷熱水機(jī)組1 套，另設(shè)板式換熱器1 臺，通過調(diào)節(jié)換熱器中制冷液的流量控制管路的溫度，溫度波動(dòng)控制在±0.1 ℃/min以內(nèi)。溫度測量與控制如圖4所示。

2.3 流量自動(dòng)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)

圖4 溫度測量與控制Fig.4 Temperature measurement and control

流量量值復(fù)現(xiàn)需要盡可能地穩(wěn)定流量，合理選擇泵組。配備相應(yīng)的調(diào)頻電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)及采用泵吸入口液位高度控制等方法，可消除或減小由于泵的轉(zhuǎn)動(dòng)不均勻性及高低頻壓力波動(dòng)的影響導(dǎo)致的流量波動(dòng)。變頻穩(wěn)壓系統(tǒng)提高了流量穩(wěn)定性，流量采集、調(diào)節(jié)及控制調(diào)節(jié)閥開度可大幅縮短流量調(diào)節(jié)時(shí)間。壓力閉環(huán)控制累計(jì)時(shí)間的穩(wěn)定性明顯優(yōu)于轉(zhuǎn)速開環(huán)的流量穩(wěn)定性，穩(wěn)定性為0.09%。流量自動(dòng)調(diào)節(jié)控制如圖5所示。

2.4 高準(zhǔn)確度電子秤

小流量測量時(shí)，電子秤處于測量下限范圍，需要加載規(guī)定數(shù)量的砝碼，保證電子秤處于合理量程?；陧来a自動(dòng)加載系統(tǒng)，使標(biāo)準(zhǔn)裝置始終處于最佳稱量質(zhì)量范圍。標(biāo)準(zhǔn)裝置稱量技術(shù)工藝控制如圖6所示，電子秤技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 電子秤技術(shù)參數(shù)Tab.2 Technical parameters of electronic scale

圖5 流量自動(dòng)調(diào)節(jié)控制Fig.5 Flow automatic regulating and control

圖6 標(biāo)準(zhǔn)裝置稱量技術(shù)工藝控制Fig.6 Process control of standard equipment weighing technology

2.5 計(jì)時(shí)器

流量是質(zhì)量（容量）與時(shí)間的導(dǎo)出量值，時(shí)間測量準(zhǔn)確性對測量結(jié)果有著直接影響。裝置采用高準(zhǔn)確度計(jì)時(shí)器作為時(shí)間測量儀器，測量誤差優(yōu)于0.000 1%，相對測量不確定度優(yōu)于0.000 5%。

2.6 體積管

容積法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置選用2套體積管作標(biāo)準(zhǔn)裝置。1 套是智能活塞式體積管（表3），最大流量為200 m3/h，重復(fù)性優(yōu)于0.02%，采用4 個(gè)檢測開關(guān)形式，其標(biāo)準(zhǔn)容積可通過光學(xué)方法溯源至長度計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)[3]；另1 套是單向體積管，最大流量為1 000 m3/h。

表3 智能活塞式體積管技術(shù)參數(shù)Tab.3 Technical parameters of intelligent piston volume tube

2.7 密度測量單元

容積法配套的密度測量裝置選用2套高準(zhǔn)確度密度計(jì)。1 套為CDM100P 振動(dòng)管密度計(jì)（表4）；另1 套為DMA5000M 密度測量儀（表5），測量準(zhǔn)確度優(yōu)于0.05 kg/m3。密度測量儀具備熱平衡功能，能夠?qū)崿F(xiàn)在設(shè)定溫度下測量介質(zhì)密度，避免了傳統(tǒng)測量方法中由于溫度變化而導(dǎo)致的密度變化。通過對烴類壓縮性的正，可以復(fù)現(xiàn)在操作壓力下的實(shí)際密度值[5]。

表4 CDM100P振動(dòng)管密度計(jì)技術(shù)參數(shù)Tab.4 Technical parameters of CDM100P vibration tube densitometer

表5 DMA5000M密度測量儀技術(shù)參數(shù)Tab.5 Technical parameters of CDM100P DMA5000M density measuring instrument

2.8 流量比對組件

2.8.1 要求

（1）流量范圍大，黏度范圍寬，輸出脈沖量大。

（2）2臺流量計(jì)測量原理不同。

（3）適用于液態(tài)烴計(jì)量，長期運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

（4）能提供明確的關(guān)鍵比對數(shù)據(jù)，另1臺流量計(jì)能提供驗(yàn)證。

（5）采用流場依賴性較大的流量計(jì)，評價(jià)裝置的流動(dòng)特性。

（6）流量范圍能夠適應(yīng)參與裝置的測量能力。

（7）選擇較小口徑的流量儀表，方便運(yùn)輸與保管。

綜上所述，選擇DN80 mm 渦輪流量計(jì)和DN80 mm 雙轉(zhuǎn)子流量計(jì)串聯(lián)作為雙表比對組件。雙表比對組件技術(shù)參數(shù)見表6。

表6 雙表比對組件技術(shù)參數(shù)Tab.6 Technical parameters of double-meters comparison component

圖7 雙表比對組件配置Fig.7 Deployment of double-meters comparison component

2.8.2 結(jié)構(gòu)

考慮到渦輪流量計(jì)整流器的安裝要求，組件上游依次設(shè)置整流器、前直管段、渦輪流量傳感器及后直管段。前直管段長度按10D設(shè)計(jì)，后直管段長度按5D設(shè)計(jì)，并在后直管段安裝溫度傳感器[6]（圖7）。

2.8.3 黏度試驗(yàn)評價(jià)

對流量計(jì)做不同黏度試驗(yàn)，容積流量計(jì)對黏度變化具有較好的適應(yīng)性，在試驗(yàn)條件下的黏度影響為0.02%，而渦輪流量計(jì)為0.04%。

3 液態(tài)烴流量量傳系統(tǒng)

3.1 液態(tài)烴流量計(jì)量系統(tǒng)配置要求

液態(tài)烴流量計(jì)量系統(tǒng)配置1套單向體積管，用于直接檢定工作流量計(jì)，也可以用標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)檢定工作流量計(jì)。采用渦輪流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)，設(shè)置2 條檢定回路，1 路8 in（1 in=25.4 mm）管道可檢定DN300 mm、DN250 mm和DN200 mm口徑流量計(jì)；另1 路4 in 管道可檢定DN150 mm、DN100 mm和DN80 mm口徑流量計(jì)。采用1臺8聲道DN200 mm超聲流量計(jì)作為核查標(biāo)準(zhǔn)，對整套裝置的計(jì)量穩(wěn)定性進(jìn)行核查。液態(tài)烴流量計(jì)量系統(tǒng)配置要求見表7。

表7 液態(tài)烴流量計(jì)量系統(tǒng)配置要求Tab.7 Configuration requirements of liquid hydrocarbon flow measurement system

3.2 液態(tài)烴流量儀表檢定

液態(tài)烴流量檢定系統(tǒng)可以對容積式流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)以及超聲流量計(jì)進(jìn)行檢定。質(zhì)量流量計(jì)口徑超過DN150 mm，其他類型流量計(jì)口徑超過DN300 mm，都屬大口徑、大流量計(jì)量檢定[7]。容積式流量計(jì)、渦輪流量計(jì)和超聲流量計(jì)最大可檢口徑為DN400 mm～DN500 mm，液體超聲流量計(jì)最大流量接近8 000 m3/h，壓力最大可達(dá)10 MPa，基本覆蓋了現(xiàn)有類型的流量計(jì)種類和常用流量范圍。容積式流量計(jì)的計(jì)量能力取決于其流量范圍和允許的壓力損失，流量計(jì)進(jìn)、出口的連接尺寸不一定表示流通能力[8]。渦輪流量計(jì)對黏度很敏感，而液態(tài)烴的黏度隨溫度變化較明顯，特別是相對密度高的液體。質(zhì)量流量計(jì)受制于安裝條件，如管線振動(dòng)、多臺傳感器串?dāng)_、脈動(dòng)流、機(jī)械應(yīng)力等因素的影響[9]。液體超聲流量計(jì)流量脈沖延遲會影響檢定準(zhǔn)確度，并可能產(chǎn)生非均勻脈沖輸出，影響超聲流量計(jì)的重復(fù)性[10]。此外，液態(tài)烴流量檢定系統(tǒng)還需要考慮流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的標(biāo)準(zhǔn)體積、安裝空間、流量穩(wěn)定性控制、流量計(jì)前后直管段長度等因素（表8）。

3.3 試驗(yàn)測試

利用液態(tài)烴流量標(biāo)準(zhǔn)裝置及其環(huán)道測試系統(tǒng)開展測量介質(zhì)對流量量值的影響研究。通過對介質(zhì)溫度、黏度、壓力以及流動(dòng)狀態(tài)的理論研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，初步試驗(yàn)測試結(jié)果與理論研究基本一致：

（1）溫度對黏度、密度有影響。

（2）流量計(jì)系數(shù)隨溫度升高發(fā)生較大的偏移。

（3）黏度差異對容積流量計(jì)影響相對較小。

（4）壓力影響可忽略不計(jì)。

（5）流場狀態(tài)對測量結(jié)果有著較大的影響，在低雷諾數(shù)Re條件下，測量偏差明顯。

表8 液態(tài)烴流量檢定系統(tǒng)Tab.8 Liquid hydrocarbon flow verification system

4 結(jié)論

“質(zhì)量+容積”法組合系統(tǒng)構(gòu)成的液態(tài)烴流量原級標(biāo)準(zhǔn)裝置，吸納了國外同類型液態(tài)烴流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的優(yōu)點(diǎn)，建立了適合我國液態(tài)烴流量量傳溯源體系的高準(zhǔn)確度流量標(biāo)準(zhǔn)裝置；通過標(biāo)準(zhǔn)表把原級標(biāo)準(zhǔn)裝置與現(xiàn)場流量計(jì)聯(lián)系起來，構(gòu)建了完整的量傳溯源系統(tǒng)。該裝置采用閉式環(huán)道工藝，比選采用三種不同黏度的白油作為檢定介質(zhì)，模擬現(xiàn)場操作條件檢定各種流量計(jì)。研發(fā)高黏度液體換向器、穩(wěn)定測控單元、流量測控單元、質(zhì)量密度測量單元等關(guān)鍵技術(shù)和功能模塊作為技術(shù)支撐，實(shí)現(xiàn)了液態(tài)烴流量從現(xiàn)場流量計(jì)到國家質(zhì)量、容量基標(biāo)準(zhǔn)的完整溯源鏈。