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成品油管道中液体超声波流量计的应用及在线标定

作者:  来源:  时间:2018-01-05 09:00:43
       摘    要:超声波流量计目前多应用于天然气长输管道工程中,但在成品油长输管道贸易交接计量中,国内实际应用 相对较少。本文基于超声波流量计的基本原理并结合肯尼亚西部成品油管道工程,对超声波流量计在成品油管道中 的应用及在线标定等相关注意事项进行论述,以期为相关设计工作提供参考。
 引言
       原油及成品油长输管道在国家经济中的地位举足轻 重,计量系统作为长输管道经济效益的直接基础,也就成 为各方关注的重点。油品贸易结算依据分为空气中的重量 和体积量两种方式,各有一定的适用范围。目前,国内以 油品在空气中的重量作为贸易结算依据[1],而国际上通常则 是采用体积量进行交接。因此,随着与国际接轨,近年来 国内成品油交接计量已经开始有从“质量”和“体积”并 存,逐渐向“体积”量交接过渡的趋势[2]。 涡轮流量计、质量流量计以及传统的容积式流量计是 目前国内原油、成品油管道常用的流量计形式。液体超声 波流量计用于原油、成品油的计量还处于起步推广阶段, 国内相关标准尚不健全,同时实际应用也相对较少。随着 计量方式的转变,参考国外先进经验,超声波流量计用于原油、成品油交接计量具有广阔的前景。
1  超声波流量计基本原理
       超声流量计作为新型的高精度的流量测量仪表,具有 测量范围宽、精确度高、无可动部件、无压损、安装使用 费低、具备自诊断功能等优点。因此,在20世纪末期开始 在天然气计量领域中被广泛采用,并逐渐在越来越多的工 程应用中取代传统的涡轮和孔板流量计。超声波流量测量 法有多种,依据信号检测原理的不同可以划分为:多普勒 效应法、传播时间法(时差法)、波束偏移法、噪声法和 互相关法等几种。其中,多普勒效应法和传播时间法是目 前超声波流量计通常采用的方式,以下是对这两种方法的 论述。
1.1  多普勒效应法
       多普勒型超声流量计对介质流速的检测主要是利用相 位差法,其测量原理为:当某一已知频率的声波在运动流 体中传播时,在流体自身运动的影响下,声波在两发射器/ 接收器间的频率和相位会出现一定程度的差异,通过检测 此差异就可以确定出流体的速度。 采用多普勒效应法的超声波流量计也有一定的应用局 限性,其对被测介质的要求较高,需要被测介质可以适量 反射超声波信号,且其中的杂质含量也需要处于相对稳定 的水平。此外,不同厂家生产的流量计由于仪表性能的差 异,对被测介质的要求也不同。
1.2  传播时间法
       传播时间法(时差式)超声波流量计主要是依据超声 波在流体中顺向和逆向传播的时间差与流体流速存在正比 例关系这一原理进行测量。即某一特定速度的声波由于流 体流动而在发射器和接收器间的传播时间出现变化,依据 此相对变化量就可以确定出流体的流速。 时差式超声波流量计是目前生产最多、应用范围最广 泛的,主要用来测量洁净的液体、气体和杂质含量不高的 均质流体的流量。在天然气长输管道、自来水公司和工业 用水领域,均得到广泛应用。现有的工程案例表明,在原 油和成品油交接计量中选用时差式超声波流量计,大多数 情况下可以获得满意的效果。
2  典型配置
       API MPMS 5.8 中给出了液体超声波流量计上下游管路 的推荐配置,即上游10D,下游5D。实际应用结果表明, 只有合理的上下游管路配置才可以有效地减少流体扰动造 成的影响,确保超声波流量计的性能被良好地发挥出来。 具体的管路配置如图1所示,其中的计量支路主要由超 声波流量计本体、直管段(分前/后直管段)、整流器、补 偿用温度和压力变送器等几部分构成。其中,前直管段分 为两部分,整流器处于这两部分直管段之间。
超声波流量计典型管路配置
2.1  超声波流量计 
       近年来,随着超声波流量计测量技术的不断发展,德国科隆(KROHNE)的ALTOSONIC系列、美国Daniel的Model 3804/3814以及CAMERON的Caldon LEFM等多声道液 体超声波流量计开始在原油和成品油贸易计量中得到广泛 应用。目前,用于液体交接计量的超声波流量计多为三声 道及以上,且均为时差式超声波流量计。
2.2  前后直管段 
       参照交接计量用气体超声波流量计的安装要求,为尽 可能减小由于管道和流量计本体内径差异而导致的液体流 型扰动,进而影响到检测结果,应该尽可能的控制流量计 本体和上游管道的内径偏差不超过±1%。同时,直管段应 满足一定的清洁性要求[3]。而依据计量标准相关规定,节 流装置的前/后直管段必须是光管,但在很多实际工程应用 中,往往忽视此问题而采用无缝钢管代替,这就会对计量 结果产生一定程度的影响,且此偏差一般难以得到补偿和 消除。因此,建议由流量计厂家配套提供前/后直管段。
2.3  整流盘/多管束整流器 
       虽然与其他仪表相比,多声道超声波流量计能够在一 定程度上容忍更多的流量扰动,但在好的流型下,流量计 会表现的更加稳定、精确。整流盘/多管束整流器可以消除 中等级别以下的涡流,且得到一个满足速度分布要求的流 型,从而使超声波流量计检测结果的精度显著提高。这点 与气体超声波流量计类似。
2.4  相关仪表 
       下游直管段上开孔用于安装温度变送器、压力变送 器。全部的仪器在安装时,都应该依据如下原则:仪表测 量所得的数值与流量计本体内的数值应保持一致性。压力 检测仪表安装在流量计下游距法兰端面2D~5D之间,以确 保能准确反应被测介质流经超声波流量计本体时的压力和 温度值。
3  液体超声波流量计的在线标定
       相对其他传统的流量计,由于超声波流量计计量液态 烃发展较晚,国内尚未颁布关于液体超声波流量计计量液 态烃的专项规范标准,而国际上也缺少此方面的标准。目 前的设计和工程应用主要依据美国石油协会API给出的关技术标准,诸如API MPMS 4.8和5.8。我国此方面的标准 亦不完善,只是在2007年发布了《超声波流量计的检定规 程》,其此规程仅属于一个通用的标准,缺乏明确规定, 且侧重于气体超声波流量计的检定,而关于液体超声波流 量计则没有过多的涉及。
3.1  存在的问题及难点
       与传统的容积式流量计(刮板、双转子流量计)以及涡 轮流量计根据脉冲当量直接计算不同,超声波流量计是通过 仪表内部芯片间接测量后对外发出计算脉冲,即超声波流量 计产生的与流量相关的脉冲频率是经加工处理后产生的, 经过数据转换处理后,会导致输出的信号对流体特性的反 应存在一定的滞后,即输出的脉冲信号会有一定延迟[4]。 此外,超声波流量计在工作过程中,其本体内部的各 条声道上都在进行着高频率的时间差测量和采集,而在流 体湍流作用影响下,测量过程容易受到流体的不稳定性的 影响。且很小的流量扰动都可能被流量计检测到,从而使 流量计产生不均匀的脉冲输出,这种伴随湍流扰动产生的 不均匀脉冲输出特性是传统的流量计所无法体现出来的。
3.2  标定装置的选择 
       目前,最为常用的流量计在线标定方式有两种,即球 式体积管(单向球和双向球体积管)和活塞式体积管标定 法。两种标定方式根据其工作原理及设计结构的特点具有 不同的优缺点,具体如表1所示。
 1)球式体积管
       由于超声波流量计输出的脉冲信号有一定的延迟现象, 只有采用更大的体积管才能达到理想的检定效果,单纯地 延长检定时间并不会对流量计的重复性有本质上的改善。 GB / T 9109.3 - 2014中引用了2005年第1版 API MPMS 5.8 中 给出的检定液体超声波流量计的体积管的推荐容积值(见 表2),由于球式体积管标准段容积可达15m3,因此实际 应用时可以根据API推荐的容积值对超声波流量计进行直 接标定。需要说明的是,该容积推荐表在2011年第2版APIMPMS 5.8中被删除[6],移至2013年第2版API MPMS 4.8中。 目前,常用的进口球式体积管主要是Daniel和Smith的产 品,而综合考虑价格及供货周期,国产开封仪表厂的体积 管也有大量的应用案例。
 API MPMS4.8中给出的推荐容积值
2)活塞式体积管
       活塞式体积管不能直接用于标定液体超声波流量计, 主要原因有以下两点:一是活塞式体积管受生产工艺的 限制,其最大容积(现有的产品中最大的标准容积约为 650L,且此种条件下造价高昂)仍远小于API的容积推荐 值;二是在标定过程中,这种类型的体积管的活塞运动会 对流量检测造成扰动。
       但是根据精度传递理论,即在流量计使用或检定期 间,若流量检测点、介质、流量计使用时的物理特性和对 应的操作过程均保持一致,则流量基准所复现的流量单位 制将会同等精度传递给工作流量计。因此,为了解决标定 中遇到的体积管所需容积过大的问题,可以通过应用“活 塞式体积管+标准流量计”的方法来解决。其对应的检定流程如下:
       (1)先利用活塞式体积管对做为中间量值传递的标准 流量计进行检定:在选定的流量检定点逐点对标准流量计 进行重复多次检定(每个点的测量次数应≥5次),在对温 度、压力数据进行补偿修正后,确定出标准流量计在不同 测定点下的重复性,并确保此重复性不超过0.02%。
       (2)在同样的检定条件下,在一定的时间和标准表 脉冲数(根据API MPMS 4.8的规定[7],应控制脉冲数量超过 10000个)内,同时记录标准流量计和被测流量计(液体超 声波流量计)的脉冲数和对应的温度、压力等相关参数。
       (3)依据标准流量计检测到的脉冲数、仪表系数和标 定时的温度压力等相关数据,确定出流过标准流量计的流 体体积。
       (4)依据此体积数据和超声波流量计处的温度压力等 相关参数,即可确定出超声波流量计在各检测点对应的平 均仪表系数和重复性。 实际工程应用中,常用的活塞式体积管主要为Daniel和 加利布朗的产品。国产的开封仪表厂也有相应的型号,但 主要用于军工行业,工业领域应用案例相对较少。在液体 超声流量计的检定中,“活塞式体积管+标准流量计”也是 目前主要的检定方法[8],且市面上常见的流量计算机在控制 程序中也大多支持这种流量计检定方式。同时,此检定方法 也符合我国《超声波流量计的检定规程》中的相关规定。 此外,对于标准流量计的选择,考虑到量程范围及达 到需要的脉冲数所需的时间等相关因素要求,目前的主流 做法是采用涡轮流量计。
 
4  应用实例
肯尼亚西部成品油管道扩建工程东起肯尼亚首都内罗毕,途径纳库鲁至西部城市埃尔多雷特,全长326km。共设 置7座输油站场,设计数量 788×104 m3/a。首站 PS21位于首 都内罗毕,站内设两路8"液体超声波流量计(一用一备)。 
       1)采用Daniel的Model 3804四声道液体超声波流量计, 精度±0.15%,可重复性±0.02%,符合国际成品油交易要 求。并由厂家配套前10D后5D直管段、整流盘、相关仪表 (温变、压变)及仪表阀。 
       2)流量计进口设电动球阀,出口采用具有双关断双泄 放功能的DBB阀。计量系统标定时,先关闭一路超声波流 量计,根据等精度传递理论,通过“活塞式体积管+标准 表”法对超声波流量计进行检定。检定时,DBB阀下部的 排污口通过管线接入专用的泄漏检测罐,当处于关闭状态 的DDB阀出现泄漏时,油品会进入泄漏检测罐触发液位开 关报警。 
       3)每台流量计对应一台流量计算机,安装于控制室内 的计量机柜上,采用 FlowBoss S600 流量计算机。数据接口 为RS485(遵循MODBUS RTU通信协议)。 
       4)本工程由于是在已有征地范围内进行扩建,受空间 的限制,综合业主的使用经验,在首站PS21和终端站PS27 均采用了“活塞式体积管+标准流量计法”的标定方式,现 场使用效果良好。
5  结论
通过以上论述,液体超声波流量计量系统在原油、成 品油管道设计中应注意的问题归结如下: 
       1)交接计量用的超声波流量计应为采用传播时间法的 多声道、插入式。 
       2)流量计在设计时,应该确保其直管段长度在合理的 范围内,同时配套整流装置,且建议直管段和整流装置均由流量计厂家配套提供。
       3)仪表的安装位置必须符合相关规范的规定,以保证 测量参数的一致性。 
       4)仪表的精度应在合理范围内,并满足系统的整体计 量要求。 
       5)采用“活塞式体积管+标准流量计”的标定方式 时,应考虑对体积管缸体的保护,当介质洁净程度不理想 时,建议在体积管进口处增设过滤器。 随着相关计量技术的迅猛发展以及计量相关标准规范 的日益完善,液体超声波流量计的性能和适用范围不断提 高,在原油成品油贸易计量中的应用也会越来越广泛。超 声波流量计所表现出的大量程、零压损、自诊断功能及相 对较低的全寿命周期维护成本等方面的优势,将为原油、 成品油交接计量提供更大的便利和支持。
 
 

 

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