體積管檢定誤差來源的探討

高松,高立夫,高路

中國石化管道儲(chǔ)運(yùn)分公司新鄉(xiāng)輸油處(河南新鄉(xiāng)453000)

體積管檢定誤差來源的探討

中國石化管道儲(chǔ)運(yùn)分公司新鄉(xiāng)輸油處(河南新鄉(xiāng)453000)

從體積管檢定過程中出現(xiàn)的氣體進(jìn)入,液體泄漏,電子、機(jī)械部件的復(fù)現(xiàn)性,體積管內(nèi)壁結(jié)蠟及其他方面,分析了體積管檢定的誤差來源,提出了一些改進(jìn)措施,為規(guī)范體積管檢定程序,減小檢定誤差提供了理論指導(dǎo)及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

體積管;檢定;誤差來源

目前在國內(nèi)原油交接計(jì)量中,以流量計(jì)動(dòng)態(tài)計(jì)量為主要方式,其中絕大多數(shù)以選用容積式流量計(jì)計(jì)量為主,并在線配套體積管,以確保流量計(jì)的準(zhǔn)確。在其使用過程中,體積管的不確定度會(huì)傳遞給流量計(jì),且其結(jié)果將影響到一個(gè)檢定周期,所以體積管檢定的誤差對(duì)流量計(jì)的檢定及計(jì)量影響較大。

提高體積管檢定結(jié)果的準(zhǔn)確度是減小流量計(jì)檢定誤差、提高計(jì)量交接準(zhǔn)確度的重要措施之一。如何提高體積管檢定結(jié)果的準(zhǔn)確度是擺在計(jì)量檢定人員面前的嚴(yán)峻課題,只有了解體積管的誤差來源并采取有效的措施杜絕誤差的產(chǎn)生,才能保證體積管檢定結(jié)果的準(zhǔn)確度。

1 體積管檢定工作原理

圖1是體積管容積檢定流程示意圖。在體積管的正式檢定前,需要做一系列的準(zhǔn)備工作：開啟水泵,讓水在整個(gè)檢定系統(tǒng)中循環(huán)起來,期間通過采取措施(比如通過運(yùn)行置換球)最終排凈檢定系統(tǒng)中的氣體。循環(huán)至整個(gè)系統(tǒng)溫度達(dá)到平衡時(shí),才能開展對(duì)體積管的檢定。

體積管的具體檢定工作程序是：體積管的檢定介質(zhì)(水)由水泵從儲(chǔ)水池抽水至體積管的進(jìn)口,發(fā)球后推動(dòng)置換球在體積管內(nèi)移動(dòng),觸發(fā)檢測開關(guān)1時(shí),換向器立即切換,讓檢定流程的水流入已經(jīng)準(zhǔn)備好的標(biāo)準(zhǔn)量器1,當(dāng)進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)量器的水位至能有效讀取刻度值時(shí),立即把換向器切換到另一待用的標(biāo)準(zhǔn)量器2。在標(biāo)準(zhǔn)量器2注水的過程中,要完成標(biāo)準(zhǔn)量器1的刻度讀數(shù)、測溫、放水、控制滴流時(shí)間、關(guān)底閥等工作內(nèi)容,為下一步工作做好準(zhǔn)備。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)量器2注水至能有效讀取刻度值時(shí),換向器再切換至標(biāo)準(zhǔn)量器1,直至檢定球觸發(fā)體積管的第二檢測開關(guān),讀取最后一標(biāo)準(zhǔn)量器的數(shù)值,即完成體積管的一次檢定過程。當(dāng)然,事先要根據(jù)體積管的體積確定每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)金屬量器的使用次數(shù)。

2 影響體積管檢定結(jié)果的因素分析

2.1 檢定介質(zhì)攜帶氣體

用水檢定體積管的過程中,為達(dá)到體積管檢定的準(zhǔn)確度和重復(fù)性。要保證不得有空氣進(jìn)入檢定系統(tǒng),同時(shí)要保證進(jìn)入體積管基準(zhǔn)管段的水全部進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)量器。因?yàn)闅怏w進(jìn)入會(huì)導(dǎo)致氣體占據(jù)檢定用液體的體積而引入負(fù)的附加誤差;液體泄漏會(huì)導(dǎo)致檢定用液體的丟失而引入正的附加誤差。同時(shí)都會(huì)對(duì)檢定結(jié)果的重復(fù)性影響較大。

2.1.1 空氣進(jìn)入體積管檢定系統(tǒng)的途徑

1)在體積管檢定前,體積管中的空氣沒有排凈。

圖1 體積管容積檢定流程示意圖

2)體積管檢定系統(tǒng),儲(chǔ)水池和標(biāo)準(zhǔn)量器直接與大氣相通,高速液流會(huì)夾帶空氣進(jìn)入計(jì)量循環(huán)系統(tǒng)。

3)水泵從儲(chǔ)水池中吸水,如果水泵的吸入口與液面較近,易形成旋渦,將會(huì)把空氣抽吸至泵內(nèi)而進(jìn)入檢定系統(tǒng)。同時(shí)泵體的吸入口與管線連接不嚴(yán),也易吸入空氣。

4)液體內(nèi)部產(chǎn)生的氣體。當(dāng)計(jì)量檢定系統(tǒng)局部有低壓帶時(shí),使溶解液流中的氣體溢出,通常稱為“氣穴”。這類氣穴總是產(chǎn)生大量很小的氣泡,空氣分離器也難以排除這些氣泡。

2.1.2 消除氣體影響的措施

1)體積管檢定系統(tǒng)投入運(yùn)行后,計(jì)量液體基本能將氣體驅(qū)趕出去,但要求檢定系統(tǒng)中必須配備有效的排氣設(shè)施和選擇正確的排氣點(diǎn),經(jīng)多次投球循環(huán)并進(jìn)行嚴(yán)格的排氣,排除掉滯留在液體內(nèi)的氣體。

2)改造儲(chǔ)水池,將標(biāo)準(zhǔn)器泄放口和水泵吸入口用隔斷墻分開,形成聯(lián)通器,使標(biāo)準(zhǔn)器泄放入水池的水有足夠的時(shí)間將氣泡排出。

3)改造儲(chǔ)水池,將水泵的吸入口放置水池的最低點(diǎn)。同時(shí)保證在檢定時(shí)水池的水盡量滿。

4)目前對(duì)氣穴沒有有效的消除方法。最簡單、最根本的辦法是防止氣穴的產(chǎn)生。為此,一是檢定系統(tǒng)要保持一定的壓力(一般高于液體的飽和蒸氣壓),在溫度低于50℃條件下,水的飽和蒸氣壓不大于0.1MPa,通常對(duì)體積管容積檢定時(shí)水溫在5～30℃范圍內(nèi)。二是體積管上游不可裝有節(jié)流閥或進(jìn)行節(jié)流操作［1］。

2.2 液體泄漏的影響

要保證體積管置換球在2個(gè)檢測開關(guān)之間置換出來的水全部進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)量器,就要求體積管第一個(gè)檢測開關(guān)后的所有旁通管線和閥門都必須保持嚴(yán)密性。否則,任何的泄漏就會(huì)對(duì)測量結(jié)果帶來誤差,檢定前應(yīng)按規(guī)定進(jìn)行檢驗(yàn),以防止閥門泄漏［2］。同時(shí)保證檢定球的表面光滑無劃痕且不變形,其直徑應(yīng)大于體積管標(biāo)準(zhǔn)管段內(nèi)徑的2%～4%;換向器應(yīng)無濺水、漏水和存水的現(xiàn)象。

在流程的設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)盡量將這些管線和閥門安裝在地上,以便能觀察它們是否嚴(yán)密、是否有漏點(diǎn)。

2.3 電子及機(jī)械傳動(dòng)部件復(fù)現(xiàn)性的影響

2.3.1 檢測開關(guān)復(fù)現(xiàn)性對(duì)體積管標(biāo)準(zhǔn)容積的影響

體積管檢測開關(guān)之間的長度(即標(biāo)準(zhǔn)管段),是通過計(jì)算確定。它是檢測開關(guān)復(fù)現(xiàn)性和體積管系統(tǒng)復(fù)現(xiàn)性的函數(shù)。檢測開關(guān)能對(duì)檢定球作出反應(yīng),體積管系統(tǒng)復(fù)現(xiàn)性則能指示從檢測開關(guān)之間置換出的液量。要設(shè)計(jì)一臺(tái)體積管,其反復(fù)發(fā)訊確定的液量應(yīng)在0.02%的誤差范圍內(nèi)(這表示±0.01%或±1/10000的置換容差)。如已知選用的2個(gè)檢測開關(guān),每個(gè)都能在2mm范圍內(nèi)被檢定球觸發(fā)并發(fā)出信號(hào),則檢定球最短的運(yùn)行長度和最長運(yùn)行長度之間最大差值為4mm。因該誤差不得大于總長度的0.02%,所以體積管檢測開關(guān)之間總長度至少為：0.004m/0.0002= 20m。

因此,體積管的復(fù)現(xiàn)性取決于檢測開關(guān)的實(shí)際復(fù)現(xiàn)性和標(biāo)準(zhǔn)管段的長度。如果準(zhǔn)確度要求不高,則標(biāo)準(zhǔn)管段的長度可相應(yīng)地短一些;如果準(zhǔn)確度要求較高,則標(biāo)準(zhǔn)管段的長度就應(yīng)長一些,或檢測開并必須有更高復(fù)現(xiàn)性［3］。

2.3.2 檢定球的復(fù)現(xiàn)性與機(jī)械開關(guān)動(dòng)作的復(fù)現(xiàn)性之間的關(guān)系

檢定球位置的復(fù)現(xiàn)性與檢測開關(guān)動(dòng)作的復(fù)現(xiàn)性之間的關(guān)系,如圖2所示：

圖2球位置復(fù)現(xiàn)性與機(jī)械檢測開關(guān)動(dòng)作復(fù)現(xiàn)性之間的關(guān)系的示意圖

圖2 中,D為體積管標(biāo)準(zhǔn)管段內(nèi)徑;d為檢測開關(guān)觸頭直徑;I為檢測開關(guān)插入的最深作用點(diǎn)的深度;I1-I2為檢測開關(guān)動(dòng)作復(fù)現(xiàn)性的范圍;Δx為球位置復(fù)現(xiàn)性或球位置的范圍,用下式表示：

結(jié)果說明了如下事實(shí)：

1)球位置的復(fù)現(xiàn)性(球位置的誤差),一般不如檢測開關(guān)動(dòng)作復(fù)現(xiàn)性好。

2)當(dāng)所用檢測開關(guān)觸頭插入作用深度,大于管徑1/4時(shí),而復(fù)現(xiàn)性不變時(shí),體積管的直徑越大,球位置的誤差也越大。

3)當(dāng)所用檢測開關(guān)觸頭插入作用深度,小于管徑1/4時(shí),球位置的誤差比檢測開關(guān)的誤差大。

為減少因檢測開關(guān)誤差引起的誤差,檢測開關(guān)的作用深度應(yīng)盡可能地深,深到像最精密的檢測開關(guān)那樣,由球的前沿來觸發(fā)。

2.3.3 換向器復(fù)現(xiàn)性的影響

換向器的響應(yīng)時(shí)間小于0.1s,那么當(dāng)檢定用液體的流量為40m3/h時(shí),對(duì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)容積為5m3的體積管產(chǎn)生的最大誤差為：

為保證檢定準(zhǔn)確度,應(yīng)使用復(fù)現(xiàn)性較高的換向器。同時(shí),由上式可知：減小換向器復(fù)現(xiàn)性的影響的途徑還有：一是使用響應(yīng)時(shí)間短的換向器;二是減小檢定用液體的流量。

2.4 體積管內(nèi)壁結(jié)蠟引起的誤差

JJG209-2010《體積管檢定規(guī)程》及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)都對(duì)在線檢定系統(tǒng)的準(zhǔn)備過程做了說明,但具體怎樣獲得滿意的檢定條件,以及滿意的檢定條件是什么,敘述得都不具體。但結(jié)蠟引起體積管的附加誤差確是客觀存在的。下面分析結(jié)蠟引起體積管的附加誤差對(duì)流量計(jì)準(zhǔn)確度的影響。

檢定流量計(jì)時(shí),體積管的標(biāo)準(zhǔn)體積是已知數(shù)。然而如果體積管的標(biāo)準(zhǔn)容積,因標(biāo)準(zhǔn)管段內(nèi)壁結(jié)蠟而失準(zhǔn),則通過量值傳遞就會(huì)影響流量計(jì)的準(zhǔn)確性。

2.4.1 體積管內(nèi)壁結(jié)蠟引起的誤差分析

當(dāng)體積管檢定流量計(jì)時(shí)的介質(zhì)為高含蠟原油時(shí),環(huán)境溫度和油品溫度的變化使原油中的蠟吸附在體積管的內(nèi)壁上,而體積管檢定時(shí)的介質(zhì)為水,所以就造成了體積管的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)容積縮小,通過量值傳遞將導(dǎo)致流量計(jì)產(chǎn)生負(fù)的附加誤差。即流量計(jì)顯示為負(fù)的測量誤差,但這一誤差不是流量計(jì)的真實(shí)誤差,而是加入了體積管內(nèi)壁結(jié)蠟造成的系統(tǒng)誤差。

式中：δ為流量計(jì)的測量誤差;δt為流量計(jì)的真實(shí)誤差;δs為體積管內(nèi)壁結(jié)蠟造成的系統(tǒng)誤差,負(fù)值。

表1是以某輸油站為例,計(jì)算出不同的結(jié)蠟厚度對(duì)體積管標(biāo)準(zhǔn)容積值及準(zhǔn)確度的影響。其中體積管標(biāo)準(zhǔn)容積值V20=5002.9471L,內(nèi)徑D=358mm,標(biāo)準(zhǔn)管段長度L=49.727m。

由表1可以看出,不同的結(jié)蠟厚度引起體積管容積值不同程度的變化,帶來的系統(tǒng)誤差也不同。

56

表1 不同結(jié)蠟厚度對(duì)體積管標(biāo)準(zhǔn)容積值及準(zhǔn)確度影響

2.4.2 結(jié)蠟過程分析

按照石油化學(xué)的觀點(diǎn),原油中的蠟是指十六烷以上的烴類混合物,含蠟原油在管線輸送過程中易產(chǎn)生蠟沉積現(xiàn)象在國際上得到了普遍的認(rèn)可。當(dāng)原油的溫度低于析蠟點(diǎn)時(shí),其中的蠟就開始從液相中結(jié)晶析出,隨著油溫逐漸下降,析出的蠟晶不斷增多,相互聯(lián)結(jié)形成三維空間結(jié)構(gòu),吸附在管壁上,形成堅(jiān)硬的固相。所以溫度變化是促成蠟沉積的主要外界條件。

1)輸油溫度的影響。原油在高于析蠟點(diǎn)溫度或低于凝固點(diǎn)溫度時(shí),蠟沉積均較輕微,但是在兩者之間卻有一個(gè)積蠟嚴(yán)重的溫度區(qū)域。積蠟高峰區(qū)的存在,是由于在此溫度區(qū)內(nèi),原油中的蠟晶體呈過飽和狀態(tài),大量析出并在管壁內(nèi)表面上直接結(jié)晶并逐漸沉積［4］。溫度較低時(shí),因原油失去流動(dòng)性,蠟不易析出;而溫度較高時(shí),因原油的析蠟量與溶蠟量基本處于平衡狀態(tài),也不易產(chǎn)生蠟沉積［5］。

2)油品含水的影響。原油中含高礦化度的水時(shí),大量的Ca2+、Mg2+離子,會(huì)造成體積管內(nèi)壁結(jié)垢。結(jié)垢不均勻又加強(qiáng)了蠟的附著力,結(jié)垢和結(jié)蠟同時(shí)產(chǎn)生時(shí),它們堅(jiān)固地附著在體積管的內(nèi)壁上,檢定時(shí)增加投球次數(shù)也很難將其刮除掉。

2.4.3 防止體積管內(nèi)壁結(jié)蠟的措施

高含蠟原油造成體積管內(nèi)壁結(jié)蠟是必然的現(xiàn)象,將造成流量計(jì)檢定結(jié)果嚴(yán)重失真。那么,采取有效的措施防止或減少體積管內(nèi)壁結(jié)蠟就非常必要。

1)輸油溫度和管線溫度的變化是導(dǎo)致蠟沉積的直接原因,另外原油的熔蠟點(diǎn)高于析蠟點(diǎn),一旦出現(xiàn)蠟沉積,靠提高輸油溫度和管線溫度使蠟溶解的方法需要消耗大量的能源(原油或天然氣)是非常不經(jīng)濟(jì)的。所以建議無論是室內(nèi)還是室外安裝的體積管都應(yīng)有伴熱設(shè)施并保證其伴熱系統(tǒng)的伴熱效果,使伴熱溫度始終高于原油的析蠟點(diǎn)是防止蠟沉積較有效的辦法。

2)冬季經(jīng)常投球運(yùn)行體積管,在體積管外壁增加電加熱設(shè)備及保溫層,在其使用前24～48h開啟加熱裝置,達(dá)到融化體積管內(nèi)壁的結(jié)蠟,同時(shí)流量計(jì)檢定前應(yīng)增加投球次數(shù)。目的是將沉積在體積管壁上的蠟刮下來,防止蠟的進(jìn)一步沉積。

3)時(shí)刻關(guān)注流量計(jì)檢定數(shù)據(jù)的異常波動(dòng),出現(xiàn)問題及時(shí)分析,從流量計(jì)和體積管的檢定球、各部件密封性、檢定流程、原油物性、體積管內(nèi)壁結(jié)蠟等查找原因,及時(shí)采取處理、防范措施。

2.5 其他因素的影響

2.5.1 液體滑過檢定球

由于檢定球的橢圓度或者過盈量選擇不當(dāng),以及檢定球長期運(yùn)行造成的磨損,使其與體積管內(nèi)壁的密封達(dá)不到要求,而會(huì)出現(xiàn)液體體積量會(huì)滑過檢定球的情況。

為防止這一情況出現(xiàn),體積管檢定前必須檢查檢定球。先直觀檢查有無嚴(yán)重劃痕,確保檢定球直徑比體積管標(biāo)準(zhǔn)管段內(nèi)徑大2%～4%,同時(shí)檢查球的圓度及充壓情況。不符合要求的,應(yīng)及時(shí)處理或更換。

2.5.2 檢定用溫度計(jì)、壓力表準(zhǔn)確度及讀取數(shù)值的影響

由體積管檢定體積的溫度、壓力換算過程可知,標(biāo)準(zhǔn)量器和體積管的壁溫,體積管內(nèi)液體的壓力表的準(zhǔn)確度都將影響到體積管標(biāo)準(zhǔn)體積的值。所以應(yīng)保證使用準(zhǔn)確度符合要求的溫度計(jì)、壓力表;同時(shí)應(yīng)保證溫度、壓力的讀數(shù)準(zhǔn)確。

3 結(jié)論

因?yàn)橛绊戵w積管檢定誤差的因素較多,在檢定前應(yīng)仔細(xì)檢查每一個(gè)易產(chǎn)生誤差的環(huán)節(jié)。如果事先制定詳細(xì)的檢定工作流程圖,將對(duì)體積管容積檢定工作具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義,從而促進(jìn)體積管工作的順利進(jìn)行,保證檢定結(jié)果的準(zhǔn)確性。

［1］JJG209-2010體積管檢定規(guī)程［S］.

［2］潘丕武.石油計(jì)量技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：海洋出版社,2001.

［3］梁文杰.石油化學(xué)［M］.東營：石油大學(xué)出版社,1995.

［4］孫玉偉,宋征,仲權(quán)偉.體積管檢定流量計(jì)過程中存在的計(jì)量誤差［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2010(19)：73-74.

［5］趙璟,濮新宏,陳祥斌.原油流量計(jì)檢定中的問題與對(duì)策［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn),2010,29(3)：236-238.

Error sources of volume tube verification are analyzed from gas entering, liquid leakage, the reproducibility of electrical and mechanical elements and the precipitation of paraffin on the inner wall of the volume tube, some improvement measures are proposed,and the strict volume tube verification workflow is developed, which provide theoretical guidance and practical experience for standardizing the volume tube verification workflow and reducing the volume tube verification error.

volume tube; verification; error source

左學(xué)敏

2014-06-30

高松(1957-),男,工程師,主要從事原油貿(mào)易計(jì)量管理工作。