CMF在某成品油管線中的應(yīng)用研究

王春娟

（中石化銷售有限公司華中分公司，湖北 武漢430011）

0 引言

成品油管線具有可將多種油品順序輸送的特點，實現(xiàn)了煉化企業(yè)和各省市公司油庫資源的有效銜接，確保了市場供應(yīng)。質(zhì)量流量計作為油品輸送量的計量工具，在執(zhí)行油品輸送計劃和管輸企業(yè)與煉化企業(yè)、油庫三方的貿(mào)易交接中發(fā)揮著關(guān)鍵性的作用，采用性能穩(wěn)定、精度高的質(zhì)量流量計對管道輸送貿(mào)易交接有著重要的意義。

某成品油管道全長177.5km，將汽油（90#、93#、97#）和柴油（車用、普通）5個油品從煉廠輸送到A 和B油庫，全線設(shè)置1座輸油首站和2 座分輸（泵）站，均采用科里奧利質(zhì)量流量計（簡稱CMF）進行貿(mào)易計量交接。

1 CMF的結(jié)構(gòu)組成及原理

1.1 CMF的結(jié)構(gòu)組成

CMF由流量傳感器和流量變送器兩部分組成，其中流量傳感器是一種基于科里奧利效應(yīng)的相位敏感型諧振式器件，用于檢測流體流量信號，包含流量管、驅(qū)動線圈、檢測線圈、磁鐵、過程接頭和核心處理器等部件；流量變送器用來向傳感器提供驅(qū)動力，并對傳感器的信號進行處理、顯示以及與上位機通信等，包含振動信號發(fā)生單元、信號檢測和信號處理單元等部件。CMF 的流量管采用2 根并排的U形管。

圖1 流量計計量系統(tǒng)邏輯功能框圖

1.2 CMF的工作原理

CMF是利用流體在直線運動的同時處于一旋轉(zhuǎn)系中，產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力的原理制成的一種直接式質(zhì)量流量儀表。

CMF的流量管經(jīng)過驅(qū)動線圈驅(qū)動后，U 形管的回彎部分相向微微振動，兩側(cè)的直管跟著振動。CMF采用直管振動來形成一個旋轉(zhuǎn)體系，同時直管中流體由于科里奧利效應(yīng)，將產(chǎn)生與管壁垂直的科里奧利力。根據(jù)牛頓力學(xué)原理，科里奧利力計算公式如下：

式中，ω 為旋轉(zhuǎn)系的角速度；v為物體相對旋轉(zhuǎn)系的運動速度；m為流體的質(zhì)量。

設(shè)密度為ρ的流體以速度v 在內(nèi)截面積為A 的管道中流動，任何一段長度Δx 的管道所受的科里奧利力計算公式如下：

流量計算機具有RS485和以太網(wǎng)接口，可以實現(xiàn)對質(zhì)量流量計多種數(shù)據(jù)的采集與計算，也可與SCADA 系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換。流量計算機通過內(nèi)置體積流量和質(zhì)量流量換算公式，將采集到油品的實時密度信號，經(jīng)過壓力和溫度補償計算，得出各種油品在工況下和標(biāo)況下的批次流量與累計流量。

2 成品油管線質(zhì)量計量系統(tǒng)的組成

某成品油管線采用S600流量計算機，與CMF400、流量計后的壓力變送器、PT100鉑電阻、流量計前后閥門、過濾器以及上行的SCADA 系統(tǒng)、上位機和報表打印機等共同組成流量計量系統(tǒng)，其中CMF400為計量系統(tǒng)提供瞬時流量、實時密度，密度精度達到±0.05%。流量計算機接收瞬時質(zhì)量流量和實時密度信號，經(jīng)過計算處理，可提供某一油品質(zhì)量總累計量、當(dāng)前批次量、時累計量、日累計量以及上時段累計量等流量信息。同時，CMF400通過RS485通訊接口將瞬時流量、累計流量、密度、溫度以及診斷信息輸入到流量計算機中。

如圖1所示，流量計算機通過質(zhì)量流量計輸入的瞬時流量直接完成質(zhì)量流量的累計，同時通過采集壓力和溫度信號對質(zhì)量流量計提供的實時密度信號進行補償計算，得出工況下和標(biāo)況下的體積流量。通過SCADA 系統(tǒng)上位機油品類別選擇及油品下發(fā)識別油品種類，從而自動計算出各種油品批次流量，并將流量數(shù)據(jù)傳送給SCADA 系統(tǒng)進行存儲，由SCADA 系統(tǒng)完成油品參數(shù)的顯示及報表生成功能。

3 油品下載計量功能的實現(xiàn)

一般情況下，成品油管線的控制系統(tǒng)采取中控模式。成品油管道為了順序輸送時混油處理的需要，設(shè)置的在線密度計精度要更高、更可靠，通常精度高達±0.015%以上。當(dāng)進行油品切割時，操作員依據(jù)在線密度計讀數(shù)判斷油品種類，進行下載閥門開關(guān)操作，同時下發(fā)油品類型，SCADA 系統(tǒng)將相應(yīng)的命令輸出給現(xiàn)場的閥門和儀表等設(shè)備。

以某B 站中間站下載為例，其油品下載流程如圖2所示。當(dāng)前為普柴頂93#汽油，混油越過B站進末站，B站只需觀察在線密度計讀數(shù)并與汽柴混油切割密度值進行比對，判斷混油是否已經(jīng)越站。當(dāng)混油越站即將結(jié)束時，開啟普柴的505# 下載閥，在接收到普柴下載閥打開的反饋信號后，SCADA 系統(tǒng)給流量計算機一個開關(guān)量信號，觸發(fā)普柴下載累計命令，即流量計算機得到油品信息和開始計量的時間標(biāo)簽，此時開始對該批次普柴的流量累計。當(dāng)達到普柴下載量時，關(guān)閉505#閥門，同時將反饋給流量計算機一個開關(guān)量信號，觸發(fā)普柴下載的停止計量命令。

圖2 B站油品下載流程圖

4 CMF在成品油管道運行中的穩(wěn)定性分析

在質(zhì)量流量計計量系統(tǒng)中，CMF 作為檢測儀表為流量計算機輸入瞬時流量，它的精度和運行的可靠性直接影響著計量系統(tǒng)輸出的計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此分析CMF 的穩(wěn)定性具有重要意義。根據(jù)CMF的工作原理，流量傳感器是一種基于科里奧利效應(yīng)的相位敏感型諧振式器件，它必然受到安裝現(xiàn)場應(yīng)力、周圍磁場等因素的影響。因此，經(jīng)檢定合格后的CMF用到工作現(xiàn)場，環(huán)境條件、工藝條件、介質(zhì)狀態(tài)等都發(fā)生了較大的變化，為了保證在工作現(xiàn)場應(yīng)用的可靠性，根據(jù)我們對CMF實際使用的經(jīng)驗總結(jié)，應(yīng)主要從以下幾個方面分析其影響因素，并采取相應(yīng)的解決辦法。

4.1 安裝與應(yīng)力

如果流量計安裝不正確，測量精度將受到很大的影響。在質(zhì)量流量計的安裝管路上，若附近有馬達、油泵、壓縮機等大型動力設(shè)備或工藝管線中出現(xiàn)水擊等現(xiàn)象，極易造成管路與質(zhì)量流量計的測量管共振，導(dǎo)致測量偏差。另外，由于測量管法蘭與工藝管線法蘭的連接螺栓緊固不均勻，及測量管與工藝管線不水平、不同心，測量管受到工藝管線或扭力的壓迫，導(dǎo)致其振動特性改變，也會引起計量誤差。

解決辦法：安裝時應(yīng)遠離馬達、油泵、壓縮機等大型動力設(shè)備，增加結(jié)實的固定支撐，以消除管路的機械振動引起的CMF測量管共振。同時，安裝時要使測量管與工藝管線水平同心，螺栓要緊固均勻。

4.2 零點漂移

在實際應(yīng)用中，CMF零點有一個波動范圍，即質(zhì)量流量計的零點漂移。即在零點調(diào)整之前，當(dāng)流量計內(nèi)介質(zhì)靜止時，流量計的瞬時質(zhì)量流量示值。引起質(zhì)量流量計零點漂移的原因很多，如管道振動，管道應(yīng)力和扭曲，液體中含有固體顆?；驓馀荩黧w的溫度、密度、黏度發(fā)生變化等。質(zhì)量流量計的零點漂移是其重復(fù)性好壞的決定因素，并直接影響測量結(jié)果。尤其是在小流量測量時，零點漂移對測量準(zhǔn)確度的影響較為嚴重。通過零點調(diào)整可以減小或消除零點漂移的影響。

解決辦法：無論是在流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上對流量計進行檢定，還是在流量計現(xiàn)場使用時，都必須嚴格按照生產(chǎn)廠家的規(guī)定進行安裝和調(diào)零。

CMF調(diào)零時，必須先將流量計正確安裝并充分預(yù)熱，使其在50%量程以上流量下運行一段時間，一般不少于10 min，排出氣泡并使測量管內(nèi)充滿待測流體，然后關(guān)閉流量計的出口閥和入口閥。檢定后的流量計在使用現(xiàn)場安裝后，必須重新進行零點調(diào)整。

4.3 介質(zhì)相態(tài)的影響

由CMF 的工作原理可知，被測量介質(zhì)視為密度均勻的流體，故當(dāng)CMF 的測量管中液體含氣量超過某一限制值時，CMF測量值會受到顯著影響。因此對于含有氣體或固體造成分布不均勻顆粒的液體，或CMF 出口無背壓直接流入低液位容器使測量管內(nèi)留空等，都會導(dǎo)致測量管的振動不能完全反映均勻流體的科里奧利力，從而造成測量誤差。

解決辦法：對于易汽化的液體，在管線前段安裝消氣器；對于含固體雜質(zhì)較多的物料，配置過濾器；流量計后端要保持0.1 MPa的背壓，以防止測量管排空。

4.4 小流量切除

由于傳感器輸出的流量信號帶有機械源或電動機引起的噪音，流量計允許用戶自定義流量切除參數(shù)來濾掉這些噪音，使那些低于該參數(shù)的流量變送器脈沖和數(shù)字輸出測量值指示為0。流量切除參數(shù)是流量變送器產(chǎn)生一個非零的可讀數(shù)字流量和脈沖輸出的最小流量。如果流量信號低于流量切除參數(shù)設(shè)置，則變送器輸出的流量值為0。由此可知，流量切除參數(shù)的組態(tài)不可過大，否則將影響質(zhì)量流量計測量準(zhǔn)確度。

解決辦法：流量切除設(shè)置是該傳感器的最大滿刻度流量的0.5%，根據(jù)需要最高可設(shè)置為1.0%。設(shè)置過小或儀表零點過大，儀表在無流量時會顯示流量輸出，出現(xiàn)累計錯誤。另外，小流量切換設(shè)置應(yīng)在零點調(diào)整之前，否則進行的零點調(diào)整不是真實的零點。

4.5 介質(zhì)壓力的影響

由于過程壓力偏離標(biāo)定壓力引起傳感器敏感度變化，將會直接影響質(zhì)量流量計的測量精度，從而導(dǎo)致流量計產(chǎn)生測量誤差。目前，一般情況下，流量計在0.2 MPa左右對水介質(zhì)進行標(biāo)定。對于成品油管線，管線壓力經(jīng)過調(diào)節(jié)閥后已趨于穩(wěn)定，基本處于檢定壓力范圍內(nèi)，同時流量計后壓力變送器信號接入了流量計算機進行壓力補償修正，壓力對CMF測量精度的影響可以忽略。

解決辦法：在線安裝壓力變送器，將壓力變送器給出的毫安信號接入質(zhì)量流量計變送器接線板接線端，并在質(zhì)量流量計變送器組態(tài)的壓力補償組態(tài)中輸入流量標(biāo)準(zhǔn)壓力、4 mA 和20mA的壓力值等，然后組態(tài)壓力輪詢，通過輪詢外部設(shè)備獲取到壓力數(shù)據(jù)，質(zhì)量流量計就會自動進行在線壓力補償。

4.6 磁場影響

由于CMF 內(nèi)部的構(gòu)造采用了線圈磁場等部件，會使流量管產(chǎn)生振動。如果在流量計的周圍存在較大的磁場，將干擾流量管的振動和科里奧利力測量的準(zhǔn)確性。同時，如果周圍存在較大磁場（例如變壓器、高頻開關(guān)），就會使電磁線圈檢測到多余的信號，這些信號與原測量信號的疊加，將導(dǎo)致測量誤差。

解決辦法：CMF的安裝位置應(yīng)遠離磁場，特別是變壓器等電氣設(shè)施，避免外部磁場的干擾。

5 結(jié)語

CMF是成品油管道貿(mào)易交接、內(nèi)部結(jié)算一個必不可少的設(shè)備，在安裝和使用過程中應(yīng)考慮到安裝應(yīng)力、零點、小流量切除、介質(zhì)狀態(tài)、管輸流量、壓力等對其測量準(zhǔn)確度的影響，只要從流量計的原理出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)象深入分析原因，可以基本消除上述影響，保證CMF的穩(wěn)定性和高精度。

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