淺談?dòng)推酚?jì)量橇裝系統(tǒng)及其標(biāo)定

林長波

（中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 東營 257026）

0 引言

計(jì)量橇裝系統(tǒng)作為一種可以保證高計(jì)量精度的計(jì)量系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于原油、成品油和天然氣的貿(mào)易交接計(jì)量中。目前世界上新建項(xiàng)目中，原油貿(mào)易交接80%都是采用計(jì)量橇裝系統(tǒng)形式。我國近幾年在石油天然氣工業(yè)的許多大型項(xiàng)目上也都采用了計(jì)量橇裝系統(tǒng)，例如：蘭成渝成品油管道、珠江三角洲成品油管道及我國在國外投資的哈薩克斯坦原油項(xiàng)目、肯尼亞成品油項(xiàng)目等。計(jì)量橇裝系統(tǒng)以其高精度、高穩(wěn)定性廣泛應(yīng)用于石油天然氣工業(yè)。

1 計(jì)量橇裝系統(tǒng)組成

計(jì)量橇裝就是通常我們所說的計(jì)量系統(tǒng)，它是把涉及計(jì)量的各個(gè)部分集成在一起，預(yù)先安裝在一個(gè)鋼制基座上，出廠前做試壓及各項(xiàng)功能測試，并取得計(jì)量檢定證書，到達(dá)現(xiàn)場后只需和上下游管道連接并把信號連接到控制室的儀表柜后便可以投入運(yùn)行。計(jì)量橇裝是一個(gè)集成的“工程”，是像一個(gè)整體產(chǎn)品一樣“打包”供貨，可以減少用戶的很多麻煩。

油品計(jì)量橇裝主要工藝流程圖見圖1，主要包括以下部分：

1）計(jì)量儀表：質(zhì)量流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、刮板流量計(jì)等。

2）檢測儀表：溫度、壓力變送器及溫度表、壓力表。

3）分析儀表：自動(dòng)取樣器、含水分析儀、密度計(jì)。

4）在線比對回路和在線標(biāo)定接口。

5）管路和閥門：包括下游關(guān)斷閥、流量調(diào)節(jié)閥、排污閥、泄放閥。

6）儀表電路系統(tǒng),比如：電源分配箱、信號接線箱、撓性連接管、防爆穿線管、穿線盒等。

7）控制機(jī)柜,流量計(jì)算機(jī)，PLC(控制閥門和回路切換，選配)。

8）各種鋼架支撐結(jié)構(gòu)、扶梯、過道等。

9）鋼質(zhì)底座。

1.1 計(jì)量儀表

計(jì)量儀表為計(jì)量橇裝系統(tǒng)的核心部分，根據(jù)規(guī)范要求，油田外輸原油的貿(mào)易交接計(jì)量精度為0.2級，目前主要應(yīng)用的儀表類型包括：刮板流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、渦輪流量計(jì)等。計(jì)量儀表同時(shí)輸出兩路脈沖測量信號，一路傳至各自的計(jì)量流量計(jì)算機(jī)，一路傳至標(biāo)定用流量計(jì)算機(jī)。

刮板流量計(jì)作為傳統(tǒng)的檢測儀表，具有測量精度高、適應(yīng)性強(qiáng)、不受介質(zhì)密度影響等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。但當(dāng)原油以刮板流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量時(shí)，在運(yùn)行工藝條件下，由于溫度、壓力、粘度等因素的變化均會(huì)影響原油的體積，會(huì)導(dǎo)致流量計(jì)自身產(chǎn)生的附加誤差，再加上刮板流量計(jì)計(jì)量腔室長期磨損會(huì)產(chǎn)生的誤差等，所以刮板流量計(jì)也具有一定的缺陷性。

質(zhì)量流量計(jì)，直接測量流體的質(zhì)量，可測量的液體范圍廣（包括高粘度的液體，含油固體顆粒的液體、含有均勻分布的少量氣體的液體等），測量管的振幅小，可視為無可動(dòng)部件，無上下游直管段要求，可同時(shí)測量液位的密度和溫度等優(yōu)點(diǎn)，也逐漸得到了廣泛使用。但質(zhì)量流量計(jì)也有一定的局限性：壓力損失大，目前質(zhì)量流量計(jì)的最大口徑僅為DN150，對外界振動(dòng)敏感，價(jià)格昂貴等。

超聲波流量計(jì)，多聲道超聲波流量計(jì)在大口徑管道、大流量計(jì)量中有突出的優(yōu)勢，其無可動(dòng)部件的構(gòu)造和完善的自診斷功能大大提高了流量計(jì)的可靠性，無附加壓力損失使其在節(jié)能方面具有明顯優(yōu)勢，測量范圍也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它流量計(jì)。由于超聲波流量計(jì)是靠智能電子單元間接測量超聲波傳輸時(shí)間來計(jì)算出流量，人工“制造”出與流量相關(guān)的脈沖（頻率），流量脈沖和串行信號是通過計(jì)算獲得的，因此輸出信號會(huì)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)信號；由于流體流動(dòng)存在不穩(wěn)定性，微小的流動(dòng)擾動(dòng)或脈動(dòng)都會(huì)被流量計(jì)測量到，導(dǎo)致流量計(jì)產(chǎn)生不均勻脈沖等缺點(diǎn)。

圖1 計(jì)量橇裝系統(tǒng)圖Fig.1 Measurement of skid-mounted system map

1.2 流量計(jì)算機(jī)

計(jì)量橇裝系統(tǒng)提供的流量計(jì)算機(jī)是已獲得國際權(quán)威認(rèn)證機(jī)構(gòu)（如API、OIML等）的有關(guān)認(rèn)證，且獲得中華人民共和國計(jì)量器具型式批準(zhǔn)證書，允許專門用于商貿(mào)交接的流量計(jì)算機(jī)，它將與相關(guān)流量計(jì)以及相關(guān)的儀表組成流量計(jì)量系統(tǒng)，用于貿(mào)易計(jì)量、流量檢測及流量標(biāo)定。

流量計(jì)算機(jī)可根據(jù)用戶的需求安裝于控制室或者現(xiàn)場，在工程的實(shí)際應(yīng)用中多選用非防爆的流量計(jì)算機(jī)，安裝于控制室。每一計(jì)量支路配套一臺(tái)流量計(jì)算機(jī)，用于該支路的流量計(jì)量。同時(shí)流量計(jì)算機(jī)還可以控制上下游管道關(guān)斷閥的緊急開關(guān)及調(diào)節(jié)閥的開度控制。（注：閥門的開關(guān)控制、支路切換也可單獨(dú)設(shè)一套PLC控制系統(tǒng)，由PLC完成相應(yīng)的控制）。

計(jì)量橇裝系統(tǒng)提供的流量計(jì)算機(jī)具有很高的可靠性和穩(wěn)定性，其技術(shù)特性能滿足以下要求：

1）流量計(jì)算機(jī)應(yīng)是基于微處理器的智能型儀表，選用32bit或64bit的微處理器，其內(nèi)存的容量至少為2M，能滿足流量計(jì)算及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求。

2）流量計(jì)算機(jī)的計(jì)算軟件含有多種可選擇的商貿(mào)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，能通過簡單的組態(tài)或選項(xiàng)進(jìn)行計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)選擇并鎖定。正常計(jì)算時(shí)，不應(yīng)受其它計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的影響。

3）可根據(jù)流量計(jì)的類型選擇有關(guān)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)?？蛇x擇參考壓力和參考溫度，根據(jù)選用的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)完成參比條件（如101.325kPa，20℃）下的體積流量、質(zhì)量流量等瞬時(shí)流量的計(jì)算和各自的累積流量計(jì)算。流量計(jì)算機(jī)應(yīng)該可以根據(jù)相關(guān)報(bào)告，依據(jù)在線的組分?jǐn)?shù)據(jù)和溫度壓力數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算流量相關(guān)數(shù)據(jù)，超出設(shè)定的偏差范圍時(shí)報(bào)警。

4）能顯示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的瞬時(shí)流量、累積流量和能量流量，并且應(yīng)能顯示前1h、前1天及當(dāng)天的累積流量。

5）流量計(jì)算機(jī)配有安全系統(tǒng)，以控制進(jìn)入其內(nèi)部通道，避免人為對采集的數(shù)據(jù)、計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)、校準(zhǔn)系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行越權(quán)修改。同時(shí)，應(yīng)防止計(jì)算機(jī)病毒的侵入?？山⒂脩舨⒛芏x用戶權(quán)限，登錄一定時(shí)間后可自動(dòng)退出，降為最低的查看權(quán)限。

6）流量計(jì)算機(jī)能提供3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的RS-485和一個(gè)RS-232接口，其輸出應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)MODBUS-RTU通信協(xié)議，至少提供兩個(gè)以太網(wǎng)口。采用以太網(wǎng)組網(wǎng)方式連接線路上的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其中一個(gè)以太網(wǎng)口用于和站控PLC通信，實(shí)現(xiàn)流量計(jì)算機(jī)計(jì)量數(shù)據(jù)上傳和組分時(shí)鐘信號下載同步。另一個(gè)以太網(wǎng)口將構(gòu)筑流量計(jì)遠(yuǎn)程管理網(wǎng)絡(luò)，采集流量計(jì)報(bào)警等數(shù)據(jù)，通過用戶安裝在服務(wù)器上的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，以便延長標(biāo)定。

7）通過通訊口流量計(jì)算機(jī)可以和分析儀直接進(jìn)行通訊，接收組分信息。另外通過模擬量板卡可自動(dòng)采集流量計(jì)讀數(shù)、溫度、壓力變送器傳來的補(bǔ)償用測量值。這些測量值可以是標(biāo)準(zhǔn)模擬信號（4～20mADC）或脈沖信號?？傊髁坑?jì)算機(jī)具備獨(dú)立完成所有與流量計(jì)量有關(guān)的數(shù)據(jù)采集和計(jì)算的能力。

8）流量計(jì)算機(jī)的輸入、輸出的信號通道包括：

①模擬輸入：4路，標(biāo)準(zhǔn)4～20mADC，并支持HART協(xié)議。

②頻率輸入：4路，頻率符合所選流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。

③開關(guān)量輸入：2路。

④模擬輸出：2路，標(biāo)準(zhǔn)4～20mADC，并支持HART協(xié)議。

⑤開關(guān)量輸出：4路（繼電器輸出）。

⑥通信接口：1路，RS-232接口。

⑦通信接口：3路，RS-485接口。

⑧通信接口：2路，以太網(wǎng)口（ETHERNET）。

2 計(jì)量橇裝系統(tǒng)的特點(diǎn)

1）保證計(jì)量精度，避免貿(mào)易計(jì)量糾紛

一個(gè)貿(mào)易交接的計(jì)量場站，最核心的部分就是貿(mào)易交接計(jì)量部分。計(jì)量的精確與否涉及到各方的利益，容易引起計(jì)量糾紛。

如果是各種單臺(tái)設(shè)備組成的貿(mào)易交接計(jì)量，安裝不當(dāng)，放空或排污閥的泄漏，法蘭連接等的滲漏，關(guān)斷閥的不嚴(yán)密，溫度壓力流量等儀表的調(diào)試不準(zhǔn)確等情況都會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)量精度，而且很難判斷是什么原因引起的，不好確定是哪個(gè)廠家產(chǎn)品的責(zé)任。計(jì)量橇座出廠前工廠會(huì)對整個(gè)系統(tǒng)作嚴(yán)格測試，保證整個(gè)計(jì)量系統(tǒng)而不僅僅是單臺(tái)儀表的精度，所有管路、渦流和其它影響總體精度的因素都在橇座設(shè)計(jì)中得到了仔細(xì)評估。一體化的設(shè)計(jì)和嚴(yán)格的整體測試有效地避免了貿(mào)易糾紛。

2）簡化采購流程，有效縮短施工、調(diào)試及投運(yùn)時(shí)間

傳統(tǒng)的分散的計(jì)量設(shè)備需要用戶逐項(xiàng)分批訂貨、催款、組織安裝、調(diào)試、驗(yàn)收、投產(chǎn)，要花費(fèi)用戶很多的精力和時(shí)間。采用計(jì)量橇裝系統(tǒng)可以合理安排工程進(jìn)度，在工廠就對橇中的所有儀表都經(jīng)過嚴(yán)格測試，并對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，出具整體測試報(bào)告。另外，橇座的各種儀表接線已在工廠中完成，在現(xiàn)場只需將外接電纜接入橇座配帶接線箱即可。橇座運(yùn)到現(xiàn)場后，與管道對接后就可以開車投產(chǎn)，大大縮短了項(xiàng)目安裝調(diào)試工期。

3）方便用戶進(jìn)行項(xiàng)目管理

計(jì)量橇裝系統(tǒng)供應(yīng)商是單一責(zé)任人，提供一體化的設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)，方便用戶進(jìn)行項(xiàng)目管理。業(yè)主只需和計(jì)量橇座供應(yīng)商聯(lián)絡(luò)即可解決所有相關(guān)計(jì)量的問題，簡化溝通程序。系統(tǒng)廠商可根據(jù)要求隨橇裝設(shè)備提交所有的設(shè)計(jì)文件和測試報(bào)告，使整個(gè)計(jì)量文件保持完整有效，便于以后隨時(shí)查閱和進(jìn)行項(xiàng)目管理。

4）布置美觀，結(jié)構(gòu)合理，節(jié)約占地面積30%以上

專業(yè)的計(jì)量橇裝系統(tǒng)廠家具有豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，整體的設(shè)計(jì)和施工使計(jì)量系統(tǒng)更加緊湊，布局更合理美觀，并且能夠節(jié)約占地面積30%以上。

5）整體投資高于傳統(tǒng)的流量計(jì)量方式

根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，在選用相同的設(shè)備材料情況下，橇裝系統(tǒng)的費(fèi)用比傳統(tǒng)的做法高出30%左右。

這主要是因?yàn)椋阂皇怯姓w的底座和各種支撐等要比非橇裝增加些成本；二是計(jì)量橇裝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、工程費(fèi)；三是對單體和整個(gè)橇座進(jìn)行的各種測試等（無損探傷和整體的密封性試驗(yàn)等）。

3 計(jì)量橇裝系統(tǒng)的標(biāo)定

計(jì)量橇裝系統(tǒng)的標(biāo)定，目前最為常用的標(biāo)定方式有兩種，即大體積管（雙向球）標(biāo)定法、小體積管標(biāo)定法。兩個(gè)標(biāo)定方式根據(jù)其工作原理及設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，各有優(yōu)缺點(diǎn)，具體如下：

3.1 大體積管（雙向球）

1）優(yōu)點(diǎn)：

①高度的可靠性，操作簡便。

②可用于檢定低脈沖分辨率的流量計(jì)，只要求流量計(jì)在檢測開關(guān)之間流量計(jì)輸出10000個(gè)脈沖。

③在一個(gè)流量點(diǎn)上檢定次數(shù)少。

④對被檢液體中固體微粒反應(yīng)不敏感。

⑤維護(hù)費(fèi)用低；重復(fù)性好，優(yōu)于0.02%。

⑥使用四個(gè)檢測開關(guān)，可以減少檢定次數(shù)。

2）缺點(diǎn)：

①大體積管的標(biāo)定球非常龐大且笨重，占地面積大,安裝復(fù)雜、昂貴。

②單向型附有液壓系統(tǒng)。

③大體積管由于采用機(jī)械式位置開關(guān)，精度受到影響。

④位置開關(guān)對震動(dòng)敏感。

⑤四通換向閥故障率高。

3.2 小體積管

1）優(yōu)點(diǎn)：

①占地面積小。

②檢定時(shí)間短，一次運(yùn)行中最短檢定時(shí)間0.5s。

③計(jì)量缸采用無電鍍鎳，抗蝕能力強(qiáng)。

④小體積管無需使用復(fù)雜的4方向閥（這是大體積管的關(guān)鍵部件）。

⑤小體積管沒有大體積管必須的標(biāo)定球發(fā)射腔、接收腔和直管段結(jié)構(gòu)。

⑥小體積管的壓損低于大體積管。

⑦大體積管需要計(jì)算溫度和壓力造成的管道變形影響。

⑧小體積管日常維護(hù)簡單。

⑨大體積管的物理尺寸和重量遠(yuǎn)大于小體積管。

2）缺點(diǎn)：

①標(biāo)準(zhǔn)體積小，（現(xiàn)有的產(chǎn)品中最大的標(biāo)準(zhǔn)容積為300升）不適用檢定低脈沖分辨率的流量計(jì)。

②檢定運(yùn)行次數(shù)多，這樣就抵消了檢定時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)，按美國產(chǎn)品樣本介紹，對一個(gè)流量點(diǎn)通常要檢定15次。

③滑動(dòng)密封處的密封件與運(yùn)動(dòng)件的相對速度達(dá)1.5m/s，因此密封件易損，更換困難。

④對被檢液體中的固體微粒反應(yīng)敏感，容易造成計(jì)量缸中活塞密封件的損壞。

⑤維修費(fèi)用高。

⑥采用脈沖插入法，會(huì)導(dǎo)致重復(fù)性降低。

⑦采用脈沖插入法時(shí)，必須要知道流量計(jì)輸出脈沖周期的標(biāo)準(zhǔn)偏差бt，按國標(biāo)GB/T17286.3的規(guī)定，在一次檢定中采集的脈沖數(shù)N，按下式求得N=500(бt)2根據(jù)N和流量計(jì)系數(shù)K，確定標(biāo)準(zhǔn)容積，бt應(yīng)由流量計(jì)生產(chǎn)廠結(jié)出。但流量計(jì)生產(chǎn)廠通常給不出，這樣就給小體積規(guī)格的確定帶來了困難。

4 結(jié)論

通過上述分析，計(jì)量橇裝系統(tǒng)與傳統(tǒng)的計(jì)量方式，在計(jì)量精度、項(xiàng)目管理及保證施工階段均具有明顯的優(yōu)勢，也是未來發(fā)展的趨勢，如建設(shè)初期資金允許的情況下建議采用計(jì)量系統(tǒng)橇裝的方式。大體積管（雙向球）及小體積管的標(biāo)定方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，如海上平臺(tái)等現(xiàn)場安裝空間有限的情況建議采用小體積管標(biāo)定方式；如安裝空間沒有限制，可根據(jù)業(yè)主的使用習(xí)慣和要求選用所需的標(biāo)定方式。

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