淺談刮板流量計(jì)在線檢定中的誤差分析

索杏蘭， 鄧玉發(fā)， 時(shí)攀峰

(1. 中國石油化工股份有限公司西北油田分公司，新疆烏魯木齊830011； 2. 中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司，新疆庫爾勒841000； 3. 中國石油化工股份有限公司中原油田，河南濮陽457001)

容積式刮板流量計(jì)受計(jì)量介質(zhì)物性、流態(tài)的影響較小，具有計(jì)量準(zhǔn)確度高、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪音低、使用壽命長、黏度適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，易實(shí)現(xiàn)就地指示和遠(yuǎn)傳，從而廣泛地應(yīng)用于石油及其液體產(chǎn)品的貿(mào)易動(dòng)態(tài)計(jì)量中[1]。原油貿(mào)易交接的準(zhǔn)確性，直接影響著企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，用標(biāo)準(zhǔn)體積管直接進(jìn)行流量計(jì)的在線檢定，既方便了刮板流量計(jì)的檢定，又不影響原油的收、銷貿(mào)易交接計(jì)量，避免了流量計(jì)在拆卸、安裝、運(yùn)輸過程中所造成的破壞。在減輕崗位操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，有力地保障了計(jì)量交接的準(zhǔn)確性，使企業(yè)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。

1 刮板流量計(jì)的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備配備情況

某原油貿(mào)易計(jì)量站位于長輸管道的終端，收銷的重質(zhì)原油是典型的“三高原油”，即黏度高、密度高、膠質(zhì)瀝青含量高。計(jì)量站配備了4臺(tái)LH8-S3型0.2級(jí)刮板流量計(jì)，檢定裝置配套為固定式雙向球型標(biāo)準(zhǔn)體積管。根據(jù)JJG 667—2010《液體容積式流量計(jì)檢定規(guī)程》的規(guī)定，對(duì)于準(zhǔn)確度等級(jí)不低于0.5級(jí)的流量計(jì)，檢定周期為0.5 a，其他為1 a。

1.2 結(jié)構(gòu)及工作原理

刮板流量計(jì)由轉(zhuǎn)子、凸輪、凸輪軸、刮板、連桿、滾柱、蓋板、殼體、齒輪組、器差調(diào)整器和表頭等組成。在精密加工的刮板流量計(jì)殼體內(nèi)，轉(zhuǎn)子帶著刮板轉(zhuǎn)動(dòng)。原油流過刮板流量計(jì)時(shí)，刮板沿著固定的凸輪軌跡向轉(zhuǎn)子外伸出或縮回，從而推動(dòng)轉(zhuǎn)子和刮板沿轉(zhuǎn)子軸旋轉(zhuǎn)。刮板連續(xù)不斷地運(yùn)動(dòng)，在2個(gè)刮板、轉(zhuǎn)子、內(nèi)殼體和上蓋間形成了1個(gè)精確容積的計(jì)量腔。對(duì)于具有2對(duì)刮板的刮板流量計(jì)，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)1圈會(huì)形成4個(gè)封閉的計(jì)量腔(3對(duì)刮板的刮板流量計(jì)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)1圈形成6個(gè)封閉的計(jì)量腔)。轉(zhuǎn)子和刮板在轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)行過程中，不與內(nèi)殼體或上蓋接觸，而是通過齒輪組將轉(zhuǎn)動(dòng)的次數(shù)輸送到表頭，表頭的計(jì)數(shù)器根據(jù)齒輪組與體積的換算再將轉(zhuǎn)動(dòng)的次數(shù)轉(zhuǎn)換為實(shí)際測(cè)量的體積，從而達(dá)到對(duì)原油進(jìn)行計(jì)量的目的。

2 刮板流量計(jì)在線檢定

2.1 檢定原理

固定式雙向球型標(biāo)準(zhǔn)體積管的置換器是彈性球，它是通過1臺(tái)四通閥內(nèi)隔板的位置來改變體積管液體的流向，而體積管進(jìn)出的液體流向保持不變。當(dāng)流體穩(wěn)定地流經(jīng)被檢刮板流量計(jì)和體積管時(shí)，正向行程由位移器經(jīng)過第1只檢測(cè)開關(guān)時(shí)觸動(dòng)刮板流量計(jì)脈沖計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)；當(dāng)位移器經(jīng)過第2只檢測(cè)開關(guān)時(shí)，停止刮板流量計(jì)脈沖計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。反向行程由位移器經(jīng)過第2只檢測(cè)開關(guān)時(shí)觸動(dòng)刮板流量計(jì)脈沖計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)；當(dāng)位移器經(jīng)過第1只檢測(cè)開關(guān)時(shí)，停止刮板流量計(jì)脈沖計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。位移器從2只檢測(cè)開關(guān)之間的正反計(jì)量段所置換出來的流體體積，與刮板流量計(jì)的視值相比較，進(jìn)而可以確定被檢刮板流量計(jì)的視值誤差[2]。刮板流量計(jì)檢定示意如圖1所示。

圖1 刮板流量計(jì)檢定示意

2.2 檢定數(shù)據(jù)處理

依據(jù)JJG 667—2010《液體容積式流量計(jì)檢定規(guī)程》7.3.4.2 款規(guī)定“除7.3.4.1款中規(guī)定的情況外，刮板流量計(jì)檢定點(diǎn)不少于3個(gè)，均勻分布，其中含最小流量和最大流量”的要求，被檢刮板流量計(jì)至少應(yīng)在最大流量、常用流量、最小流量3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行檢定，每點(diǎn)重復(fù)檢定不少于3次，若出現(xiàn)粗差，可以剔除[2]。檢定時(shí)，準(zhǔn)確地取全刮板流量計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)體積管的溫度、壓力數(shù)據(jù)，以及刮板流量計(jì)的脈沖數(shù)。

刮板流量計(jì)系數(shù)MF的計(jì)算公式為

(1)

式中：Vs——標(biāo)準(zhǔn)裝置讀出的容積，L；Cpsp——標(biāo)準(zhǔn)體積管基準(zhǔn)管段殼壁的壓力修正系數(shù)；Ctsp——標(biāo)準(zhǔn)體積管基準(zhǔn)管段殼壁的溫度修正系數(shù)；Ctlp——標(biāo)準(zhǔn)體積管基準(zhǔn)管段中撿定液體的溫度修正系數(shù)；Cplp——標(biāo)準(zhǔn)體積管基準(zhǔn)管段中檢定液體的壓力修正系數(shù)；N——在工作溫度、壓力下對(duì)單向標(biāo)準(zhǔn)體積管1個(gè)行程或雙向標(biāo)準(zhǔn)體積管上、下行程刮板流量計(jì)發(fā)出的脈沖數(shù)；K——刮板流量計(jì)的儀表系數(shù)，即刮板流量計(jì)的脈沖發(fā)生器在工作條件下發(fā)生的每個(gè)脈沖所代表的容積值。

3 影響刮板流量計(jì)在線檢定的因素

通過分析檢定過程及刮板流量計(jì)系數(shù)的計(jì)算公式，歸納出檢定過程中導(dǎo)致計(jì)量誤差的影響因素包括： 工藝閥門密封性的影響、脈沖計(jì)數(shù)的影響、工藝參數(shù)的影響、刮板流量計(jì)自身特性的影響。

3.1 工藝閥門密封性的影響

為了實(shí)現(xiàn)刮板流量計(jì)的在線檢定，在工藝流程上設(shè)計(jì)了刮板流量計(jì)檢定流程，檢定流程與生產(chǎn)流程的切換通過閥門完成。由于在線檢定過程中無法給工藝流程閥門加盲板，閥門如有泄漏也無從所知。四通閥是雙向球型標(biāo)準(zhǔn)體積管的重要部件，用于控制流體的方向，并且可使體積管進(jìn)、出口的液體完全隔離，通過四通閥的換向?qū)崿F(xiàn)刮板流量計(jì)的雙向檢定，因此工藝流程上各閥門和四通閥的密封性將直接影響到刮板流量計(jì)檢定的可靠性和計(jì)量設(shè)備的安全性。而實(shí)際操作過程中，往往忽略了這些影響，特別是閥門的泄漏問題，通常都是按照閥門無泄漏直接開展檢定工作，并沒有進(jìn)行相關(guān)的檢查和試驗(yàn)。

3.2 脈沖計(jì)數(shù)的影響

當(dāng)位移器經(jīng)過檢測(cè)開關(guān)時(shí)觸動(dòng)刮板流量計(jì)脈沖計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，發(fā)射的脈沖是有寬度的，計(jì)數(shù)方式為上升沿或下降沿觸發(fā)，實(shí)際計(jì)數(shù)中可能會(huì)丟失不完整的脈沖，取其極限，相當(dāng)于丟失1個(gè)脈沖，脈沖計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性直接影響檢定結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.3 工藝參數(shù)的影響

由式(1)的分解可知[2]，工藝參數(shù)對(duì)MF值的影響是多方面的。

(2)

式中：D——標(biāo)準(zhǔn)體積管基準(zhǔn)管段的內(nèi)徑，mm；Es——標(biāo)準(zhǔn)體積管基準(zhǔn)管段材質(zhì)的彈性模量，Pa；e——標(biāo)準(zhǔn)體積管基準(zhǔn)管段的壁厚，mm；ps——標(biāo)準(zhǔn)體積管的工作壓力(表壓)，Pa。

Ctsp=(ts-20)βs

(3)

式中：ts——標(biāo)準(zhǔn)體積管的工作溫度，℃；βs——標(biāo)準(zhǔn)體積管的溫度體膨脹系數(shù)，℃-1。

Cptp=(pm-ps)κ

(4)

式中：pm——刮板流量計(jì)的工作壓力(表壓)，kPa；κ——檢定液體壓縮系數(shù)，Pa-1。

Ctlp=(tm-ts)β

(5)

式中：tm——刮板流量計(jì)的工作溫度，℃；β——檢定液體的膨脹系數(shù)，℃-1。

由式(2)～式(5)可以看出，修正系數(shù)與溫度、壓力、體積管材質(zhì)、標(biāo)準(zhǔn)體積管內(nèi)徑等參數(shù)有著密切的關(guān)系，其值準(zhǔn)確與否也直接影響到刮板流量計(jì)檢定結(jié)果的可靠程度。

3.3.1溫度的影響

溫度在刮板流量計(jì)檢定過程中是影響較大的參數(shù)之一，溫度的變化會(huì)影響一系列參數(shù)的變化，如液體黏度、結(jié)蠟量、泄漏量的變化，會(huì)直接影響刮板流量計(jì)計(jì)量誤差曲線的改變[3]。當(dāng)作為一種固有偏差存在時(shí)，隨著運(yùn)行時(shí)間的持續(xù)，誤差量逐漸累加，其絕對(duì)影響量將不可忽視。

1)溫度對(duì)原油的黏度有著十分重要的影響。一般來講，油溫升高，油品黏度下降；油溫降低，油品黏度上升。

2)油溫對(duì)含蠟油品結(jié)蠟的影響。被計(jì)量液體本身和計(jì)量設(shè)備的溫度以及外部環(huán)境的溫度對(duì)結(jié)蠟都有直接影響，當(dāng)油溫高于刮板流量計(jì)殼體或管壁溫度時(shí)，產(chǎn)生結(jié)蠟現(xiàn)象；而當(dāng)刮板流量計(jì)殼體或管壁溫度高于油溫時(shí)，幾乎不結(jié)蠟。管壁溫度的高低決定于環(huán)境溫度及保溫措施，對(duì)于刮板流量計(jì)及其配套的標(biāo)準(zhǔn)體積管和其他附屬設(shè)備的溫度主要決定于室內(nèi)溫度。因此，在刮板流量計(jì)檢定過程中，決不能忽視刮板流量計(jì)間、體積管間的室內(nèi)溫度控制，在寒冷的冬天尤其重要。

3)溫度對(duì)刮板流量計(jì)泄漏量的影響[4]。從刮板流量計(jì)的工作原理得知，計(jì)量腔的容積是當(dāng)作定值來計(jì)算的，而計(jì)量腔是活動(dòng)腔體，其密封由可活動(dòng)的刮板與殼體的無縫接觸來實(shí)現(xiàn)，由于加工精度的限制，以及刮板轉(zhuǎn)動(dòng)所必須的間隙，決定了刮板與殼體之間不同黏度的液體將有不同程度的泄漏，泄漏量的大小與原油的流量、溫度、黏度、壓力有密切的關(guān)系，影響最顯著的是溫度和黏度。當(dāng)溫度越高時(shí)，黏度越小，泄漏量就越大；當(dāng)溫度越低時(shí)，黏度越大，泄漏量就會(huì)越小。正常情況下，泄漏量對(duì)刮板流量計(jì)準(zhǔn)確度的影響是在誤差的允許范圍內(nèi)。

3.3.2壓力的影響

在實(shí)際輸油計(jì)量過程中，由于末站原油壓力一般不超過4 MPa，因此壓力對(duì)刮板流量計(jì)的影響可忽略不計(jì)。但是，壓力還影響原油的密度，當(dāng)壓力升高時(shí)，密度會(huì)增大。由于原油分子間距較小，內(nèi)部壓力很大，因而在外部壓力變化時(shí)，原油密度變化很小，特別在壓力變化不大時(shí)，密度變化很微??；然而在高壓下，當(dāng)刮板流量計(jì)進(jìn)出口壓力差達(dá)到0.304 MPa以上時(shí)，其產(chǎn)生的誤差已超過了刮板流量計(jì)計(jì)量系統(tǒng)誤差的5%，要得到準(zhǔn)確的計(jì)量結(jié)果，就必須考慮壓力對(duì)密度的影響[5]。

3.4 刮板流量計(jì)自身特性的影響

任何計(jì)量設(shè)備在長期運(yùn)行過程中，其性能都將產(chǎn)生一定程度的偏移，特別是可動(dòng)部件多的情況下。刮板流量計(jì)的刮板、凸輪、計(jì)數(shù)齒輪等，在長期運(yùn)轉(zhuǎn)過程中也會(huì)產(chǎn)生一定程度的磨損，刮板的磨損除正常運(yùn)轉(zhuǎn)的磨損外，當(dāng)原油中雜質(zhì)或固體顆粒較多時(shí)，磨損更嚴(yán)重，最終結(jié)果表現(xiàn)在刮板流量計(jì)的誤差曲線將發(fā)生嚴(yán)重漂移。

以某站刮板流量計(jì)檢定為例，不同工況下的刮板流量計(jì)誤差見表1所列。

表1 不同工況下某站的刮板流量計(jì)誤差統(tǒng)計(jì)

4 改進(jìn)措施

4.1 密封性試驗(yàn)

在刮板流量計(jì)進(jìn)行檢定前，需進(jìn)行系統(tǒng)密封性和四通閥密封性試驗(yàn)。

1)系統(tǒng)密封性實(shí)驗(yàn)。即關(guān)閉刮板流量計(jì)進(jìn)口閥門、標(biāo)準(zhǔn)體積管出口閥門、刮板流量計(jì)進(jìn)口閥門到標(biāo)準(zhǔn)體積管出口閥門之間所有可能產(chǎn)生泄漏的閥門，對(duì)這段密封系統(tǒng)加壓，直到該系統(tǒng)內(nèi)的壓力比刮板流量計(jì)進(jìn)口閥前的壓力高0.5 MPa，觀測(cè)30 min，壓力下降不大于0.15 MPa為密封性合格。

2)四通閥密封性試驗(yàn)。即操縱控制臺(tái)，使四通閥換向，當(dāng)密封指示燈亮?xí)r，打開四通閥上的檢漏針閥，如果原油流出一定量后停流，證明膨脹密封圈密封良好[6]。

4.2 脈沖計(jì)數(shù)取值

脈沖插入法是以檢定運(yùn)行期間體積流量穩(wěn)定為前提的。為保證液體的穩(wěn)定性，體積管標(biāo)定球運(yùn)行期間，體積流量瞬時(shí)的波動(dòng)應(yīng)小于平均流量的±2%。采用雙計(jì)時(shí)脈沖插入技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)刮板流量計(jì)脈沖信號(hào)完整記錄，避免由此給刮板流量計(jì)帶來的誤差[7]。雙計(jì)時(shí)脈沖插入法示意操作原理如圖2所示，插入的脈沖數(shù)按式(6)進(jìn)行計(jì)算：

(6)

在檢定運(yùn)行期間，計(jì)數(shù)器需收集刮板流量計(jì)發(fā)出的完整脈沖總數(shù)n，并測(cè)量2個(gè)時(shí)間間隔T1和T2，單位為s。

圖2 雙計(jì)時(shí)脈沖插入法示意

圖2中：T1(Ⅰ)是指第1只檢測(cè)開關(guān)觸發(fā)后刮板流量計(jì)發(fā)出的第1個(gè)脈沖與第2只檢測(cè)開關(guān)觸發(fā)后刮板流量計(jì)發(fā)出的第1個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔；T1(Ⅱ)是指第1只檢測(cè)開關(guān)觸發(fā)之前刮板流量計(jì)發(fā)出的最后1個(gè)脈沖與第2只檢測(cè)開關(guān)觸發(fā)之前刮板流量計(jì)發(fā)出的最后1個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔；T2為第1只與第2只檢測(cè)開關(guān)觸發(fā)信號(hào)之間的時(shí)間間隔。

4.3 參數(shù)錄取

工藝參數(shù)對(duì)檢定結(jié)果的影響是多方面的，只能力求將其對(duì)檢定結(jié)果的影響程度盡量降到最低。為此，在檢定工作中，必須做到下面幾點(diǎn)：

1)選擇檢定合格的測(cè)溫儀表和測(cè)壓儀表，精度等級(jí)應(yīng)符合GB/T 9109.3—2014《石油和液體石油產(chǎn)品動(dòng)態(tài)計(jì)量 第3部分： 體積管安裝計(jì)數(shù)要求》中4.2條中相關(guān)要求[8]。

2)檢定前必須預(yù)熱恒溫，使刮板流量計(jì)進(jìn)出口溫度、體積管進(jìn)出溫度恒定，體積管和被檢刮板流量計(jì)之間的溫差變化不應(yīng)超過±0.5 ℃。

3)讀數(shù)時(shí)，應(yīng)由兩位檢定人員同時(shí)讀取溫度計(jì)和壓力表的示值，如若差異，應(yīng)重新讀數(shù)，以保證讀數(shù)無誤。讀取溫度、壓力值時(shí)，必須保證檢定球在檢測(cè)開關(guān)之間的基準(zhǔn)管段中運(yùn)行時(shí)讀數(shù)，此時(shí)所讀的溫度、壓力示值，才是體積管標(biāo)準(zhǔn)體積進(jìn)行溫度、壓力修正時(shí)所需的值。

4)在線檢定盡量選擇在原油黏度、密度、溫度、壓力、流量與通常運(yùn)行時(shí)盡量一致的情況下進(jìn)行，刮板流量計(jì)檢定時(shí)的液體流量應(yīng)能覆蓋被檢刮板流量計(jì)的檢定流量范圍，以最大限度地減少工藝參數(shù)對(duì)刮板流量計(jì)準(zhǔn)確度的影響[9]。

5)體積管露天安裝時(shí)，不應(yīng)在雨雪、高溫天氣下開展檢定工作，避免因油品結(jié)蠟或溫場(chǎng)變化導(dǎo)致的計(jì)量誤差[10]。

6)刮板流量計(jì)檢定后，應(yīng)及時(shí)對(duì)刮板流量計(jì)本體的器差調(diào)整器及體積管觸發(fā)器加鉛封，直至下一次檢定前不得解封。

4.4 維護(hù)保養(yǎng)

可動(dòng)部件的磨損是不可避免的，為提高計(jì)量的準(zhǔn)確性，只能減少磨損的程度。通過定期給刮板流量計(jì)加注潤油，定期清洗過濾網(wǎng)等日常維護(hù)保養(yǎng)等，以盡可能地保證刮板流量計(jì)長期穩(wěn)定的運(yùn)行。

5 結(jié)束語

刮板流量計(jì)檢定計(jì)量準(zhǔn)確性的影響因素并不僅限于本文所述，比如原油在管壁內(nèi)的結(jié)蠟問題，刮板流量計(jì)計(jì)數(shù)部件的磨損問題等，也將在一定程度上影響原油計(jì)量的準(zhǔn)確度。在嚴(yán)格的檢定程序前提下，應(yīng)做好維護(hù)、保養(yǎng)工作，比如定時(shí)巡檢，檢查刮板流量計(jì)的工作溫度、壓損、流量大小、運(yùn)行聲音、定期維護(hù)保養(yǎng)等。只有做好細(xì)致的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，才可能通過計(jì)量手段，提高計(jì)量的準(zhǔn)確性，降低企業(yè)的運(yùn)行成本，為企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展作出貢獻(xiàn)。