液體石油物料仿實流校準(zhǔn)系統(tǒng)研究及應(yīng)用

汪楚堯

摘? ? ? 要： 液體石油物料測量分布于石油勘探、加工、運輸、銷售過程中的各個環(huán)節(jié)，是石油化工企業(yè)成本核算、原料互供、商務(wù)結(jié)算的重要手段。在企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營過程中，通常使用各樣各式的流量計，來開展液體石油物料流量測量，進而獲取交接數(shù)據(jù)。流量計在長時間工作負荷下，經(jīng)常會發(fā)生超差現(xiàn)象，此時就要進行量值溯源，因為受到工藝流程、環(huán)境條件、設(shè)備性能、實驗方法不同的影響，校準(zhǔn)的結(jié)果也會存在很大差別。本文介紹了如何建立科學(xué)有效的仿實流校準(zhǔn)系統(tǒng)，來保證流量測量的準(zhǔn)確性、可靠性、穩(wěn)定性。

關(guān)? 鍵? 詞：標(biāo)準(zhǔn)器;流量;動態(tài);靜態(tài)

中圖分類號：TQ 016.1? ? ? ?文獻標(biāo)識碼： A? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2020）09-1945-04

Abstract： The measurement of liquid petroleum materials is distributed in various links in the process of petroleum exploration， processing， transportation， and sales. It is an important method for cost accounting， mutual supply of raw materials， and business settlement of petrochemical enterprises. In the production and operation of an enterprise， various types of flow meters are usually used to measure the flow of liquid petroleum materials to obtain the transfer data. Flow meters often have out-of-tolerance under long-term working load. At this time， the value traceability is necessary. Because of the different influences of process flow， environmental conditions， equipment performance， and experimental methods， the results of calibration will also have very large differences. In this article， how to establish a scientific and effective simulation flow calibration system to ensure the accuracy， reliability， and stability of flow measurement was described.

Key words： Standard; Flow; Dynamic; Static

液體石油物料實流校準(zhǔn)，是石油化工行業(yè)在測量領(lǐng)域中不可或缺的一項量值保障舉措。只有量值得到保障，才能憑數(shù)據(jù)指揮生產(chǎn)、監(jiān)控工藝、完成生產(chǎn)任務(wù)，實現(xiàn)經(jīng)營收益。

使用流量計對液體石油物料流量進行測量，是當(dāng)前石油化工行業(yè)慣用做法。流量即單位時間內(nèi)過封閉管道或明渠有效截面的量，它與生產(chǎn)加工數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確、可靠有著密切的關(guān)系。而如何保證流量計測量值準(zhǔn)確、可靠及找尋測量值與被測真值之間的關(guān)系，則是本文主要探討的一項課題。

流量計是我國依法規(guī)定被列入實施強制管理范疇內(nèi)的計量器具，企業(yè)在使用過程中，若要保證流量計數(shù)值準(zhǔn)確可靠，就必須要依據(jù)法規(guī)技術(shù)文件支持的實驗方法，科學(xué)合理地開展測量結(jié)果評價。校準(zhǔn)是能夠?qū)α髁坑嫓y量結(jié)果進行全面判定、驗證的一種實驗方法，校準(zhǔn)即確定由測量標(biāo)準(zhǔn)提供的量值與相應(yīng)示值之間的關(guān)系，也是國際互認(rèn)的一種必要舉措[1]。本文針對液體石油物料仿實流校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)與預(yù)期效果，提出基本思路，建立了科學(xué)應(yīng)用方法。

1? 校準(zhǔn)方法比較

1.1? 動態(tài)法

動態(tài)法通常可以分為兩類：一是以標(biāo)準(zhǔn)體積管作為主標(biāo)準(zhǔn)器的體積管法流量校準(zhǔn)法，二是以標(biāo)準(zhǔn)流量計作為主標(biāo)準(zhǔn)器的稱量法流量校準(zhǔn)法[2]。

1.1.1? 原理分析

以標(biāo)準(zhǔn)體積管作為主標(biāo)準(zhǔn)器的體積管法流量校準(zhǔn)法，是利用內(nèi)徑均勻的一段不銹鋼管材作為標(biāo)準(zhǔn)量器，管內(nèi)放入與實流液體共同運行的球體或活塞，對球體或活塞在兩個檢測開關(guān)之間運動的時間進行測量。因為兩個檢測開關(guān)之間不銹鋼管材的容積已經(jīng)標(biāo)定，其體積為已知，所以將體積管測量值與被測流量計比較計算，得出校準(zhǔn)結(jié)果。

以標(biāo)準(zhǔn)流量計作為主標(biāo)準(zhǔn)器的比較法流量校準(zhǔn)法，是利用準(zhǔn)確度等級較高的流量計作為標(biāo)準(zhǔn)器與被測流量計串聯(lián)，在實流液體通過標(biāo)準(zhǔn)器與被測流量計期間，利用流量計輸出信號建立流量曲線，按照時間節(jié)點對流量曲線進行切割，保證兩臺流量計的曲線在同時間段內(nèi)進行比較，得出校準(zhǔn)結(jié)果。

1.1.2? 方法比較與選擇

將兩種動態(tài)法的特點進行比較，以此選擇適合實流校準(zhǔn)最優(yōu)的一種動態(tài)校準(zhǔn)方法。

從表1中可見，相對于標(biāo)準(zhǔn)體積管法，校準(zhǔn)流量計法在動態(tài)法中的準(zhǔn)確度、適應(yīng)性、構(gòu)造性更優(yōu)，因此，選擇以標(biāo)準(zhǔn)流量計作為主標(biāo)準(zhǔn)器的比較法流量校準(zhǔn)法作為動態(tài)法實流校準(zhǔn)。

1.2? 靜態(tài)法

靜態(tài)法通?？梢苑譃閮深悾阂皇且詷?biāo)準(zhǔn)量器作為主標(biāo)準(zhǔn)器的容積法流量校準(zhǔn)法，二是以標(biāo)準(zhǔn)秤作為主標(biāo)準(zhǔn)器的稱量法流量校準(zhǔn)方法[2]。

1.2.1? 建立原理

以標(biāo)準(zhǔn)量器作為主標(biāo)準(zhǔn)器的容積法流量校準(zhǔn)法，是將實流液體經(jīng)被測流量計后，進入標(biāo)準(zhǔn)量器，測量在設(shè)計時間段內(nèi)流入測量流量計與標(biāo)準(zhǔn)量器的體積，將兩種測量值進行比較，得出校準(zhǔn)結(jié)果。

以標(biāo)準(zhǔn)秤作為主標(biāo)準(zhǔn)器的稱量法流量校準(zhǔn)法，是將實流液體經(jīng)被測流量計后，進入標(biāo)準(zhǔn)秤，測量在設(shè)計時間段內(nèi)流入測量流量計與標(biāo)準(zhǔn)秤的體積，將兩種測量值進行比較，得出校準(zhǔn)結(jié)果。

1.2.2? 方法比較與選擇

將兩種靜態(tài)法的特點進行比較，以此選擇適合實流校準(zhǔn)最優(yōu)的一種靜態(tài)校準(zhǔn)方法。

從表2中可見，相對于標(biāo)準(zhǔn)量器法，標(biāo)準(zhǔn)秤法在靜態(tài)法中的準(zhǔn)確度、適應(yīng)性、構(gòu)造性更優(yōu)，因此，選擇以標(biāo)準(zhǔn)秤作為主標(biāo)準(zhǔn)器的稱量法流量校準(zhǔn)法作為靜態(tài)法實流校準(zhǔn)。

2? 校準(zhǔn)系統(tǒng)建立

2.1? 校準(zhǔn)目標(biāo)確定

通過實流校準(zhǔn)，根據(jù)使用需要，來測試流量計量程的5%、10%、20%、25%、30%、50%、60%、70%、80%、90%、100%流量數(shù)據(jù)情況（如有生產(chǎn)特定需要，也可以指定量程的百分比）。通過改變測量條件，包括溫度（每個調(diào)整間隔為5 ℃）、壓力（每個調(diào)整間隔為0.05 MPa）、實流密度（每個調(diào)整間隔為10 kg·m-3）、兩相流體（每個調(diào)整間隔為5%的氣體、1%的固體），依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)器來校準(zhǔn)被測試流量計的誤差值、重復(fù)性、不確定度以及改變測量條件后的數(shù)據(jù)偏差值，進而達到仿實流校準(zhǔn)目的。

2.2? 環(huán)境與特性

2.2.1? 校準(zhǔn)環(huán)境

流量系統(tǒng)在不同的環(huán)境條件下使用，會展現(xiàn)出不同的運行特性。具體包括：氣候環(huán)境（溫度、濕度、氣壓、沙塵、雨雪、輻射源）、機械環(huán)境（振動、沖擊、碰撞、摩擦）、干擾環(huán)境（電磁、脈沖、電源）、安全環(huán)境（防爆、防水、靜電）。在建立校準(zhǔn)系統(tǒng)的同時，應(yīng)提前做好以上各種環(huán)境的保證與控制，可控的操作環(huán)境可以用來建立流量系統(tǒng)的工況數(shù)據(jù)庫，不可控的操作環(huán)境盡可能屏蔽掉，或者保持在一個穩(wěn)定的狀態(tài)。

2.2.2? 流體特性

從微觀分子狀態(tài)看，實踐中流體不是均勻連續(xù)的，從物理、化學(xué)性質(zhì)看講，每種聚集狀態(tài)內(nèi)部的均勻部分為相，當(dāng)一個相內(nèi)部達到平衡時，這個相的物理、化學(xué)性質(zhì)就是均勻一致的。流體在實踐與校準(zhǔn)過程中，有可能會出現(xiàn)相變過程，如管道流體壓力過低時，容易出現(xiàn)空蝕現(xiàn)象，而由此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)偏差是需要考慮的。

2.3? 系統(tǒng)設(shè)計

仿實流校準(zhǔn)系統(tǒng)總體由以下幾部分構(gòu)成：實流源（液態(tài)石油物料、機泵、貯存池、穩(wěn)壓容器、變頻調(diào)節(jié)等設(shè)備組成）、數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)（由工業(yè)控制微機、數(shù)據(jù)采集與過程控制站、輸出等設(shè)備組成）、標(biāo)準(zhǔn)器（標(biāo)準(zhǔn)流量計、標(biāo)準(zhǔn)秤）、試驗管道及流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)（變頻調(diào)整系統(tǒng)、穩(wěn)壓容器、消氣過濾器等設(shè)備組成）。校準(zhǔn)原理為靜態(tài)稱重法+動態(tài)標(biāo)準(zhǔn)流量計法。

2.3.1? 工藝管徑分布

校準(zhǔn)系統(tǒng)的流量跨度較大，為了保證因地制宜地對不同區(qū)間的流量進行科學(xué)合理的校準(zhǔn)，考慮操作實際情況，該校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計了9 條工藝管徑不同的校準(zhǔn)線路，這樣可以保證在校準(zhǔn)系統(tǒng)量程范圍內(nèi)，完成每個區(qū)間的流量校準(zhǔn)工作任務(wù)。

2.3.2? 技術(shù)指標(biāo)

1） 標(biāo)準(zhǔn)流量計準(zhǔn)確度等級為0.05/0.1。

2） 標(biāo)準(zhǔn)秤擴展不確定度0.02%（k=2），檢定分度值優(yōu)于1/6 000。

3） 壓力變送器測量準(zhǔn)確度等級0.05%，測量范圍0～1.0 MPa。

4） 溫度變送器測量準(zhǔn)確度等級為0.1級，測量范圍0～50 ℃。

5） 計時器的晶振采用溫被晶振，其8 h的晶振穩(wěn)定度≤1×10-6。計時器最小讀數(shù)優(yōu)于0.000 1 s（液體流入稱重容器的時間通常用內(nèi)部帶有一個石英晶體電子計數(shù)器來測量，計時器應(yīng)由換向器本身的運動通過固定在換向器上的開關(guān)來驅(qū)動[3]）。

6） 系統(tǒng)壓力波動≤0.2%。

7） 流體穩(wěn)定性：0.2%。

8） 換向時間差≤10 ms（系統(tǒng)換向器的正反行程差可以通過自身附帶的光電檢出裝置自動測出，便于測試者校準(zhǔn)換向器的正反行程差，同時也考慮在需要高精度計量時，精確測量出換入和換出的時間差，補償因換向器的換入和換出時間差帶來的附加誤差）。

9） 校準(zhǔn)量程0～1 500 m?·h-1。

10） 校準(zhǔn)系統(tǒng)總不確定度：動態(tài)法系統(tǒng)擴展不確定度（k=2）， 0.3%;靜態(tài)法系統(tǒng)擴展不確定度（k=2），0.05%（動態(tài)法與靜態(tài)法校準(zhǔn)系統(tǒng)不確定度的高低取決于所使用標(biāo)準(zhǔn)器的準(zhǔn)確度等級，這是由標(biāo)準(zhǔn)器特性所決定的）。

2.3.3? 校準(zhǔn)能力

可開展校準(zhǔn)的流量計包括（DN15至DN300之間）：質(zhì)量流量計、渦輪流量計、渦街流量計、超聲流量計、電磁流量計、差壓式流量計、冷水水表等。通訊信號包括：脈沖信號、電流信號、電壓信號、頻率、數(shù)字通訊。校準(zhǔn)參數(shù)主要包括流量計MF系數(shù)、K系數(shù)等[4]。

2.3.4? 實流校準(zhǔn)

企業(yè)測量的最終目的，是為了得到被測量液體石油物料的實際流量，待校流量計與標(biāo)準(zhǔn)器處于實流下的同等使用條件進行校準(zhǔn)，避免了因油品的溫度、黏度、壓力等差異而造成的誤差[5]。

2.3.5? 控制方式

控制系統(tǒng)以工業(yè)計算機進行人機對話控制，完成對現(xiàn)場泵、變頻器、閥門、標(biāo)準(zhǔn)器等設(shè)備的實時控制、數(shù)據(jù)采集、遠程操作等功能，實現(xiàn)控制和數(shù)據(jù)處理的自動化。系統(tǒng)校準(zhǔn)控制與動力控制獨立，在校準(zhǔn)界面設(shè)有緊急停車鍵，保證設(shè)備及人員安全。

3? 實踐應(yīng)用

3.1? 以標(biāo)準(zhǔn)流量計作為主標(biāo)準(zhǔn)器的比較法應(yīng)用

液體石油物料在油輪裝卸、不間斷式管線輸送過程中，長時間的高強度、高負荷運行加上工藝環(huán)境改變，流量測量難免會出現(xiàn)偏差，這時如果采用傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)秤法，標(biāo)準(zhǔn)秤無法滿足長時間大流量累積值的測量，主要缺點是稱量容器與標(biāo)準(zhǔn)秤的量程是在校準(zhǔn)系統(tǒng)建設(shè)初期確定的，一旦投入使用，累積量程會受容器裝載限制，無法超限使用。因此，推薦使用標(biāo)準(zhǔn)流量計法，主要優(yōu)點是，標(biāo)準(zhǔn)流量計在對待校流量計進行校準(zhǔn)時，管道液體實流不需要停止，且不需要進入固定容器進行稱量，而是與工藝流程同步運行，校準(zhǔn)時效性較為靈活，周期也較長，可以根據(jù)校準(zhǔn)時間，最大限度對流量計的各類參數(shù)進行測量、分析、校對、調(diào)試。

3.2? 以標(biāo)準(zhǔn)秤作為主標(biāo)準(zhǔn)器的稱量法應(yīng)用

液體石油物料在汽槽裝卸、火槽裝卸、間歇式管線輸送時，推薦采用標(biāo)準(zhǔn)秤法進行標(biāo)準(zhǔn)。主要優(yōu)點是，流量常用值（0～1 500 m-3·h-1）均在傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)秤法（DN15-300）設(shè)計量程內(nèi)，可以滿足日常小容量裝載各測量區(qū)間需求。其次，準(zhǔn)確度等級相對標(biāo)準(zhǔn)流量計法要更高（動態(tài)法系統(tǒng)擴展不確定度k=2， 0.3%;靜態(tài)法系統(tǒng)擴展不確定度k=2，0.05%。），因此在商務(wù)交接使用時，優(yōu)勢更為明顯，既能夠最大限度提升計量準(zhǔn)確度，保證效益不流失，又滿足客戶足量需求。當(dāng)然，標(biāo)準(zhǔn)流量計法也可以應(yīng)用于此類校準(zhǔn)，只是相對于標(biāo)準(zhǔn)秤法而言，準(zhǔn)確度等級相對要低，校準(zhǔn)結(jié)果不如前者更加理想。

3.3? 兩種方法相結(jié)合應(yīng)用

隨著信息化時代的到來，大多數(shù)石油化工企業(yè)在對液體石油物料的流量測量管理上給予高度期望，對大數(shù)據(jù)化、時效化、高標(biāo)準(zhǔn)化的需求越來越強烈，相對于使用傳統(tǒng)、單一的校準(zhǔn)方式已經(jīng)無法勝任日益苛刻的校準(zhǔn)任務(wù)及工作需要。在這類企業(yè)中，既有港口貿(mào)易的大流量校準(zhǔn)需求，又有零付散裝的小流量校準(zhǔn)需求，更有多種工藝狀態(tài)流量測量分析需求。因此，本文以校準(zhǔn)系統(tǒng)之間的優(yōu)勢互補、相互比對、計量監(jiān)督為出發(fā)點，將以標(biāo)準(zhǔn)流量計作為主標(biāo)準(zhǔn)器的比較法與以標(biāo)準(zhǔn)秤作為主標(biāo)準(zhǔn)器的稱量法，進行組合處理，來建立液體石油物料仿實流校準(zhǔn)系統(tǒng)，以實現(xiàn)多工況、多任務(wù)、高標(biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)工作目標(biāo)。

4? 結(jié)束語

國際計量組織提出校準(zhǔn)流量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度應(yīng)比待校流量計的準(zhǔn)確度高5倍以上，即應(yīng)優(yōu)于被校流量計基本誤差的1/5。我國計量組織提出流量標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確度應(yīng)比待校流量計的準(zhǔn)確度高3倍以上，即系統(tǒng)的質(zhì)量流量擴展不確定度應(yīng)不大于流量計最大允許誤差值的1/3[6]。通過大量實驗數(shù)據(jù)證明，這些流量設(shè)施按照誤差傳遞公式認(rèn)定對校準(zhǔn)后流量計示值影響程度較小。目前國內(nèi)石油化工企業(yè)在對液體石油物料進行仿實流校準(zhǔn)實驗時，正如本文開篇所提到的校準(zhǔn)方法，這4種方法均滿足實驗理論要求，但是基于各種校準(zhǔn)方法之間的優(yōu)缺比較與實踐研究，可以篩選出準(zhǔn)確性、適應(yīng)性、時效性最優(yōu)的校準(zhǔn)方法，并可以通過組合系統(tǒng)建標(biāo)的方式，來提升企業(yè)校準(zhǔn)管理的工作標(biāo)準(zhǔn)。

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