固定式標(biāo)準(zhǔn)體積管在線檢定貿(mào)易交接用刮板流量計(jì)

靳廣偉

（中國石油工程建設(shè)有限公司，北京 100120）

0 引言

圖1 外輸交接計(jì)量系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow chart of the external transmission and transfer metering system

準(zhǔn)確性、一致性、法制性是對交接計(jì)量的基本要求，掌握準(zhǔn)確的原油外輸量才能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的經(jīng)濟(jì)核算和生產(chǎn)控制。為滿足計(jì)量準(zhǔn)確度要求，計(jì)量系統(tǒng)中流量計(jì)的周期性檢定不可缺少。對流量計(jì)的檢定，按檢定方式有離線檢定和在線檢定[1]。離線檢定需要將被檢流量計(jì)從工藝管線上拆下來，送到指定計(jì)量檢定站做檢定。在線檢定用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量器具在現(xiàn)場對被檢流量計(jì)進(jìn)行檢定，不需要從工藝管線上拆下流量計(jì)，實(shí)流檢定減少了檢定誤差。標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量器具可分為固定式體積管、車載式體積管、固定式水標(biāo)罐和車載式水標(biāo)罐。固定式體積管配套固定式水標(biāo)罐是當(dāng)前發(fā)展趨勢。固定式體積管在線檢定流量計(jì)時(shí)，將正常外輸工藝流程在線切換到檢定工藝流程，將標(biāo)準(zhǔn)體積管串聯(lián)到流量計(jì)的輸油管道中，這種方法操作簡便安全，屬于密閉式的流量計(jì)檢定系統(tǒng)。在配套有固定體積管和水標(biāo)罐的外輸交接計(jì)量系統(tǒng)中，體積管用來標(biāo)定外輸流量計(jì)準(zhǔn)確性和重復(fù)性，水標(biāo)橇用來標(biāo)定雙向體積管的準(zhǔn)確性。為了達(dá)到計(jì)量和標(biāo)定本身應(yīng)有作用，實(shí)現(xiàn)計(jì)量系統(tǒng)準(zhǔn)確計(jì)量，提高雙向體積管的可用性，需要根據(jù)項(xiàng)目工藝條件對其進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和正確運(yùn)用。在API MPMS Chapter 5.4 提供了合適設(shè)備選型的指導(dǎo)方法[2]。此項(xiàng)目外輸計(jì)量流量計(jì)采用刮板流量，屬于容積式流量計(jì)（Positive Displacement Flowmeter），在管輸原油計(jì)量中應(yīng)用廣泛。容積式流量計(jì)測量的是流過流量計(jì)流體體積，測量準(zhǔn)確度較高，一般用于準(zhǔn)確度要求高的流量測量，刮板式流量計(jì)工作有方向性，反向流動會損壞內(nèi)部器件。安裝時(shí)，包括上游的消氣過濾器，都應(yīng)按照外殼上流體箭頭方向安裝。為避免流體倒流損壞流量計(jì)，可以考慮安裝單向閥。

1 外輸交接計(jì)量系統(tǒng)工藝條件和組成

項(xiàng)目原油從采油井集輸?shù)街行奶幚碚荆谥行奶幚碚具M(jìn)行脫水、脫氣、脫鹽處理，經(jīng)過外輸交接計(jì)量橇計(jì)量，送往下游用戶。交接計(jì)量橇工藝條件：設(shè)計(jì)壓力9.5Mpag，設(shè)計(jì)溫度85℃，工況壓力7.7Mpag，工況溫度55℃～72℃，體積流量200 m3/h～550 m3/h，原油粘度50 CP～100 CP，計(jì)量橇的壓損小于300 kPa。流量計(jì)指標(biāo)要求，線性度優(yōu)于±0.15%，重復(fù)性優(yōu)于0.02%，精度達(dá)到±0.2%的測量數(shù)值。

采用的外輸交接計(jì)量系統(tǒng)由流量計(jì)撬、體積管撬（球式雙向體積管）、水標(biāo)定撬組成。流量計(jì)撬包括：出入口閥門、消氣過濾器、流量整流器、流量計(jì)、溫度變送器、壓力變送器及相關(guān)管件等設(shè)備；體積管撬包括：出入口閥門、收發(fā)球筒、四通閥、溫度變送器、壓力變送器、檢測開關(guān)等相關(guān)輔助設(shè)備；水標(biāo)定撬包括：二等金屬量器、氣動換向器、水泵、不銹鋼水箱、檢定控制箱、閥門、連接管及附件等。在流量計(jì)橇上游配套有密度分析儀和手/自動采樣橇，實(shí)現(xiàn)原油實(shí)時(shí)密度監(jiān)測和自動分時(shí)采取典型油樣。交接計(jì)量系統(tǒng)檢定量值的傳遞關(guān)系為：水標(biāo)定罐（二等標(biāo)準(zhǔn)金屬量器 0.025%）→雙向體積管（0.05%）→刮板流量計(jì)（0.20%）。

流量計(jì)橇有兩條計(jì)量回路，一用一備，分別采用DN250 口徑刮板流量計(jì)，計(jì)量管路為DN300 口徑，最大流量550m3/h。每條計(jì)量管線的下游安裝有流量調(diào)節(jié)閥，用于調(diào)節(jié)計(jì)量流量；在雙向體積管橇座的出口安裝有流量調(diào)節(jié)閥，用于調(diào)節(jié)檢定流量，進(jìn)行計(jì)量橇的全量程檢定。為了保證計(jì)量及檢定過程中溫度的恒定，管路做了保溫。流量計(jì)橇核心設(shè)備刮板流量計(jì)采用FMC Smith LJB10-S7，此刮板流量計(jì)具有±0.15%的精度和±0.02%的重復(fù)性，測量范圍74m3/h～740m3/h。流量計(jì)算機(jī)采用FloBoss S600+流量計(jì)算機(jī)。PLC 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程切換和調(diào)節(jié)閥的控制，完成系統(tǒng)檢定控制和正常生產(chǎn)計(jì)量監(jiān)控。

2 球式雙向體積管橇

體積管是檢定累計(jì)式流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)裝置，被檢定的流量計(jì)與體積管串聯(lián)，用已知體積的體積管來標(biāo)定流量計(jì)的精度。此項(xiàng)目采用了美國FMC Simith 球式雙向體積管，由收發(fā)球筒、基準(zhǔn)管段、檢測開關(guān)、檢定球、四通換向閥和控制系統(tǒng)組成。雙向體積管具有可靠性高、操作簡便、重復(fù)性好，在一個(gè)流量點(diǎn)上檢定次數(shù)少的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)流量計(jì)在密閉實(shí)液情況下檢定。雙向體積管的設(shè)計(jì)選型按照API 標(biāo)準(zhǔn)，下面是對體積管標(biāo)準(zhǔn)管段的直徑、檢測開關(guān)之間（標(biāo)準(zhǔn)段）長度和標(biāo)準(zhǔn)體積量的計(jì)算。

2.1 雙向體積管標(biāo)準(zhǔn)段直徑的確定

為防止標(biāo)定球在體積管中，因速度過高發(fā)生水擊現(xiàn)象，標(biāo)準(zhǔn)體積管規(guī)定了標(biāo)定球在雙向體積管中的最大流速要低于3 m/s。根據(jù)API MPMS Chapter 4，Section 2 規(guī)定，按照操作人員和設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)，10 ft/s 是單向體積管的典型設(shè)計(jì)速度，而雙向體積管置換器運(yùn)行速度≤5ft/s[3]，即1.5m/s。

根據(jù)FMC SMITH 計(jì)算公式：

該雙向體積管最大設(shè)計(jì)流量為550m3/h，即4757 桶/h，則：

I.D.(in)=16”

故SMITH 選擇標(biāo)準(zhǔn)段直徑為16”，在最大流量時(shí)置換器速度為1.2m/s。

2.2 檢測開關(guān)之間（標(biāo)準(zhǔn)段）長度

檢測開關(guān)之間長度即標(biāo)準(zhǔn)段，由檢測開關(guān)的分辨率和標(biāo)準(zhǔn)體積量決定。檢測開關(guān)分辨率為rd，則計(jì)量球來回運(yùn)行一次可能產(chǎn)生的最大誤差為4rd：（L+2rd）-（L-4rd）=4rd，對于0.02%的重復(fù)性要求：L=4rd/0.0002=20000rd，SMITH 檢測開關(guān)rd=1/64"，L=20000×1/64"=312.5"=7.94m，則檢測開關(guān)之間（標(biāo)準(zhǔn)段）長度應(yīng)大于7.94m。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)體積量的確定

根據(jù)API MPMS Chapter 4，Section 2，雙向體積管單向行程至少使流量計(jì)產(chǎn)生10000 個(gè)以上脈沖[3]。脈沖計(jì)數(shù)器的不確定度為±1 個(gè)脈沖，為保證體積管單向行程計(jì)數(shù)器誤差為0.02%，則脈沖計(jì)數(shù)器在此行程中至少應(yīng)收集10000個(gè)脈沖，刮板流量計(jì)K 系數(shù)為10 個(gè)脈沖/m3，則體積管標(biāo)準(zhǔn)段體積應(yīng)大于1000 L。則體積管標(biāo)準(zhǔn)段體積應(yīng)大于πr2L=3.14×0.22×7.94 ≈997 升，從方便水標(biāo)定及配備標(biāo)準(zhǔn)罐考慮，故選擇體積管檢測開關(guān)之間標(biāo)準(zhǔn)體積為2m3。

3 水標(biāo)定橇座

按照體積管標(biāo)準(zhǔn)體積2m3的容積，項(xiàng)目選用2 個(gè)500 L的標(biāo)準(zhǔn)罐。水標(biāo)定橇座串聯(lián)安裝在雙向體積管的下游，利用清水作為工作介質(zhì)，通過檢定水泵提供水循環(huán)，將體積管標(biāo)準(zhǔn)容積段的清潔水置換到標(biāo)準(zhǔn)金屬量器內(nèi)，通過溫度和壓力修正，以確定體積管的標(biāo)準(zhǔn)容積，評定出體積管的重復(fù)性和準(zhǔn)確性。

4 對計(jì)量橇的標(biāo)定

在首次使用體積管對流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，需要先完成體積管的水標(biāo)定工作。體積管水標(biāo)定前檢查標(biāo)定球的外觀有無缺陷，利用專用工具對標(biāo)定球充液。按照API MPMS Chapter 4，Section 9，Part 2 規(guī)定，充液后標(biāo)定球的外周長應(yīng)大于標(biāo)準(zhǔn)體積管標(biāo)準(zhǔn)管段內(nèi)尺寸的2%～5%，目的是為了減少標(biāo)定過程水或工藝介質(zhì)從標(biāo)定球邊緣泄漏，另外略大的尺寸可以補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)段內(nèi)部的不規(guī)則，比如管線內(nèi)部圓度不夠，內(nèi)涂層缺陷或在彎頭或者反向動作時(shí)軸線偏差，但不能造成過大摩擦或壓降[4]。在JJG 209-2010《體積管檢定規(guī)程》中規(guī)定“由充液后直徑比體積管標(biāo)準(zhǔn)容積段的內(nèi)徑大2%～4%的球在其運(yùn)行時(shí)，與管壁有良好的密封性”[6]。記錄好標(biāo)定球充液后的直徑、重量等原始數(shù)據(jù)，然后將充液后的標(biāo)定球放入體積管內(nèi)。啟動水標(biāo)橇的水泵向體積管內(nèi)充水，通過操作四通閥使標(biāo)定球在體積管內(nèi)來回運(yùn)行幾次，以使整個(gè)水循環(huán)系統(tǒng)的溫度趨于平衡。此間，分別測量體積管進(jìn)出口、標(biāo)準(zhǔn)容器出口的水溫，當(dāng)確認(rèn)各測量點(diǎn)的溫度誤差在1℃以內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，即可按程序進(jìn)行體積管的水標(biāo)定工作。至少連續(xù)6 次水標(biāo)罐對體積管的標(biāo)定，若重復(fù)性在0.02%以內(nèi)就可結(jié)束標(biāo)定。否則需要連續(xù)標(biāo)定，直到連續(xù)多次標(biāo)定數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果都滿足要求為止。項(xiàng)目實(shí)際標(biāo)定結(jié)果計(jì)算重復(fù)性為0.016%，滿足0.02%要求。

對流量計(jì)橇標(biāo)定過程是通過流量計(jì)的實(shí)際讀數(shù)值與體積管的標(biāo)準(zhǔn)容積值的比較來完成。通過標(biāo)定可知道流量計(jì)的精度，通過比較已知的體積管的標(biāo)準(zhǔn)容積與流量計(jì)的讀數(shù)做比值，可以得到修正系數(shù)（MF），這個(gè)系數(shù)用來做實(shí)際計(jì)量的修正。

體積管標(biāo)定流量計(jì)時(shí)，需將體積管四通閥倒換到前后直通的位置，這樣能使初次進(jìn)入體積管的原油不經(jīng)過體積管的標(biāo)準(zhǔn)段，而直接從四通閥流出，避免管線內(nèi)雜質(zhì)進(jìn)入體積管，損壞計(jì)量球或體積管內(nèi)涂層。在切換流程后，讓體積管空運(yùn)行15min，再切換四通閥至正常位置，這時(shí)就可以通過體積管標(biāo)定控制系統(tǒng)進(jìn)行流量計(jì)的檢定工作。從流量計(jì)來的外輸原油經(jīng)過體積管入口閥門進(jìn)入，通過體積管計(jì)量段后，從體積管出口流出。觸發(fā)檢測開關(guān)開始脈沖計(jì)數(shù)是體積管標(biāo)定的開始，當(dāng)觸發(fā)檢測開關(guān)結(jié)束脈沖計(jì)數(shù)，是標(biāo)定過程的結(jié)束，整個(gè)標(biāo)定過程完全由體積管的控制系統(tǒng)控制。遵照API MPMS Chapter 4，Section 8 規(guī)定，選定了138m3/h、244m3/h、350m3/h、455m3/h、550m3/h 5 個(gè)流量點(diǎn)進(jìn)行多次檢定后，得到標(biāo)定結(jié)果。依據(jù)檢定結(jié)果，確定流量計(jì)精度在0.15%以內(nèi)，重復(fù)性在0.013%以內(nèi)，線性度在0.15%以內(nèi)，滿足項(xiàng)目要求。

5 流量檢定出現(xiàn)的一些問題和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

在實(shí)際使用過程中，常會出現(xiàn)重復(fù)性差的問題，困惑了不少現(xiàn)場工程師。經(jīng)過現(xiàn)場觀察和總結(jié)，發(fā)現(xiàn)流量計(jì)和體積管內(nèi)有氣體，系統(tǒng)的壓力、溫度、流量不穩(wěn)定，四通閥轉(zhuǎn)換密封不合適，計(jì)量球的圓度和尺寸等情況都會造成系統(tǒng)的重復(fù)性差。解決方法有：如果流量計(jì)和體積管內(nèi)有氣體，需要泄放體積管和流量計(jì)內(nèi)部的空氣，有必要的話，操作四通閥換向以排除四通閥殘留的氣體。在計(jì)量球運(yùn)行時(shí)，打開放氣閥門釋放氣體，運(yùn)行體積管一段時(shí)間，使氣體從高端充分排盡。如果系統(tǒng)的壓力、溫度、流量不穩(wěn)定，也會造成重復(fù)性差，這就需要保證系統(tǒng)條件（溫度、壓力、流量）穩(wěn)定，如果不穩(wěn)定，就不要進(jìn)行檢定。在標(biāo)定開始檢測開關(guān)被第一次觸發(fā)前，四通閥必須已經(jīng)處于密封狀態(tài)。如果在標(biāo)定期間四通閥密封不好，本次的標(biāo)定數(shù)據(jù)需作廢，四通閥必須在狀態(tài)良好時(shí)才能繼續(xù)進(jìn)行流量標(biāo)定。計(jì)量球尺寸過大或小，取出計(jì)量球，檢查計(jì)量球的圓度和尺寸，根據(jù)需要對計(jì)量球進(jìn)行充壓或泄壓，如果損壞則需要更換。在多數(shù)情況下，重復(fù)性不好是由于體積管內(nèi)或流量計(jì)管線內(nèi)有氣體，如果重復(fù)性不能滿足要求，首先必須做的是排除體積管及系統(tǒng)內(nèi)的氣體。

6 結(jié)論

貿(mào)易交接計(jì)量系統(tǒng)合理的設(shè)計(jì)選型和可靠易于實(shí)施的系統(tǒng)檢定，是整套裝置運(yùn)行穩(wěn)定，避免操作人員頻繁干預(yù)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)量的關(guān)鍵。項(xiàng)目采用的一用一備計(jì)量回路方式，也使得檢定不影響正常外輸生產(chǎn)，提高了檢定系統(tǒng)的可用性和可靠性。結(jié)合后期調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，提高了檢定的準(zhǔn)確度和重復(fù)性，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了原油外輸計(jì)量的較高準(zhǔn)確性。