CMF在某成品油管線中的應用研究

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。質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)、油庫三方的貿易交接中發(fā)揮著關鍵性的作用，采用性能穩(wěn)定、精度高的質量流量計對管道輸送貿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，全線設置1座輸油首站和2 座分輸（泵）站，均采用科里奧利質量流量計（簡稱CMF）進行貿易計量交接。

1 CMF的結構組成及原理

1.1 CMF的結構組成

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系中，產生與質量流量成正比的科里奧利力的原理制成的一種直接式質量流量儀表。

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

式中，ω 為旋轉系的角速度；v為物體相對旋轉系的運動速度；m為流體的質量。

設密度為ρ的流體以速度v 在內截面積為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和以太網接口，可以實現(xiàn)對質量流量計多種數據的采集與計算，也可與SCADA 系統(tǒng)進行數據交換。流量計算機通過內置體積流量和質量流量換算公式，將采集到油品的實時密度信號，經過壓力和溫度補償計算，得出各種油品在工況下和標況下的批次流量與累計流量。

2 成品油管線質量計量系統(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量流量和實時密度信號，經過計算處理，可提供某一油品質量總累計量、當前批次量、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，流量計算機通過質量流量計輸入的瞬時流量直接完成質量流量的累計，同時通過采集壓力和溫度信號對質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，并將流量數據傳送給SCADA 系統(tǒng)進行存儲，由SCADA 系統(tǒng)完成油品參數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。當進行油品切割時，操作員依據在線密度計讀數判斷油品種類，進行下載閥門開關操作，同時下發(fā)油品類型，SCADA 系統(tǒng)將相應的命令輸出給現(xiàn)場的閥門和儀表等設備。

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并與汽柴混油切割密度值進行比對，判斷混油是否已經越站。當混油越站即將結束時，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簽，此時開始對該批次普柴的流量累計。當達到普柴下載量時，關閉505#閥門，同時將反饋給流量計算機一個開關量信號，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)輸出的計算結果的準確性，因此分析CMF 的穩(wěn)定性具有重要意義。根據CMF的工作原理，流量傳感器是一種基于科里奧利效應的相位敏感型諧振式器件，它必然受到安裝現(xiàn)場應力、周圍磁場等因素的影響。因此，經檢定合格后的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)場應用的可靠性，根據我們對CMF實際使用的經驗總結，應主要從以下幾個方面分析其影響因素，并采取相應的解決辦法。

4.1 安裝與應力

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備或工藝管線中出現(xiàn)水擊等現(xiàn)象，極易造成管路與質量流量計的測量管共振，導致測量偏差。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，導致其振動特性改變，也會引起計量誤差。

解決辦法：安裝時應遠離馬達、油泵、壓縮機等大型動力設備，增加結實的固定支撐，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

在實際應用中，CMF零點有一個波動范圍，即質量流量計的零點漂移。即在零點調整之前，當流量計內介質靜止時，流量計的瞬時質量流量示值。引起質量流量計零點漂移的原因很多，如管道振動，管道應力和扭曲，液體中含有固體顆粒或氣泡，流體的溫度、密度、黏度發(fā)生變化等。質量流量計的零點漂移是其重復性好壞的決定因素，并直接影響測量結果。尤其是在小流量測量時，零點漂移對測量準確度的影響較為嚴重。通過零點調整可以減小或消除零點漂移的影響。

解決辦法：無論是在流量標準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廠家的規(guī)定進行安裝和調零。

CMF調零時，必須先將流量計正確安裝并充分預熱，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充滿待測流體，然后關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整。

4.3 介質相態(tài)的影響

由CMF 的工作原理可知，被測量介質視為密度均勻的流體，故當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留空等，都會導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來濾掉這些噪音，使那些低于該參數的流量變送器脈沖和數字輸出測量值指示為0。流量切除參數是流量變送器產生一個非零的可讀數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設置，則變送器輸出的流量值為0。由此可知，流量切除參數的組態(tài)不可過大，否則將影響質量流量計測量準確度。

解決辦法：流量切除設置是該傳感器的最大滿刻度流量的0.5%，根據需要最高可設置為1.0%。設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，小流量切換設置應在零點調整之前，否則進行的零點調整不是真實的零點。

4.5 介質壓力的影響

由于過程壓力偏離標定壓力引起傳感器敏感度變化，將會直接影響質量流量計的測量精度，從而導致流量計產生測量誤差。目前，一般情況下，流量計在0.2 MPa左右對水介質進行標定。對于成品油管線，管線壓力經過調節(jié)閥后已趨于穩(wěn)定，基本處于檢定壓力范圍內，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量流量計變送器接線板接線端，并在質量流量計變送器組態(tài)的壓力補償組態(tài)中輸入流量標準壓力、4 mA 和20mA的壓力值等，然后組態(tài)壓力輪詢，通過輪詢外部設備獲取到壓力數據，質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 內部的構造采用了線圈磁場等部件，會使流量管產生振動。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確性。同時，如果周圍存在較大磁場（例如變壓器、高頻開關），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，將導致測量誤差。

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

5 結語

CMF是成品油管道貿易交接、內部結算一個必不可少的設備，在安裝和使用過程中應考慮到安裝應力、零點、小流量切除、介質狀態(tài)、管輸流量、壓力等對其測量準確度的影響，只要從流量計的原理出發(fā)，結合現(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。

［1］于翠欣.科里奧利質量流量計數字信號處理系統(tǒng)的研制［D］.合肥：合肥工業(yè)大學，2000.

［2］王曉梅，林濤，楊培敏.艾默生質量流量計常見故障排除方法［C］//2010年中國油氣計量技術論壇論文集，2010.

［3］侯英惠.影響質量流量計（CMF）可靠性應用的因素的分析［C］//2010年中國油氣計量技術論壇論文集，2010.