質量流量計量誤差分析與對策

汪楚堯

摘 要：油品計量分為靜態計量與動態計量。靜態計量是最早采用的計量方式，它具有通用、直接、投資少的特點，但也存在諸多的不確定因素，如：人員、溫度、密度、體積、取樣等環節。近些年來，隨著石油行業計量水平的提高以及市場競爭不斷加劇，計量準確度越來越受到各企業的重視，動態計量更為符合石化行業的需求，它多以質量測量進行交接計量，直接測量油品的質量，避免了不必要的測量因素，提高了測量的準確度。

關 鍵 詞：動態計量;質量測量;準確度

中圖分類號：TQ 018 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2015）06-1312-04

Analysis and Countermeasures of Mass Flow Measurement Error

WANG Chu-yao

（PetroChina Fushun Petrochemical Company， Liaoning Fushun 113008，China）

Abstract： Oil metering is divided into static measurement and dynamic measurement. The static measurement is the earliest measurement method， it is universal， direct， less investment， but there are many uncertain factors， such as temperature， density， and volume， sampling etc. In recent years， along with improvement of the measurement level in the petroleum industry， the measurement accuracy is more and more important to enterprises， dynamic measurement is more in line with the needs of the petrochemical industry， it uses mass measurement to carry out custody transfer metering， direct measurement of mass can avoid needless measurement factors， and can improve the measurement accuracy.

Key words： Dynamic measurement; Mass measurement; Accuracy

質量流量計發展于上世紀70年代，在世界范圍內，它屬于動態計量的一種重要手段，在石油化工行業的貿易結算中，質量流量計發揮著舉足輕重的作用，它的測量誤差不僅直接影響著企業的經濟效益，也擔負著監督各類生產裝置物料供需之間的平衡關系。然而在實際使用過程中，由于其本身結構、工作原理及工況條件不為大家所熟悉，經常會造成計量失準的問題，給企業的經濟效益及平穩生產帶來了風險。本人長期以來在質量流量計檢定、維護及使用過程中總結了一些經驗，在此與大家分享。

1 工作原理

簡單點說，質量流量計（以下簡稱“流量計”）由傳感器和變送器兩部分組成。

傳感器是基于科里奧利力（科里奧利1792年至1843年，法國數學家、氣象物理學家）效應的相位敏感型諧振式傳感器。為描述旋轉體系的運動，需要在運動方程中引入一個假想的力，這就是科里奧利力。引入科里奧利力之后，人們可以像處理慣性系中的運動方程一樣簡單地處理旋轉體系中的運動方程，簡化了旋轉系的處理方式（圖1）。

圖1 科里奧利力

Fig.1 Coriolis force

傳統的傳感器組件包括：核心處理器、驅動線圈、檢測線圈、保護殼、流量管、電阻溫度檢測器、過程接頭。驅動線圈與磁鐵配合使用，使科里奧利傳感器流量管發生振動。經線圈驅動，會使流量管以其諧振頻率進行振動。流量管的兩側安裝有檢測線圈及磁鐵構成的電磁檢測器。電磁檢測器會產生一個代表振動管在該位置上的正比于流量的信號。傳感器內的驅動線圈、檢測線圈、RTD 元件（指溫度檢測裝置）都連接到核心處理器。核心處理器是一精密的電子設備，用于控制傳感器和信號測量及處理。核心處理器可執行所有必要運算以獲得測量的過程變量值，并將這些值傳送給變送器，以供控制系統使用。當介質通過流量管時，兩根流量管的入口側管和出口側管都會產生科里奧利力。這些力會使流量管彼此相對扭曲振動。從流量管入口側流入的質量流會產生一個科里奧利力，該力會抵制流量管振動。當質量流過出口側管時，科里奧利力則會加強流量管的振動。在入口和出口側的科里奧利力方向相反，從而導致了流量管產生扭曲運動，正是利用這一運動來測量質量流量。由于流量管的扭曲，使入口側與出口側的運動不同，因此檢測組件上產生的正弦波便出現了不同步的現象，即兩個正弦波出現了時間延遲（相位差）。相位差與質量流量成正比。科里奧利力越大，產生的相位差也越大，質量流量也越大。介質質量、管材剛性和振動頻率之間的關系是科里奧利流量計進行密度測量的基礎。以彈簧系統為例：當質量增加時，系統的振動頻率則會下降。當質量減少時，系統的振動頻率則會提高。振動頻率的單位是Hz。流量管的振動周期則是振動頻率的倒數。科里奧利流量計通過測量流量管振動周期來計算密度。介質密度與所測得的流量管振動周期成正比。

2 安 裝

2.1 方 向

科里奧利質量流量計是直接的質量流量測量。其測量的準確度與介質的流態無關，因此沒有直管段的需要，可以因地制宜的安裝傳感器。

安裝應遵循三個基本原則：

液體：要能夠始終充滿傳感器（圖2）。

圖2 測量液體安裝

Fig.2 Installation of liquid measurement

氣體：在傳感器內不產生積液（圖3）。

圖3 測量氣體安裝

Fig.3 Installation of gas measurement

漿液/臟污介質：要易于從傳感器中排空（圖4）。

圖4 測量漿液/臟污介質安裝

Fig.4 Measurement of slurry installation / dirty medium

除此之外，流量計應避免安裝在管道相對高點的位置，原因是管道高端的氣體很難排除，易對流量計的計量造成影響。

2.2 施工要求

四不要（圖5）：

（1）不要使用傳感器對中管線;

（2）不要使用傳感器支撐管線;

（3）不要直接支撐在傳感器上;

（4）不要使用傳感器頂拉管段距離。

圖5 禁止安裝的形式

Fig.5 Prohibited installation forms

質量流量計的安裝狀態應該是無應力影響的狀態。現場安裝后的傳感器如果受到外來應力的沖擊會直接影響到流量計的計量準確度。

2.3 其它注意事項

（1）流量調節閥應該安裝在傳感器的出口端;

（2）傳感器的兩側應該安裝截止閥，便于調零;

（3）設置旁路管線，便于流量計的拆裝維護;

（4）新投用的管線應該在管線吹掃完畢后再安裝傳感器;

3 導致計量誤差的關鍵因素

3.1 操作因素影響

（1）儀表參數。組態了錯誤的流量系數、儀表系數。（流量計檢定過程中出現了問題，如：標準秤準確度下降、測量介質含氣、閥門漏量等） ，輸出信號與量程設置不匹配（遠程顯示時）。

（2）量值與修正。組態了不適用的計量單位、小流量切除值。

（3）零點。流量計調零不正確。（調零時測量管介質不滿管、介質處于流動狀態、介質處于兩相狀態）

3.2 性能影響

（1）傳感器。流量計傳感器腐蝕、磨損等導致性能下降。

（2）變送器。流量計變送器器件老化。

（3）接線端。電纜進線孔密封不嚴，導致水汽進入（造成零點漂移或設備損壞）。

3.3 工藝因素影響

（1）氣液兩相。

（2）閥門泄漏。

（3）壓力低導致氣化。

（4）操作流量變化過大。

3.4 溫度對傳感器的影響

（1）對流量管的影響，金屬的彈性會隨溫度的變化而變化。

（2）對傳感器零點的影響，所有機械結構都會受到溫度影響，由于幾何形狀和結構的不對稱，溫度的變化擴大了這種影響。這個影響的定義是當介質溫度與調零溫度不一致時所可能產生的最大偏差[3]。

（3）不同材質、形狀、壁厚的流量管的修正系數也不同。

3.5 溫度對變送器的影響

環境溫度對模擬輸出的影響定義是每偏離校準溫度1 ℃， 變化為量程的±0.005%。

3.6 壓力對傳感器的影響

可以增加流量管的壁厚來降低壓力影響，增加壁厚會降低靈敏度，靈敏度的降低會降低計量準確度。流量管壁厚必須加以優化來保證最佳性能。

4 解決措施

4.1 流動性

（1）為避免測量介質在通過流量計時摻入氣體造成氣液兩相，建議在流量計上游安裝消氣器。

（2）有些生產裝置產出的產品易帶有雜質，這些雜質在通過流量計時會堵塞測量管，建議在流量計上游安裝過濾器。

（3）測量時，液體介質中帶有大團的氣體或氣體介質中帶有大的液滴時，需要開啟團狀流（Slug Flow）功能，團狀流功能使儀表測量及輸出不受流體狀態短暫變化的影響。

（4）通過檢測流量計的驅動增益判斷流量計運行情況，一般情況下，驅動增益超過8%的時候可視為出現異常。流量計測量管氣液兩項的時候，驅動增益一般在40%左右;流量計測量管固液兩項的時候，驅動增益一般在20%左右（以上是參考值，因流量計型號及管徑不同實際值會有所偏差）。

4.2 安裝

流量計的安裝地點應該遠離油泵、壓縮機、變壓器、高頻開關。這些設施會使流量計與管路發生共振及產生電信號疊加導致流量計失準[5]。另外，流量計的安裝方向應該由被測介質的流體狀態決定。

4.3 電伴熱

有些地區冬季寒冷，為了滿足油品正常輸送與計量，要求油品溫度保持在一定范圍內，這時需要使用電伴熱來解決這一問題。如果電伴熱的溫度過高，產品會出現汽化現象，導致驅動增益超限，流量計報警。原因是氣液兩相使得諧振頻率與驅動頻率相差過大，核心處理器為了保護電路強行關閉驅動電壓。解決辦法為控制電伴熱的溫度上限，以滿足被測介質計量需求為佳。

4.4 量程選擇

流量計的最低使用流量不能低于量程的10%，常用流量應該為量程的50%～75%之間，這樣可以減少零點漂移和流量計線性誤差的影響。

表1 質量流量計管徑與流速對照表

Table 1 The diameter and velocity of mass flowmeter

4.5 雙向計量

流量計在現場使用時，由于地勢高低、管道壓力及操作失誤，經常使得流量計中的被測介質發生倒流現象，為了避免這種情況我們要對流量計進行雙向計量設置，防止流量計丟量計量。

4.6 零點設置

流量計調零的條件

（1）被測介質通過傳感器預熱20 min以上;

（2）傳感器的溫度與被測介質接近一致;

（3）測量管中被測介質完全充滿;

（4）關閉流量計的前后閥門使被測介質處于相對靜止狀態。

導致零點漂移的因素很多，如：溫度、壓力、測量管壁變薄、兩相流、不滿管、振動、電磁干擾。解決辦法為定期到現場進行零點調試、設定流量切除值，建議為量程的0.5%～1.0%。（注：由于應力導致的零點漂移是不能通過零點調試根本解決的，因為管線熱脹冷縮的必然性會導致應力再次變化進而影響零點。解決辦法為校準質量流量計與管線的安裝位置，使其在同一軸線上。）

4.7 背壓

輕烴是石化行業的重要產品，它包括：乙烯、丙烯、丁烯、甲烷、乙烷、丁烷等。正常狀態下它們為氣態，實際計量中多以測量液相為主。在測量液相輕烴時，如果流量計的背壓低于其飽和蒸汽壓時，測量管就會出現氣液兩相情況，導致計量準確度大幅度下降。

背壓指流量計出口端的管道壓力，通常情況下背壓應大于被測介質飽和蒸汽壓的1.25倍與流量計壓損的2倍之和。

p>1.25Pa+2Δp （1）

式中：P—被測介質的出口端壓力， MPa;

Pa—被測介質的飽和蒸汽壓， MPa;

ΔP—質量流量計的永久壓力損失， MPa。

如果滿足不了上式要求，可以參考高于飽和蒸汽壓的15%（最低要求）， 見表2。

表2 輕烴飽和蒸汽壓表

Table 2 Light hydrocarbon saturation vapor pressure

4.8 “掛壁”現象

有些油品黏度較大或容易凝結，經常會在測量管上發生掛壁現象，掛壁以后，流量計也會出現驅動增益超限，導致流量計報警。發現掛壁現象后，如：液蠟裝車之前，被測介質密度會高于正常值，這時可以把流量計拆下進行吹掃，若不具備拆下條件，可以通過打循環的方法使凝結部分隨著溫度升高及沖擊慢慢溶解將掛壁現象慢慢消除，液蠟掛壁現象一般循環1 h后即可消除。

4.9 遠傳數據

流量計大多安裝在生產現場，由于石油化工裝置現場多為高溫高壓、易燃易爆區，為了讀數方便，我們經常要把流量計的流量信號采集到儀表室進行讀取。流量計常用的信號輸出端包括：4～20 mA輸出、頻率輸出、RS485輸出。僅從同步精度上講：RS485輸出精度相對高于4～20 mA輸出和頻率輸出。因為它不需要把輸出信號進行二次轉換，而是直接通過網絡協議采集最終數據，這樣避免了流量精度的下降。因此，應該盡量選擇具備RS485輸出的變送器。

4.10 MF修正

MF為流量計檢定報告中的各流量點的誤差修正系數，質量流量計采取離線檢定時，可以采用基本誤差法進行交接計量，但是相鄰兩次檢定結果如果處于同一方向，應該采用流量點誤差系數修正計量結果。尤其是在大宗物料的貿易結算中，千分之一的誤差也會帶來巨大的效益損失。

修正點的選擇以常用流量點為準，如一臺羅斯蒙特CMF300的質量流量計：

第一次的檢定結果見表3。

表3 流量計檢定結果表（一）

Table 3 Flowmeter test results table（1）

第二次的檢定結果見表4。

表4 流量計檢定結果表（二）

Table 4 Flowmeter test results table（2）

如果常用流量點為40 t/h，兩次檢定結果分別為：+0.08%和+0.15%，那么第二次檢定后使用流量計在40 t/h的計量狀態下計量，結算油量應該再乘以0.998 5進行MF修正，使計量結果的誤差進一步向零趨近。

4.11 振動管的選材

流量計傳感器的振蕩管是金屬材料，振蕩管的抗沖擊、抗腐蝕能力直接影響著流量計的計量準確度與穩定性。通常決定振蕩管這種特性的因素包括：

（1）振蕩管的振動幅值;

（2）振蕩管的壁厚;

（3）振蕩管的金屬材料。

振動幅值與壁厚改變很困難，會直接影響流量計的靈敏度與準確度，我們只能通過改變振蕩管的選材改變其特性。

實際生產中，多數企業選用的是316L不銹鋼振蕩管的流量計，其實更為理想的是選用哈氏合金振蕩管的流量計，以提高計量穩定性。因為造價昂貴，目前使用哈氏合金流量計的企業較少。

5 結束語

綜上所述，如何做好質量流量計量并不是一件難事，關鍵在于我們一定要搞清楚其工作原理，要學會正確安裝、調試并使用它，這樣才能發揮它高準確度高穩定性的優勢，避免計量糾紛的出現，為企業的經濟效益保駕護航。

參考文獻：

[1] 潘丕武.石油計量技術[M].北京：中國計量出版社.2009.

[2] 能源計量器具應用技術指南[M].北京：中國石化出版社，2012.

[3] JJG1038-2008 科里奧利質量流量計檢定規程[S].

[4]中國石油天然氣集團職業技能鑒定中心主編.油品計量工[M].北京：石油工業出版社，2010.

[5]肖素琴.油品計量員讀本[M].北京：中國石化出版社，2007.