淺談油品計量橇裝系統及其標定

林長波

（中石化石油工程設計有限公司，山東 東營 257026）

0 引言

計量橇裝系統作為一種可以保證高計量精度的計量系統已經廣泛應用于原油、成品油和天然氣的貿易交接計量中。目前世界上新建項目中，原油貿易交接80%都是采用計量橇裝系統形式。我國近幾年在石油天然氣工業的許多大型項目上也都采用了計量橇裝系統，例如：蘭成渝成品油管道、珠江三角洲成品油管道及我國在國外投資的哈薩克斯坦原油項目、肯尼亞成品油項目等。計量橇裝系統以其高精度、高穩定性廣泛應用于石油天然氣工業。

1 計量橇裝系統組成

計量橇裝就是通常我們所說的計量系統，它是把涉及計量的各個部分集成在一起，預先安裝在一個鋼制基座上，出廠前做試壓及各項功能測試，并取得計量檢定證書，到達現場后只需和上下游管道連接并把信號連接到控制室的儀表柜后便可以投入運行。計量橇裝是一個集成的“工程”，是像一個整體產品一樣“打包”供貨，可以減少用戶的很多麻煩。

油品計量橇裝主要工藝流程圖見圖1，主要包括以下部分：

1）計量儀表：質量流量計、超聲波流量計、渦輪流量計、刮板流量計等。

2）檢測儀表：溫度、壓力變送器及溫度表、壓力表。

3）分析儀表：自動取樣器、含水分析儀、密度計。

4）在線比對回路和在線標定接口。

5）管路和閥門：包括下游關斷閥、流量調節閥、排污閥、泄放閥。

6）儀表電路系統,比如：電源分配箱、信號接線箱、撓性連接管、防爆穿線管、穿線盒等。

7）控制機柜,流量計算機，PLC(控制閥門和回路切換，選配)。

8）各種鋼架支撐結構、扶梯、過道等。

9）鋼質底座。

1.1 計量儀表

計量儀表為計量橇裝系統的核心部分，根據規范要求，油田外輸原油的貿易交接計量精度為0.2級，目前主要應用的儀表類型包括：刮板流量計、質量流量計、超聲波流量計、渦輪流量計等。計量儀表同時輸出兩路脈沖測量信號，一路傳至各自的計量流量計算機，一路傳至標定用流量計算機。

刮板流量計作為傳統的檢測儀表，具有測量精度高、適應性強、不受介質密度影響等優點，得到了廣泛應用。但當原油以刮板流量計進行計量時，在運行工藝條件下，由于溫度、壓力、粘度等因素的變化均會影響原油的體積，會導致流量計自身產生的附加誤差，再加上刮板流量計計量腔室長期磨損會產生的誤差等，所以刮板流量計也具有一定的缺陷性。

質量流量計，直接測量流體的質量，可測量的液體范圍廣（包括高粘度的液體，含油固體顆粒的液體、含有均勻分布的少量氣體的液體等），測量管的振幅小，可視為無可動部件，無上下游直管段要求，可同時測量液位的密度和溫度等優點，也逐漸得到了廣泛使用。但質量流量計也有一定的局限性：壓力損失大，目前質量流量計的最大口徑僅為DN150，對外界振動敏感，價格昂貴等。

超聲波流量計，多聲道超聲波流量計在大口徑管道、大流量計量中有突出的優勢，其無可動部件的構造和完善的自診斷功能大大提高了流量計的可靠性，無附加壓力損失使其在節能方面具有明顯優勢，測量范圍也遠遠大于其它流量計。由于超聲波流量計是靠智能電子單元間接測量超聲波傳輸時間來計算出流量，人工“制造”出與流量相關的脈沖（頻率），流量脈沖和串行信號是通過計算獲得的，因此輸出信號會落后于流體特性，而且經過數據的轉換處理，脈沖信號很可能落后于串行數據信號；由于流體流動存在不穩定性，微小的流動擾動或脈動都會被流量計測量到，導致流量計產生不均勻脈沖等缺點。

圖1 計量橇裝系統圖Fig.1 Measurement of skid-mounted system map

1.2 流量計算機

計量橇裝系統提供的流量計算機是已獲得國際權威認證機構（如API、OIML等）的有關認證，且獲得中華人民共和國計量器具型式批準證書，允許專門用于商貿交接的流量計算機，它將與相關流量計以及相關的儀表組成流量計量系統，用于貿易計量、流量檢測及流量標定。

流量計算機可根據用戶的需求安裝于控制室或者現場，在工程的實際應用中多選用非防爆的流量計算機，安裝于控制室。每一計量支路配套一臺流量計算機，用于該支路的流量計量。同時流量計算機還可以控制上下游管道關斷閥的緊急開關及調節閥的開度控制。（注：閥門的開關控制、支路切換也可單獨設一套PLC控制系統，由PLC完成相應的控制）。

計量橇裝系統提供的流量計算機具有很高的可靠性和穩定性，其技術特性能滿足以下要求：

1）流量計算機應是基于微處理器的智能型儀表，選用32bit或64bit的微處理器，其內存的容量至少為2M，能滿足流量計算及數據存儲的要求。

2）流量計算機的計算軟件含有多種可選擇的商貿計量標準，能通過簡單的組態或選項進行計量標準選擇并鎖定。正常計算時，不應受其它計量標準的影響。

3）可根據流量計的類型選擇有關計算標準。可選擇參考壓力和參考溫度，根據選用的相關標準完成參比條件（如101.325kPa，20℃）下的體積流量、質量流量等瞬時流量的計算和各自的累積流量計算。流量計算機應該可以根據相關報告，依據在線的組分數據和溫度壓力數據實時計算流量相關數據，超出設定的偏差范圍時報警。

4）能顯示標準狀態下的瞬時流量、累積流量和能量流量，并且應能顯示前1h、前1天及當天的累積流量。

5）流量計算機配有安全系統，以控制進入其內部通道，避免人為對采集的數據、計算標準、校準系數等參數進行越權修改。同時，應防止計算機病毒的侵入。可建立用戶并能定義用戶權限，登錄一定時間后可自動退出，降為最低的查看權限。

6）流量計算機能提供3個標準的RS-485和一個RS-232接口，其輸出應符合標準MODBUS-RTU通信協議，至少提供兩個以太網口。采用以太網組網方式連接線路上的計算機系統，其中一個以太網口用于和站控PLC通信，實現流量計算機計量數據上傳和組分時鐘信號下載同步。另一個以太網口將構筑流量計遠程管理網絡，采集流量計報警等數據，通過用戶安裝在服務器上的軟件進行數據收集，以便延長標定。

7）通過通訊口流量計算機可以和分析儀直接進行通訊，接收組分信息。另外通過模擬量板卡可自動采集流量計讀數、溫度、壓力變送器傳來的補償用測量值。這些測量值可以是標準模擬信號（4～20mADC）或脈沖信號。總之流量計算機具備獨立完成所有與流量計量有關的數據采集和計算的能力。

8）流量計算機的輸入、輸出的信號通道包括：

①模擬輸入：4路，標準4～20mADC，并支持HART協議。

②頻率輸入：4路，頻率符合所選流量計的標準。

③開關量輸入：2路。

④模擬輸出：2路，標準4～20mADC，并支持HART協議。

⑤開關量輸出：4路（繼電器輸出）。

⑥通信接口：1路，RS-232接口。

⑦通信接口：3路，RS-485接口。

⑧通信接口：2路，以太網口（ETHERNET）。

2 計量橇裝系統的特點

1）保證計量精度，避免貿易計量糾紛

一個貿易交接的計量場站，最核心的部分就是貿易交接計量部分。計量的精確與否涉及到各方的利益，容易引起計量糾紛。

如果是各種單臺設備組成的貿易交接計量，安裝不當，放空或排污閥的泄漏，法蘭連接等的滲漏，關斷閥的不嚴密，溫度壓力流量等儀表的調試不準確等情況都會影響到整個系統的計量精度，而且很難判斷是什么原因引起的，不好確定是哪個廠家產品的責任。計量橇座出廠前工廠會對整個系統作嚴格測試，保證整個計量系統而不僅僅是單臺儀表的精度，所有管路、渦流和其它影響總體精度的因素都在橇座設計中得到了仔細評估。一體化的設計和嚴格的整體測試有效地避免了貿易糾紛。

2）簡化采購流程，有效縮短施工、調試及投運時間

傳統的分散的計量設備需要用戶逐項分批訂貨、催款、組織安裝、調試、驗收、投產，要花費用戶很多的精力和時間。采用計量橇裝系統可以合理安排工程進度，在工廠就對橇中的所有儀表都經過嚴格測試，并對整個系統進行聯合調試，出具整體測試報告。另外，橇座的各種儀表接線已在工廠中完成，在現場只需將外接電纜接入橇座配帶接線箱即可。橇座運到現場后，與管道對接后就可以開車投產，大大縮短了項目安裝調試工期。

3）方便用戶進行項目管理

計量橇裝系統供應商是單一責任人，提供一體化的設計、施工、維護，方便用戶進行項目管理。業主只需和計量橇座供應商聯絡即可解決所有相關計量的問題，簡化溝通程序。系統廠商可根據要求隨橇裝設備提交所有的設計文件和測試報告，使整個計量文件保持完整有效，便于以后隨時查閱和進行項目管理。

4）布置美觀，結構合理，節約占地面積30%以上

專業的計量橇裝系統廠家具有豐富的工程經驗，整體的設計和施工使計量系統更加緊湊，布局更合理美觀，并且能夠節約占地面積30%以上。

5）整體投資高于傳統的流量計量方式

根據以往的工程經驗，在選用相同的設備材料情況下，橇裝系統的費用比傳統的做法高出30%左右。

這主要是因為：一是有整體的底座和各種支撐等要比非橇裝增加些成本；二是計量橇裝系統的設計、工程費；三是對單體和整個橇座進行的各種測試等（無損探傷和整體的密封性試驗等）。

3 計量橇裝系統的標定

計量橇裝系統的標定，目前最為常用的標定方式有兩種，即大體積管（雙向球）標定法、小體積管標定法。兩個標定方式根據其工作原理及設計結構的特點，各有優缺點，具體如下：

3.1 大體積管（雙向球）

1）優點：

①高度的可靠性，操作簡便。

②可用于檢定低脈沖分辨率的流量計，只要求流量計在檢測開關之間流量計輸出10000個脈沖。

③在一個流量點上檢定次數少。

④對被檢液體中固體微粒反應不敏感。

⑤維護費用低；重復性好，優于0.02%。

⑥使用四個檢測開關，可以減少檢定次數。

2）缺點：

①大體積管的標定球非常龐大且笨重，占地面積大,安裝復雜、昂貴。

②單向型附有液壓系統。

③大體積管由于采用機械式位置開關，精度受到影響。

④位置開關對震動敏感。

⑤四通換向閥故障率高。

3.2 小體積管

1）優點：

①占地面積小。

②檢定時間短，一次運行中最短檢定時間0.5s。

③計量缸采用無電鍍鎳，抗蝕能力強。

④小體積管無需使用復雜的4方向閥（這是大體積管的關鍵部件）。

⑤小體積管沒有大體積管必須的標定球發射腔、接收腔和直管段結構。

⑥小體積管的壓損低于大體積管。

⑦大體積管需要計算溫度和壓力造成的管道變形影響。

⑧小體積管日常維護簡單。

⑨大體積管的物理尺寸和重量遠大于小體積管。

2）缺點：

①標準體積小，（現有的產品中最大的標準容積為300升）不適用檢定低脈沖分辨率的流量計。

②檢定運行次數多，這樣就抵消了檢定時間短的優點，按美國產品樣本介紹，對一個流量點通常要檢定15次。

③滑動密封處的密封件與運動件的相對速度達1.5m/s，因此密封件易損，更換困難。

④對被檢液體中的固體微粒反應敏感，容易造成計量缸中活塞密封件的損壞。

⑤維修費用高。

⑥采用脈沖插入法，會導致重復性降低。

⑦采用脈沖插入法時，必須要知道流量計輸出脈沖周期的標準偏差бt，按國標GB/T17286.3的規定，在一次檢定中采集的脈沖數N，按下式求得N=500(бt)2根據N和流量計系數K，確定標準容積，бt應由流量計生產廠結出。但流量計生產廠通常給不出，這樣就給小體積規格的確定帶來了困難。

4 結論

通過上述分析，計量橇裝系統與傳統的計量方式，在計量精度、項目管理及保證施工階段均具有明顯的優勢，也是未來發展的趨勢，如建設初期資金允許的情況下建議采用計量系統橇裝的方式。大體積管（雙向球）及小體積管的標定方式各有優缺點，如海上平臺等現場安裝空間有限的情況建議采用小體積管標定方式；如安裝空間沒有限制，可根據業主的使用習慣和要求選用所需的標定方式。

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