淺談刮板流量計在線檢定中的誤差分析

索杏蘭， 鄧玉發， 時攀峰

(1. 中國石油化工股份有限公司西北油田分公司，新疆烏魯木齊830011； 2. 中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司，新疆庫爾勒841000； 3. 中國石油化工股份有限公司中原油田，河南濮陽457001)

容積式刮板流量計受計量介質物性、流態的影響較小，具有計量準確度高、運轉平穩、噪音低、使用壽命長、黏度適應性強等優點，易實現就地指示和遠傳，從而廣泛地應用于石油及其液體產品的貿易動態計量中[1]。原油貿易交接的準確性，直接影響著企業的經濟效益，用標準體積管直接進行流量計的在線檢定，既方便了刮板流量計的檢定，又不影響原油的收、銷貿易交接計量，避免了流量計在拆卸、安裝、運輸過程中所造成的破壞。在減輕崗位操作人員勞動強度的同時，有力地保障了計量交接的準確性，使企業實現經濟效益最大化。

1 刮板流量計的結構及工作原理

1.1 現場設備配備情況

某原油貿易計量站位于長輸管道的終端，收銷的重質原油是典型的“三高原油”，即黏度高、密度高、膠質瀝青含量高。計量站配備了4臺LH8-S3型0.2級刮板流量計，檢定裝置配套為固定式雙向球型標準體積管。根據JJG 667—2010《液體容積式流量計檢定規程》的規定，對于準確度等級不低于0.5級的流量計，檢定周期為0.5 a，其他為1 a。

1.2 結構及工作原理

刮板流量計由轉子、凸輪、凸輪軸、刮板、連桿、滾柱、蓋板、殼體、齒輪組、器差調整器和表頭等組成。在精密加工的刮板流量計殼體內，轉子帶著刮板轉動。原油流過刮板流量計時，刮板沿著固定的凸輪軌跡向轉子外伸出或縮回，從而推動轉子和刮板沿轉子軸旋轉。刮板連續不斷地運動，在2個刮板、轉子、內殼體和上蓋間形成了1個精確容積的計量腔。對于具有2對刮板的刮板流量計，轉子每轉1圈會形成4個封閉的計量腔(3對刮板的刮板流量計轉子每轉1圈形成6個封閉的計量腔)。轉子和刮板在轉動運行過程中，不與內殼體或上蓋接觸，而是通過齒輪組將轉動的次數輸送到表頭，表頭的計數器根據齒輪組與體積的換算再將轉動的次數轉換為實際測量的體積，從而達到對原油進行計量的目的。

2 刮板流量計在線檢定

2.1 檢定原理

固定式雙向球型標準體積管的置換器是彈性球，它是通過1臺四通閥內隔板的位置來改變體積管液體的流向，而體積管進出的液體流向保持不變。當流體穩定地流經被檢刮板流量計和體積管時，正向行程由位移器經過第1只檢測開關時觸動刮板流量計脈沖計數器開始計數；當位移器經過第2只檢測開關時，停止刮板流量計脈沖計數器計數。反向行程由位移器經過第2只檢測開關時觸動刮板流量計脈沖計數器開始計數；當位移器經過第1只檢測開關時，停止刮板流量計脈沖計數器計數。位移器從2只檢測開關之間的正反計量段所置換出來的流體體積，與刮板流量計的視值相比較，進而可以確定被檢刮板流量計的視值誤差[2]。刮板流量計檢定示意如圖1所示。

圖1 刮板流量計檢定示意

2.2 檢定數據處理

依據JJG 667—2010《液體容積式流量計檢定規程》7.3.4.2 款規定“除7.3.4.1款中規定的情況外，刮板流量計檢定點不少于3個，均勻分布，其中含最小流量和最大流量”的要求，被檢刮板流量計至少應在最大流量、常用流量、最小流量3個點進行檢定，每點重復檢定不少于3次，若出現粗差，可以剔除[2]。檢定時，準確地取全刮板流量計和標準體積管的溫度、壓力數據，以及刮板流量計的脈沖數。

刮板流量計系數MF的計算公式為

(1)

式中：Vs——標準裝置讀出的容積，L；Cpsp——標準體積管基準管段殼壁的壓力修正系數；Ctsp——標準體積管基準管段殼壁的溫度修正系數；Ctlp——標準體積管基準管段中撿定液體的溫度修正系數；Cplp——標準體積管基準管段中檢定液體的壓力修正系數；N——在工作溫度、壓力下對單向標準體積管1個行程或雙向標準體積管上、下行程刮板流量計發出的脈沖數；K——刮板流量計的儀表系數，即刮板流量計的脈沖發生器在工作條件下發生的每個脈沖所代表的容積值。

3 影響刮板流量計在線檢定的因素

通過分析檢定過程及刮板流量計系數的計算公式，歸納出檢定過程中導致計量誤差的影響因素包括： 工藝閥門密封性的影響、脈沖計數的影響、工藝參數的影響、刮板流量計自身特性的影響。

3.1 工藝閥門密封性的影響

為了實現刮板流量計的在線檢定，在工藝流程上設計了刮板流量計檢定流程，檢定流程與生產流程的切換通過閥門完成。由于在線檢定過程中無法給工藝流程閥門加盲板，閥門如有泄漏也無從所知。四通閥是雙向球型標準體積管的重要部件，用于控制流體的方向，并且可使體積管進、出口的液體完全隔離，通過四通閥的換向實現刮板流量計的雙向檢定，因此工藝流程上各閥門和四通閥的密封性將直接影響到刮板流量計檢定的可靠性和計量設備的安全性。而實際操作過程中，往往忽略了這些影響，特別是閥門的泄漏問題，通常都是按照閥門無泄漏直接開展檢定工作，并沒有進行相關的檢查和試驗。

3.2 脈沖計數的影響

當位移器經過檢測開關時觸動刮板流量計脈沖計數器計數，發射的脈沖是有寬度的，計數方式為上升沿或下降沿觸發，實際計數中可能會丟失不完整的脈沖，取其極限，相當于丟失1個脈沖，脈沖計數的準確性直接影響檢定結果的準確性。

3.3 工藝參數的影響

由式(1)的分解可知[2]，工藝參數對MF值的影響是多方面的。

(2)

式中：D——標準體積管基準管段的內徑，mm；Es——標準體積管基準管段材質的彈性模量，Pa；e——標準體積管基準管段的壁厚，mm；ps——標準體積管的工作壓力(表壓)，Pa。

Ctsp=(ts-20)βs

(3)

式中：ts——標準體積管的工作溫度，℃；βs——標準體積管的溫度體膨脹系數，℃-1。

Cptp=(pm-ps)κ

(4)

式中：pm——刮板流量計的工作壓力(表壓)，kPa；κ——檢定液體壓縮系數，Pa-1。

Ctlp=(tm-ts)β

(5)

式中：tm——刮板流量計的工作溫度，℃；β——檢定液體的膨脹系數，℃-1。

由式(2)～式(5)可以看出，修正系數與溫度、壓力、體積管材質、標準體積管內徑等參數有著密切的關系，其值準確與否也直接影響到刮板流量計檢定結果的可靠程度。

3.3.1溫度的影響

溫度在刮板流量計檢定過程中是影響較大的參數之一，溫度的變化會影響一系列參數的變化，如液體黏度、結蠟量、泄漏量的變化，會直接影響刮板流量計計量誤差曲線的改變[3]。當作為一種固有偏差存在時，隨著運行時間的持續，誤差量逐漸累加，其絕對影響量將不可忽視。

1)溫度對原油的黏度有著十分重要的影響。一般來講，油溫升高，油品黏度下降；油溫降低，油品黏度上升。

2)油溫對含蠟油品結蠟的影響。被計量液體本身和計量設備的溫度以及外部環境的溫度對結蠟都有直接影響，當油溫高于刮板流量計殼體或管壁溫度時，產生結蠟現象；而當刮板流量計殼體或管壁溫度高于油溫時，幾乎不結蠟。管壁溫度的高低決定于環境溫度及保溫措施，對于刮板流量計及其配套的標準體積管和其他附屬設備的溫度主要決定于室內溫度。因此，在刮板流量計檢定過程中，決不能忽視刮板流量計間、體積管間的室內溫度控制，在寒冷的冬天尤其重要。

3)溫度對刮板流量計泄漏量的影響[4]。從刮板流量計的工作原理得知，計量腔的容積是當作定值來計算的，而計量腔是活動腔體，其密封由可活動的刮板與殼體的無縫接觸來實現，由于加工精度的限制，以及刮板轉動所必須的間隙，決定了刮板與殼體之間不同黏度的液體將有不同程度的泄漏，泄漏量的大小與原油的流量、溫度、黏度、壓力有密切的關系，影響最顯著的是溫度和黏度。當溫度越高時，黏度越小，泄漏量就越大；當溫度越低時，黏度越大，泄漏量就會越小。正常情況下，泄漏量對刮板流量計準確度的影響是在誤差的允許范圍內。

3.3.2壓力的影響

在實際輸油計量過程中，由于末站原油壓力一般不超過4 MPa，因此壓力對刮板流量計的影響可忽略不計。但是，壓力還影響原油的密度，當壓力升高時，密度會增大。由于原油分子間距較小，內部壓力很大，因而在外部壓力變化時，原油密度變化很小，特別在壓力變化不大時，密度變化很微??；然而在高壓下，當刮板流量計進出口壓力差達到0.304 MPa以上時，其產生的誤差已超過了刮板流量計計量系統誤差的5%，要得到準確的計量結果，就必須考慮壓力對密度的影響[5]。

3.4 刮板流量計自身特性的影響

任何計量設備在長期運行過程中，其性能都將產生一定程度的偏移，特別是可動部件多的情況下。刮板流量計的刮板、凸輪、計數齒輪等，在長期運轉過程中也會產生一定程度的磨損，刮板的磨損除正常運轉的磨損外，當原油中雜質或固體顆粒較多時，磨損更嚴重，最終結果表現在刮板流量計的誤差曲線將發生嚴重漂移。

以某站刮板流量計檢定為例，不同工況下的刮板流量計誤差見表1所列。

表1 不同工況下某站的刮板流量計誤差統計

4 改進措施

4.1 密封性試驗

在刮板流量計進行檢定前，需進行系統密封性和四通閥密封性試驗。

1)系統密封性實驗。即關閉刮板流量計進口閥門、標準體積管出口閥門、刮板流量計進口閥門到標準體積管出口閥門之間所有可能產生泄漏的閥門，對這段密封系統加壓，直到該系統內的壓力比刮板流量計進口閥前的壓力高0.5 MPa，觀測30 min，壓力下降不大于0.15 MPa為密封性合格。

2)四通閥密封性試驗。即操縱控制臺，使四通閥換向，當密封指示燈亮時，打開四通閥上的檢漏針閥，如果原油流出一定量后停流，證明膨脹密封圈密封良好[6]。

4.2 脈沖計數取值

脈沖插入法是以檢定運行期間體積流量穩定為前提的。為保證液體的穩定性，體積管標定球運行期間，體積流量瞬時的波動應小于平均流量的±2%。采用雙計時脈沖插入技術，實現對刮板流量計脈沖信號完整記錄，避免由此給刮板流量計帶來的誤差[7]。雙計時脈沖插入法示意操作原理如圖2所示，插入的脈沖數按式(6)進行計算：

(6)

在檢定運行期間，計數器需收集刮板流量計發出的完整脈沖總數n，并測量2個時間間隔T1和T2，單位為s。

圖2 雙計時脈沖插入法示意

圖2中：T1(Ⅰ)是指第1只檢測開關觸發后刮板流量計發出的第1個脈沖與第2只檢測開關觸發后刮板流量計發出的第1個脈沖之間的時間間隔；T1(Ⅱ)是指第1只檢測開關觸發之前刮板流量計發出的最后1個脈沖與第2只檢測開關觸發之前刮板流量計發出的最后1個脈沖之間的時間間隔；T2為第1只與第2只檢測開關觸發信號之間的時間間隔。

4.3 參數錄取

工藝參數對檢定結果的影響是多方面的，只能力求將其對檢定結果的影響程度盡量降到最低。為此，在檢定工作中，必須做到下面幾點：

1)選擇檢定合格的測溫儀表和測壓儀表，精度等級應符合GB/T 9109.3—2014《石油和液體石油產品動態計量 第3部分： 體積管安裝計數要求》中4.2條中相關要求[8]。

2)檢定前必須預熱恒溫，使刮板流量計進出口溫度、體積管進出溫度恒定，體積管和被檢刮板流量計之間的溫差變化不應超過±0.5 ℃。

3)讀數時，應由兩位檢定人員同時讀取溫度計和壓力表的示值，如若差異，應重新讀數，以保證讀數無誤。讀取溫度、壓力值時，必須保證檢定球在檢測開關之間的基準管段中運行時讀數，此時所讀的溫度、壓力示值，才是體積管標準體積進行溫度、壓力修正時所需的值。

4)在線檢定盡量選擇在原油黏度、密度、溫度、壓力、流量與通常運行時盡量一致的情況下進行，刮板流量計檢定時的液體流量應能覆蓋被檢刮板流量計的檢定流量范圍，以最大限度地減少工藝參數對刮板流量計準確度的影響[9]。

5)體積管露天安裝時，不應在雨雪、高溫天氣下開展檢定工作，避免因油品結蠟或溫場變化導致的計量誤差[10]。

6)刮板流量計檢定后，應及時對刮板流量計本體的器差調整器及體積管觸發器加鉛封，直至下一次檢定前不得解封。

4.4 維護保養

可動部件的磨損是不可避免的，為提高計量的準確性，只能減少磨損的程度。通過定期給刮板流量計加注潤油，定期清洗過濾網等日常維護保養等，以盡可能地保證刮板流量計長期穩定的運行。

5 結束語

刮板流量計檢定計量準確性的影響因素并不僅限于本文所述，比如原油在管壁內的結蠟問題，刮板流量計計數部件的磨損問題等，也將在一定程度上影響原油計量的準確度。在嚴格的檢定程序前提下，應做好維護、保養工作，比如定時巡檢，檢查刮板流量計的工作溫度、壓損、流量大小、運行聲音、定期維護保養等。只有做好細致的現場運行，才可能通過計量手段，提高計量的準確性，降低企業的運行成本，為企業的可持續發展作出貢獻。