液態烴原級標準裝置及量傳溯源技術

高軍

大慶油田工程有限公司

隨著現代流量測量技術的發展，新型流量測量儀表（如渦輪流量計、質量流量計、超聲流量計）在液態烴流量測量領域得到廣泛應用，流量計的測量能力、適應能力得到大幅提高，拓寬了流量計的流量范圍、黏度范圍、溫度范圍。同時，流量計自診斷技術、小信號切除技術、多方式信號傳輸技術為流量計的測量準確性和可靠性提供了保障，也為流量計的在線核查、遠程診斷提供了技術支持。

1 液態烴流量量傳溯源體系

1.1 質量容積法組合系統

由“質量+容積”法組合系統構成液態烴流量原級標準裝置，其中：質量法油流量裝置由電子秤及高黏度換向器組成，質量流量測量不確定度優于0.03%，最大流量為120 t/h；容積法大流量閉式循環系統由單向體積管組成，體積流量測量不確定度優于0.05%，最大流量為1 000 m3/h，循環介質約18 m3。

通過比對組件，將質量法油流量標準裝置、容積法體積管標準裝置復現的量值溯源到國家基準。液態烴流量量傳溯源如圖1所示。

質量法流量標準以電子秤作為標準器，容積法流量標準采用體積管、標準量器作為標準器，總的測量不確定度為質量、體積量的不確定度的合成[1]。

圖1 液態烴流量量傳溯源Fig.1 Liquid hydrocarbon flow quantity traceability

質量法可以直接或間接傳遞到工作流量計，容積法體積管標準裝置可以直接傳遞到工作流量計或交接計量所依據的國家檢定規程和技術標準，對液態烴流量計選型、安裝、運行及檢定等方面給出了技術要求[2]。“質量+容積”法量傳溯源體系如圖2所示。

圖2 “質量＋容積”法量傳溯源體系Fig.2 Quantity traceability system of"mass and volume"

1.2 液態烴流量標準裝置工藝流程

環道式系統主要用于較大口徑流量儀表檢定，采用體積管法、標準流量計法兩種傳遞方式[3]。流量標準裝置采用1臺體積管，裝置擴展不確定度優于0.04%，流量為20～1 000 m3/h。根據閃點、黏溫曲線，選用黏度分別為3、15、60 mm2/s 的白油作為檢定介質。白油凝點低，不需要加熱，閃點高，防爆等級低，不含蠟，適合作為長期使用的檢定介質。白油分別儲存在3座臥式儲油罐中。設置2臺500 m3/h 立式管道泵，1 臺120 m3/h 立式管道泵，電動機均采用變頻器控制。

工藝流程為：流量計安裝后，在測試管路中首先開始充液體、排空氣體；環道流量裝置充液完畢后，啟動穩壓緩沖器對整個裝置進行增壓；當增壓至預設壓力后，環道裝置與外部連接閥門全部關閉，啟動管道泵，裝置形成“閉環運行系統”；比較流量計示值與體積管的容積值，就可確定被檢流量計的誤差或流量計系數[4]。液態烴流量標準裝置技術參數見表1，其工藝流程見圖3。

表1 液態烴流量標準裝置技術參數Tab.1 Technical parameters of liquid hydrocarbon flow standard unit

圖3 液態烴流量標準裝置工藝流程Fig.3 Process flow of liquid hydrocarbon flow standard unit

2 關鍵模塊及其功能

利用若干關鍵技術和模塊實現液態烴流量量傳溯源。

2.1 高黏度換向器

換向器采用伺服電動機驅動單向旋轉式結構，試驗介質為硅油，測試黏度為35 mm2/s。換向器通過編碼器調整落水點，方便快捷，流速穩定不外濺，換向行程時間差可達到5 ms。

2.2 溫度測量與控制

超聲測溫裝置利用超聲波的傳播速度與介質溫度之間的函數關系間接測量介質溫度，可實現溫度的快速測量。經評定超聲波溫度測量系統擴展不確定度U為0.07%（k=2）。溫度控制系統設計冷熱水機組1 套，另設板式換熱器1 臺，通過調節換熱器中制冷液的流量控制管路的溫度，溫度波動控制在±0.1 ℃/min以內。溫度測量與控制如圖4所示。

2.3 流量自動調節控制系統

圖4 溫度測量與控制Fig.4 Temperature measurement and control

流量量值復現需要盡可能地穩定流量，合理選擇泵組。配備相應的調頻電動機系統及采用泵吸入口液位高度控制等方法，可消除或減小由于泵的轉動不均勻性及高低頻壓力波動的影響導致的流量波動。變頻穩壓系統提高了流量穩定性，流量采集、調節及控制調節閥開度可大幅縮短流量調節時間。壓力閉環控制累計時間的穩定性明顯優于轉速開環的流量穩定性，穩定性為0.09%。流量自動調節控制如圖5所示。

2.4 高準確度電子秤

小流量測量時，電子秤處于測量下限范圍，需要加載規定數量的砝碼，保證電子秤處于合理量程。基于砝碼自動加載系統，使標準裝置始終處于最佳稱量質量范圍。標準裝置稱量技術工藝控制如圖6所示，電子秤技術參數見表2。

表2 電子秤技術參數Tab.2 Technical parameters of electronic scale

圖5 流量自動調節控制Fig.5 Flow automatic regulating and control

圖6 標準裝置稱量技術工藝控制Fig.6 Process control of standard equipment weighing technology

2.5 計時器

流量是質量（容量）與時間的導出量值，時間測量準確性對測量結果有著直接影響。裝置采用高準確度計時器作為時間測量儀器，測量誤差優于0.000 1%，相對測量不確定度優于0.000 5%。

2.6 體積管

容積法流量標準裝置選用2套體積管作標準裝置。1 套是智能活塞式體積管（表3），最大流量為200 m3/h，重復性優于0.02%，采用4 個檢測開關形式，其標準容積可通過光學方法溯源至長度計量標準[3]；另1 套是單向體積管，最大流量為1 000 m3/h。

表3 智能活塞式體積管技術參數Tab.3 Technical parameters of intelligent piston volume tube

2.7 密度測量單元

容積法配套的密度測量裝置選用2套高準確度密度計。1 套為CDM100P 振動管密度計（表4）；另1 套為DMA5000M 密度測量儀（表5），測量準確度優于0.05 kg/m3。密度測量儀具備熱平衡功能，能夠實現在設定溫度下測量介質密度，避免了傳統測量方法中由于溫度變化而導致的密度變化。通過對烴類壓縮性的正，可以復現在操作壓力下的實際密度值[5]。

表4 CDM100P振動管密度計技術參數Tab.4 Technical parameters of CDM100P vibration tube densitometer

表5 DMA5000M密度測量儀技術參數Tab.5 Technical parameters of CDM100P DMA5000M density measuring instrument

2.8 流量比對組件

2.8.1 要求

（1）流量范圍大，黏度范圍寬，輸出脈沖量大。

（2）2臺流量計測量原理不同。

（3）適用于液態烴計量，長期運行穩定可靠。

（4）能提供明確的關鍵比對數據，另1臺流量計能提供驗證。

（5）采用流場依賴性較大的流量計，評價裝置的流動特性。

（6）流量范圍能夠適應參與裝置的測量能力。

（7）選擇較小口徑的流量儀表，方便運輸與保管。

綜上所述，選擇DN80 mm 渦輪流量計和DN80 mm 雙轉子流量計串聯作為雙表比對組件。雙表比對組件技術參數見表6。

表6 雙表比對組件技術參數Tab.6 Technical parameters of double-meters comparison component

圖7 雙表比對組件配置Fig.7 Deployment of double-meters comparison component

2.8.2 結構

考慮到渦輪流量計整流器的安裝要求，組件上游依次設置整流器、前直管段、渦輪流量傳感器及后直管段。前直管段長度按10D設計，后直管段長度按5D設計，并在后直管段安裝溫度傳感器[6]（圖7）。

2.8.3 黏度試驗評價

對流量計做不同黏度試驗，容積流量計對黏度變化具有較好的適應性，在試驗條件下的黏度影響為0.02%，而渦輪流量計為0.04%。

3 液態烴流量量傳系統

3.1 液態烴流量計量系統配置要求

液態烴流量計量系統配置1套單向體積管，用于直接檢定工作流量計，也可以用標準流量計檢定工作流量計。采用渦輪流量計作為標準流量計，設置2 條檢定回路，1 路8 in（1 in=25.4 mm）管道可檢定DN300 mm、DN250 mm和DN200 mm口徑流量計；另1 路4 in 管道可檢定DN150 mm、DN100 mm和DN80 mm口徑流量計。采用1臺8聲道DN200 mm超聲流量計作為核查標準，對整套裝置的計量穩定性進行核查。液態烴流量計量系統配置要求見表7。

表7 液態烴流量計量系統配置要求Tab.7 Configuration requirements of liquid hydrocarbon flow measurement system

3.2 液態烴流量儀表檢定

液態烴流量檢定系統可以對容積式流量計、渦輪流量計、質量流量計以及超聲流量計進行檢定。質量流量計口徑超過DN150 mm，其他類型流量計口徑超過DN300 mm，都屬大口徑、大流量計量檢定[7]。容積式流量計、渦輪流量計和超聲流量計最大可檢口徑為DN400 mm～DN500 mm，液體超聲流量計最大流量接近8 000 m3/h，壓力最大可達10 MPa，基本覆蓋了現有類型的流量計種類和常用流量范圍。容積式流量計的計量能力取決于其流量范圍和允許的壓力損失，流量計進、出口的連接尺寸不一定表示流通能力[8]。渦輪流量計對黏度很敏感，而液態烴的黏度隨溫度變化較明顯，特別是相對密度高的液體。質量流量計受制于安裝條件，如管線振動、多臺傳感器串擾、脈動流、機械應力等因素的影響[9]。液體超聲流量計流量脈沖延遲會影響檢定準確度，并可能產生非均勻脈沖輸出，影響超聲流量計的重復性[10]。此外，液態烴流量檢定系統還需要考慮流量標準裝置的標準體積、安裝空間、流量穩定性控制、流量計前后直管段長度等因素（表8）。

3.3 試驗測試

利用液態烴流量標準裝置及其環道測試系統開展測量介質對流量量值的影響研究。通過對介質溫度、黏度、壓力以及流動狀態的理論研究與實驗驗證，初步試驗測試結果與理論研究基本一致：

（1）溫度對黏度、密度有影響。

（2）流量計系數隨溫度升高發生較大的偏移。

（3）黏度差異對容積流量計影響相對較小。

（4）壓力影響可忽略不計。

（5）流場狀態對測量結果有著較大的影響，在低雷諾數Re條件下，測量偏差明顯。

表8 液態烴流量檢定系統Tab.8 Liquid hydrocarbon flow verification system

4 結論

“質量+容積”法組合系統構成的液態烴流量原級標準裝置，吸納了國外同類型液態烴流量標準裝置的優點，建立了適合我國液態烴流量量傳溯源體系的高準確度流量標準裝置；通過標準表把原級標準裝置與現場流量計聯系起來，構建了完整的量傳溯源系統。該裝置采用閉式環道工藝，比選采用三種不同黏度的白油作為檢定介質，模擬現場操作條件檢定各種流量計。研發高黏度液體換向器、穩定測控單元、流量測控單元、質量密度測量單元等關鍵技術和功能模塊作為技術支撐，實現了液態烴流量從現場流量計到國家質量、容量基標準的完整溯源鏈。