固定式標準體積管在線檢定貿易交接用刮板流量計

靳廣偉

（中國石油工程建設有限公司，北京 100120）

0 引言

圖1 外輸交接計量系統流程圖Fig.1 Flow chart of the external transmission and transfer metering system

準確性、一致性、法制性是對交接計量的基本要求，掌握準確的原油外輸量才能夠進行準確的經濟核算和生產控制。為滿足計量準確度要求，計量系統中流量計的周期性檢定不可缺少。對流量計的檢定，按檢定方式有離線檢定和在線檢定[1]。離線檢定需要將被檢流量計從工藝管線上拆下來，送到指定計量檢定站做檢定。在線檢定用標準計量器具在現場對被檢流量計進行檢定，不需要從工藝管線上拆下流量計，實流檢定減少了檢定誤差。標準計量器具可分為固定式體積管、車載式體積管、固定式水標罐和車載式水標罐。固定式體積管配套固定式水標罐是當前發展趨勢。固定式體積管在線檢定流量計時，將正常外輸工藝流程在線切換到檢定工藝流程，將標準體積管串聯到流量計的輸油管道中，這種方法操作簡便安全，屬于密閉式的流量計檢定系統。在配套有固定體積管和水標罐的外輸交接計量系統中，體積管用來標定外輸流量計準確性和重復性，水標橇用來標定雙向體積管的準確性。為了達到計量和標定本身應有作用，實現計量系統準確計量，提高雙向體積管的可用性，需要根據項目工藝條件對其進行合理設計和正確運用。在API MPMS Chapter 5.4 提供了合適設備選型的指導方法[2]。此項目外輸計量流量計采用刮板流量，屬于容積式流量計（Positive Displacement Flowmeter），在管輸原油計量中應用廣泛。容積式流量計測量的是流過流量計流體體積，測量準確度較高，一般用于準確度要求高的流量測量，刮板式流量計工作有方向性，反向流動會損壞內部器件。安裝時，包括上游的消氣過濾器，都應按照外殼上流體箭頭方向安裝。為避免流體倒流損壞流量計，可以考慮安裝單向閥。

1 外輸交接計量系統工藝條件和組成

項目原油從采油井集輸到中心處理站，在中心處理站進行脫水、脫氣、脫鹽處理，經過外輸交接計量橇計量，送往下游用戶。交接計量橇工藝條件：設計壓力9.5Mpag，設計溫度85℃，工況壓力7.7Mpag，工況溫度55℃～72℃，體積流量200 m3/h～550 m3/h，原油粘度50 CP～100 CP，計量橇的壓損小于300 kPa。流量計指標要求，線性度優于±0.15%，重復性優于0.02%，精度達到±0.2%的測量數值。

采用的外輸交接計量系統由流量計撬、體積管撬（球式雙向體積管）、水標定撬組成。流量計撬包括：出入口閥門、消氣過濾器、流量整流器、流量計、溫度變送器、壓力變送器及相關管件等設備；體積管撬包括：出入口閥門、收發球筒、四通閥、溫度變送器、壓力變送器、檢測開關等相關輔助設備；水標定撬包括：二等金屬量器、氣動換向器、水泵、不銹鋼水箱、檢定控制箱、閥門、連接管及附件等。在流量計橇上游配套有密度分析儀和手/自動采樣橇，實現原油實時密度監測和自動分時采取典型油樣。交接計量系統檢定量值的傳遞關系為：水標定罐（二等標準金屬量器 0.025%）→雙向體積管（0.05%）→刮板流量計（0.20%）。

流量計橇有兩條計量回路，一用一備，分別采用DN250 口徑刮板流量計，計量管路為DN300 口徑，最大流量550m3/h。每條計量管線的下游安裝有流量調節閥，用于調節計量流量；在雙向體積管橇座的出口安裝有流量調節閥，用于調節檢定流量，進行計量橇的全量程檢定。為了保證計量及檢定過程中溫度的恒定，管路做了保溫。流量計橇核心設備刮板流量計采用FMC Smith LJB10-S7，此刮板流量計具有±0.15%的精度和±0.02%的重復性，測量范圍74m3/h～740m3/h。流量計算機采用FloBoss S600+流量計算機。PLC 控制系統實現流程切換和調節閥的控制，完成系統檢定控制和正常生產計量監控。

2 球式雙向體積管橇

體積管是檢定累計式流量計的標準裝置，被檢定的流量計與體積管串聯，用已知體積的體積管來標定流量計的精度。此項目采用了美國FMC Simith 球式雙向體積管，由收發球筒、基準管段、檢測開關、檢定球、四通換向閥和控制系統組成。雙向體積管具有可靠性高、操作簡便、重復性好，在一個流量點上檢定次數少的優點，能夠實現流量計在密閉實液情況下檢定。雙向體積管的設計選型按照API 標準，下面是對體積管標準管段的直徑、檢測開關之間（標準段）長度和標準體積量的計算。

2.1 雙向體積管標準段直徑的確定

為防止標定球在體積管中，因速度過高發生水擊現象，標準體積管規定了標定球在雙向體積管中的最大流速要低于3 m/s。根據API MPMS Chapter 4，Section 2 規定，按照操作人員和設計人員經驗，10 ft/s 是單向體積管的典型設計速度，而雙向體積管置換器運行速度≤5ft/s[3]，即1.5m/s。

根據FMC SMITH 計算公式：

該雙向體積管最大設計流量為550m3/h，即4757 桶/h，則：

I.D.(in)=16”

故SMITH 選擇標準段直徑為16”，在最大流量時置換器速度為1.2m/s。

2.2 檢測開關之間（標準段）長度

檢測開關之間長度即標準段，由檢測開關的分辨率和標準體積量決定。檢測開關分辨率為rd，則計量球來回運行一次可能產生的最大誤差為4rd：（L+2rd）-（L-4rd）=4rd，對于0.02%的重復性要求：L=4rd/0.0002=20000rd，SMITH 檢測開關rd=1/64"，L=20000×1/64"=312.5"=7.94m，則檢測開關之間（標準段）長度應大于7.94m。

2.3 標準體積量的確定

根據API MPMS Chapter 4，Section 2，雙向體積管單向行程至少使流量計產生10000 個以上脈沖[3]。脈沖計數器的不確定度為±1 個脈沖，為保證體積管單向行程計數器誤差為0.02%，則脈沖計數器在此行程中至少應收集10000個脈沖，刮板流量計K 系數為10 個脈沖/m3，則體積管標準段體積應大于1000 L。則體積管標準段體積應大于πr2L=3.14×0.22×7.94 ≈997 升，從方便水標定及配備標準罐考慮，故選擇體積管檢測開關之間標準體積為2m3。

3 水標定橇座

按照體積管標準體積2m3的容積，項目選用2 個500 L的標準罐。水標定橇座串聯安裝在雙向體積管的下游，利用清水作為工作介質，通過檢定水泵提供水循環，將體積管標準容積段的清潔水置換到標準金屬量器內，通過溫度和壓力修正，以確定體積管的標準容積，評定出體積管的重復性和準確性。

4 對計量橇的標定

在首次使用體積管對流量計進行標定時，需要先完成體積管的水標定工作。體積管水標定前檢查標定球的外觀有無缺陷，利用專用工具對標定球充液。按照API MPMS Chapter 4，Section 9，Part 2 規定，充液后標定球的外周長應大于標準體積管標準管段內尺寸的2%～5%，目的是為了減少標定過程水或工藝介質從標定球邊緣泄漏，另外略大的尺寸可以補償標準段內部的不規則，比如管線內部圓度不夠，內涂層缺陷或在彎頭或者反向動作時軸線偏差，但不能造成過大摩擦或壓降[4]。在JJG 209-2010《體積管檢定規程》中規定“由充液后直徑比體積管標準容積段的內徑大2%～4%的球在其運行時，與管壁有良好的密封性”[6]。記錄好標定球充液后的直徑、重量等原始數據，然后將充液后的標定球放入體積管內。啟動水標橇的水泵向體積管內充水，通過操作四通閥使標定球在體積管內來回運行幾次，以使整個水循環系統的溫度趨于平衡。此間，分別測量體積管進出口、標準容器出口的水溫，當確認各測量點的溫度誤差在1℃以內達到穩定時，即可按程序進行體積管的水標定工作。至少連續6 次水標罐對體積管的標定，若重復性在0.02%以內就可結束標定。否則需要連續標定，直到連續多次標定數據計算結果都滿足要求為止。項目實際標定結果計算重復性為0.016%，滿足0.02%要求。

對流量計橇標定過程是通過流量計的實際讀數值與體積管的標準容積值的比較來完成。通過標定可知道流量計的精度，通過比較已知的體積管的標準容積與流量計的讀數做比值，可以得到修正系數（MF），這個系數用來做實際計量的修正。

體積管標定流量計時，需將體積管四通閥倒換到前后直通的位置，這樣能使初次進入體積管的原油不經過體積管的標準段，而直接從四通閥流出，避免管線內雜質進入體積管，損壞計量球或體積管內涂層。在切換流程后，讓體積管空運行15min，再切換四通閥至正常位置，這時就可以通過體積管標定控制系統進行流量計的檢定工作。從流量計來的外輸原油經過體積管入口閥門進入，通過體積管計量段后，從體積管出口流出。觸發檢測開關開始脈沖計數是體積管標定的開始，當觸發檢測開關結束脈沖計數，是標定過程的結束，整個標定過程完全由體積管的控制系統控制。遵照API MPMS Chapter 4，Section 8 規定，選定了138m3/h、244m3/h、350m3/h、455m3/h、550m3/h 5 個流量點進行多次檢定后，得到標定結果。依據檢定結果，確定流量計精度在0.15%以內，重復性在0.013%以內，線性度在0.15%以內，滿足項目要求。

5 流量檢定出現的一些問題和經驗總結

在實際使用過程中，常會出現重復性差的問題，困惑了不少現場工程師。經過現場觀察和總結，發現流量計和體積管內有氣體，系統的壓力、溫度、流量不穩定，四通閥轉換密封不合適，計量球的圓度和尺寸等情況都會造成系統的重復性差。解決方法有：如果流量計和體積管內有氣體，需要泄放體積管和流量計內部的空氣，有必要的話，操作四通閥換向以排除四通閥殘留的氣體。在計量球運行時，打開放氣閥門釋放氣體，運行體積管一段時間，使氣體從高端充分排盡。如果系統的壓力、溫度、流量不穩定，也會造成重復性差，這就需要保證系統條件（溫度、壓力、流量）穩定，如果不穩定，就不要進行檢定。在標定開始檢測開關被第一次觸發前，四通閥必須已經處于密封狀態。如果在標定期間四通閥密封不好，本次的標定數據需作廢，四通閥必須在狀態良好時才能繼續進行流量標定。計量球尺寸過大或小，取出計量球，檢查計量球的圓度和尺寸，根據需要對計量球進行充壓或泄壓，如果損壞則需要更換。在多數情況下，重復性不好是由于體積管內或流量計管線內有氣體，如果重復性不能滿足要求，首先必須做的是排除體積管及系統內的氣體。

6 結論

貿易交接計量系統合理的設計選型和可靠易于實施的系統檢定，是整套裝置運行穩定，避免操作人員頻繁干預，實現準確計量的關鍵。項目采用的一用一備計量回路方式，也使得檢定不影響正常外輸生產，提高了檢定系統的可用性和可靠性。結合后期調試經驗，提高了檢定的準確度和重復性，同時也實現了原油外輸計量的較高準確性。