成品油管道中液體超聲波流量計的應用及在線標定

       摘    要：超聲波流量計目前多應用于天然氣長輸管道工程中，但在成品油長輸管道貿易交接計量中，國內實際應用 相對較少。本文基于超聲波流量計的基本原理并結合肯尼亞西部成品油管道工程，對超聲波流量計在成品油管道中 的應用及在線標定等相關注意事項進行論述，以期為相關設計工作提供參考。

 引言
       原油及成品油長輸管道在國家經濟中的地位舉足輕 重，計量系統作為長輸管道經濟效益的直接基礎，也就成 為各方關注的重點。油品貿易結算依據分為空氣中的重量 和體積量兩種方式，各有一定的適用范圍。目前，國內以 油品在空氣中的重量作為貿易結算依據[1]，而國際上通常則 是采用體積量進行交接。因此，隨著與國際接軌，近年來 國內成品油交接計量已經開始有從“質量”和“體積”并 存，逐漸向“體積”量交接過渡的趨勢[2]。 渦輪流量計、質量流量計以及傳統的容積式流量計是 目前國內原油、成品油管道常用的流量計形式。液體超聲 波流量計用于原油、成品油的計量還處于起步推廣階段， 國內相關標準尚不健全，同時實際應用也相對較少。隨著 計量方式的轉變，參考國外先進經驗，超聲波流量計用于原油、成品油交接計量具有廣闊的前景。

1  超聲波流量計基本原理
       超聲流量計作為新型的高精度的流量測量儀表，具有 測量范圍寬、精確度高、無可動部件、無壓損、安裝使用 費低、具備自診斷功能等優點。因此，在20世紀末期開始 在天然氣計量領域中被廣泛采用，并逐漸在越來越多的工 程應用中取代傳統的渦輪和孔板流量計。超聲波流量測量 法有多種，依據信號檢測原理的不同可以劃分為：多普勒 效應法、傳播時間法（時差法）、波束偏移法、噪聲法和 互相關法等幾種。其中，多普勒效應法和傳播時間法是目 前超聲波流量計通常采用的方式，以下是對這兩種方法的 論述。

1.1  多普勒效應法

       多普勒型超聲流量計對介質流速的檢測主要是利用相 位差法，其測量原理為：當某一已知頻率的聲波在運動流 體中傳播時，在流體自身運動的影響下，聲波在兩發射器/ 接收器間的頻率和相位會出現一定程度的差異，通過檢測 此差異就可以確定出流體的速度。 采用多普勒效應法的超聲波流量計也有一定的應用局 限性，其對被測介質的要求較高，需要被測介質可以適量 反射超聲波信號，且其中的雜質含量也需要處于相對穩定 的水平。此外，不同廠家生產的流量計由于儀表性能的差 異，對被測介質的要求也不同。

1.2  傳播時間法

       傳播時間法（時差式）超聲波流量計主要是依據超聲 波在流體中順向和逆向傳播的時間差與流體流速存在正比 例關系這一原理進行測量。即某一特定速度的聲波由于流 體流動而在發射器和接收器間的傳播時間出現變化，依據 此相對變化量就可以確定出流體的流速。 時差式超聲波流量計是目前生產好多、應用范圍好廣 泛的，主要用來測量潔凈的液體、氣體和雜質含量不高的 均質流體的流量。在天然氣長輸管道、自來水公司和工業 用水領域，均得到廣泛應用?，F有的工程案例表明，在原 油和成品油交接計量中選用時差式超聲波流量計，大多數 情況下可以獲得滿意的效果。

2  典型配置
       API MPMS 5.8 中給出了液體超聲波流量計上下游管路 的推薦配置，即上游10D，下游5D。實際應用結果表明， 只有合理的上下游管路配置才可以有效地減少流體擾動造 成的影響，確保超聲波流量計的性能被良好地發揮出來。 具體的管路配置如圖1所示，其中的計量支路主要由超 聲波流量計本體、直管段（分前/后直管段）、整流器、補 償用溫度和壓力變送器等幾部分構成。其中，前直管段分 為兩部分，整流器處于這兩部分直管段之間。

2.1  超聲波流量計 
       近年來，隨著超聲波流量計測量技術的不斷發展，德國科?。↘ROHNE)的ALTOSONIC系列、美國Daniel的Model 3804/3814以及CAMERON的Caldon LEFM等多聲道液 體超聲波流量計開始在原油和成品油貿易計量中得到廣泛 應用。目前，用于液體交接計量的超聲波流量計多為三聲 道及以上，且均為時差式超聲波流量計。

2.2  前后直管段 
       參照交接計量用氣體超聲波流量計的安裝要求，為盡 可能減小由于管道和流量計本體內徑差異而導致的液體流 型擾動，進而影響到檢測結果，應該盡可能的控制流量計 本體和上游管道的內徑偏差不超過±1%。同時，直管段應 滿足一定的清潔性要求[3]。而依據計量標準相關規定，節 流裝置的前/后直管段必須是光管，但在很多實際工程應用 中，往往忽視此問題而采用無縫鋼管代替，這就會對計量 結果產生一定程度的影響，且此偏差一般難以得到補償和 消除。因此，建議由流量計廠家配套提供前/后直管段。

2.3  整流盤/多管束整流器 
       雖然與其他儀表相比，多聲道超聲波流量計能夠在一 定程度上容忍更多的流量擾動，但在好的流型下，流量計 會表現的更加穩定、精確。整流盤/多管束整流器可以消除 中等級別以下的渦流，且得到一個滿足速度分布要求的流 型，從而使超聲波流量計檢測結果的精度顯著提高。這點 與氣體超聲波流量計類似。

2.4  相關儀表 
       下游直管段上開孔用于安裝溫度變送器、壓力變送 器。全部的儀器在安裝時，都應該依據如下原則：儀表測 量所得的數值與流量計本體內的數值應保持一致性。壓力 檢測儀表安裝在流量計下游距法蘭端面2D～5D之間，以確 保能準確反應被測介質流經超聲波流量計本體時的壓力和 溫度值。

3  液體超聲波流量計的在線標定
       相對其他傳統的流量計，由于超聲波流量計計量液態 烴發展較晚，國內尚未頒布關于液體超聲波流量計計量液 態烴的專項規范標準，而國際上也缺少此方面的標準。目 前的設計和工程應用主要依據美國石油協會API給出的關技術標準，諸如API MPMS 4.8和5.8。我國此方面的標準 亦不完善，只是在2007年發布了《超聲波流量計的檢定規 程》，其此規程僅屬于一個通用的標準，缺乏明確規定， 且側重于氣體超聲波流量計的檢定，而關于液體超聲波流 量計則沒有過多的涉及。

3.1  存在的問題及難點

       與傳統的容積式流量計（刮板、雙轉子流量計）以及渦 輪流量計根據脈沖當量直接計算不同，超聲波流量計是通過 儀表內部芯片間接測量后對外發出計算脈沖，即超聲波流量 計產生的與流量相關的脈沖頻率是經加工處理后產生的， 經過數據轉換處理后，會導致輸出的信號對流體特性的反 應存在一定的滯后，即輸出的脈沖信號會有一定延遲[4]。 此外，超聲波流量計在工作過程中，其本體內部的各 條聲道上都在進行著高頻率的時間差測量和采集，而在流 體湍流作用影響下，測量過程容易受到流體的不穩定性的 影響。且很小的流量擾動都可能被流量計檢測到，從而使 流量計產生不均勻的脈沖輸出，這種伴隨湍流擾動產生的 不均勻脈沖輸出特性是傳統的流量計所無法體現出來的。

3.2  標定裝置的選擇 
       目前，較為常用的流量計在線標定方式有兩種，即球 式體積管（單向球和雙向球體積管）和活塞式體積管標定 法。兩種標定方式根據其工作原理及設計結構的特點具有 不同的優缺點，具體如表1所示。

 1）球式體積管

       由于超聲波流量計輸出的脈沖信號有一定的延遲現象， 只有采用更大的體積管才能達到理想的檢定效果，單純地 延長檢定時間并不會對流量計的重復性有本質上的改善。 GB / T 9109.3 - 2014中引用了2005年第1版 API MPMS 5.8 中 給出的檢定液體超聲波流量計的體積管的推薦容積值（見 表2），由于球式體積管標準段容積可達15m3，因此實際 應用時可以根據API推薦的容積值對超聲波流量計進行直 接標定。需要說明的是，該容積推薦表在2011年第2版APIMPMS 5.8中被刪除[6]，移至2013年第2版API MPMS 4.8中。 目前，常用的進口球式體積管主要是Daniel和Smith的產 品，而綜合考慮價格及供貨周期，國產開封儀表廠的體積 管也有大量的應用案例。

2）活塞式體積管

       活塞式體積管不能直接用于標定液體超聲波流量計， 主要原因有以下兩點：一是活塞式體積管受生產工藝的 限制，其好大容積（現有的產品中好大的標準容積約為 650L，且此種條件下造價高昂）仍遠小于API的容積推薦 值；二是在標定過程中，這種類型的體積管的活塞運動會 對流量檢測造成擾動。

       但是根據精度傳遞理論，即在流量計使用或檢定期 間，若流量檢測點、介質、流量計使用時的物理特性和對 應的操作過程均保持一致，則流量基準所復現的流量單位 制將會同等精度傳遞給工作流量計。因此，為了解決標定 中遇到的體積管所需容積過大的問題，可以通過應用“活 塞式體積管+標準流量計”的方法來解決。其對應的檢定流程如下：

       （1）先利用活塞式體積管對做為中間量值傳遞的標準 流量計進行檢定：在選定的流量檢定點逐點對標準流量計 進行重復多次檢定（每個點的測量次數應≥5次），在對溫 度、壓力數據進行補償修正后，確定出標準流量計在不同 測定點下的重復性，并確保此重復性不超過0.02%。

       （2）在同樣的檢定條件下，在一定的時間和標準表 脈沖數（根據API MPMS 4.8的規定[7]，應控制脈沖數量超過 10000個）內，同時記錄標準流量計和被測流量計（液體超 聲波流量計）的脈沖數和對應的溫度、壓力等相關參數。

       （3）依據標準流量計檢測到的脈沖數、儀表系數和標 定時的溫度壓力等相關數據，確定出流過標準流量計的流 體體積。

       （4）依據此體積數據和超聲波流量計處的溫度壓力等 相關參數，即可確定出超聲波流量計在各檢測點對應的平 均儀表系數和重復性。 實際工程應用中，常用的活塞式體積管主要為Daniel和 加利布朗的產品。國產的開封儀表廠也有相應的型號，但 主要用于軍工行業，工業領域應用案例相對較少。在液體 超聲流量計的檢定中，“活塞式體積管+標準流量計”也是 目前主要的檢定方法[8]，且市面上常見的流量計算機在控制 程序中也大多支持這種流量計檢定方式。同時，此檢定方法 也符合我國《超聲波流量計的檢定規程》中的相關規定。 此外，對于標準流量計的選擇，考慮到量程范圍及達 到需要的脈沖數所需的時間等相關因素要求，目前的主流 做法是采用渦輪流量計。

 

4  應用實例
肯尼亞西部成品油管道擴建工程東起肯尼亞首都內羅畢，途徑納庫魯至西部城市埃爾多雷特，全長326km。共設 置7座輸油站場，設計數量 788×104 m3/a。首站 PS21位于首 都內羅畢，站內設兩路8"液體超聲波流量計（一用一備）。 
       1）采用Daniel的Model 3804四聲道液體超聲波流量計， 精度±0.15%，可重復性±0.02%，符合國際成品油交易要 求。并由廠家配套前10D后5D直管段、整流盤、相關儀表 （溫變、壓變）及儀表閥。 
       2）流量計進口設電動球閥，出口采用具有雙關斷雙泄 放功能的DBB閥。計量系統標定時，先關閉一路超聲波流 量計，根據等精度傳遞理論，通過“活塞式體積管+標準 表”法對超聲波流量計進行檢定。檢定時，DBB閥下部的 排污口通過管線接入專用的泄漏檢測罐，當處于關閉狀態 的DDB閥出現泄漏時，油品會進入泄漏檢測罐觸發液位開 關報警。 
       3）每臺流量計對應一臺流量計算機，安裝于控制室內 的計量機柜上，采用 FlowBoss S600 流量計算機。數據接口 為RS485（遵循MODBUS RTU通信協議）。 
       4）本工程由于是在已有征地范圍內進行擴建，受空間 的限制，綜合業主的使用經驗，在首站PS21和終端站PS27 均采用了“活塞式體積管+標準流量計法”的標定方式，現 場使用效果良好。

5  結論
通過以上論述，液體超聲波流量計量系統在原油、成 品油管道設計中應注意的問題歸結如下： 
       1）交接計量用的超聲波流量計應為采用傳播時間法的 多聲道、插入式。 
       2）流量計在設計時，應該確保其直管段長度在合理的 范圍內，同時配套整流裝置，且建議直管段和整流裝置均由流量計廠家配套提供。
       3）儀表的安裝位置必須符合相關規范的規定，以保證 測量參數的一致性。 
       4）儀表的精度應在合理范圍內，并滿足系統的整體計 量要求。 
       5）采用“活塞式體積管+標準流量計”的標定方式 時，應考慮對體積管缸體的保護，當介質潔凈程度不理想 時，建議在體積管進口處增設過濾器。 隨著相關計量技術的迅猛發展以及計量相關標準規范 的日益完善，液體超聲波流量計的性能和適用范圍不斷提 高，在原油成品油貿易計量中的應用也會越來越廣泛。超 聲波流量計所表現出的大量程、零壓損、自診斷功能及相 對較低的全壽命周期維護成本等方面的優勢，將為原油、 成品油交接計量提供更大的便利和支持。