体积管检定误差来源的探讨

高松,高立夫,高路

中国石化管道储运分公司新乡输油处(河南新乡453000)

体积管检定误差来源的探讨

中国石化管道储运分公司新乡输油处(河南新乡453000)

从体积管检定过程中出现的气体进入,液体泄漏,电子、机械部件的复现性,体积管内壁结蜡及其他方面,分析了体积管检定的误差来源,提出了一些改进措施,为规范体积管检定程序,减小检定误差提供了理论指导及实践经验。

体积管;检定;误差来源

目前在国内原油交接计量中,以流量计动态计量为主要方式,其中绝大多数以选用容积式流量计计量为主,并在线配套体积管,以确保流量计的准确。在其使用过程中,体积管的不确定度会传递给流量计,且其结果将影响到一个检定周期,所以体积管检定的误差对流量计的检定及计量影响较大。

提高体积管检定结果的准确度是减小流量计检定误差、提高计量交接准确度的重要措施之一。如何提高体积管检定结果的准确度是摆在计量检定人员面前的严峻课题,只有了解体积管的误差来源并采取有效的措施杜绝误差的产生,才能保证体积管检定结果的准确度。

1 体积管检定工作原理

图1是体积管容积检定流程示意图。在体积管的正式检定前,需要做一系列的准备工作：开启水泵,让水在整个检定系统中循环起来,期间通过采取措施(比如通过运行置换球)最终排净检定系统中的气体。循环至整个系统温度达到平衡时,才能开展对体积管的检定。

体积管的具体检定工作程序是：体积管的检定介质(水)由水泵从储水池抽水至体积管的进口,发球后推动置换球在体积管内移动,触发检测开关1时,换向器立即切换,让检定流程的水流入已经准备好的标准量器1,当进入标准量器的水位至能有效读取刻度值时,立即把换向器切换到另一待用的标准量器2。在标准量器2注水的过程中,要完成标准量器1的刻度读数、测温、放水、控制滴流时间、关底阀等工作内容,为下一步工作做好准备。当标准量器2注水至能有效读取刻度值时,换向器再切换至标准量器1,直至检定球触发体积管的第二检测开关,读取最后一标准量器的数值,即完成体积管的一次检定过程。当然,事先要根据体积管的体积确定每个标准金属量器的使用次数。

2 影响体积管检定结果的因素分析

2.1 检定介质携带气体

用水检定体积管的过程中,为达到体积管检定的准确度和重复性。要保证不得有空气进入检定系统,同时要保证进入体积管基准管段的水全部进入标准量器。因为气体进入会导致气体占据检定用液体的体积而引入负的附加误差;液体泄漏会导致检定用液体的丢失而引入正的附加误差。同时都会对检定结果的重复性影响较大。

2.1.1 空气进入体积管检定系统的途径

1)在体积管检定前,体积管中的空气没有排净。

图1 体积管容积检定流程示意图

2)体积管检定系统,储水池和标准量器直接与大气相通,高速液流会夹带空气进入计量循环系统。

3)水泵从储水池中吸水,如果水泵的吸入口与液面较近,易形成旋涡,将会把空气抽吸至泵内而进入检定系统。同时泵体的吸入口与管线连接不严,也易吸入空气。

4)液体内部产生的气体。当计量检定系统局部有低压带时,使溶解液流中的气体溢出,通常称为“气穴”。这类气穴总是产生大量很小的气泡,空气分离器也难以排除这些气泡。

2.1.2 消除气体影响的措施

1)体积管检定系统投入运行后,计量液体基本能将气体驱赶出去,但要求检定系统中必须配备有效的排气设施和选择正确的排气点,经多次投球循环并进行严格的排气,排除掉滞留在液体内的气体。

2)改造储水池,将标准器泄放口和水泵吸入口用隔断墙分开,形成联通器,使标准器泄放入水池的水有足够的时间将气泡排出。

3)改造储水池,将水泵的吸入口放置水池的最低点。同时保证在检定时水池的水尽量满。

4)目前对气穴没有有效的消除方法。最简单、最根本的办法是防止气穴的产生。为此,一是检定系统要保持一定的压力(一般高于液体的饱和蒸气压),在温度低于50℃条件下,水的饱和蒸气压不大于0.1MPa,通常对体积管容积检定时水温在5～30℃范围内。二是体积管上游不可装有节流阀或进行节流操作［1］。

2.2 液体泄漏的影响

要保证体积管置换球在2个检测开关之间置换出来的水全部进入标准量器,就要求体积管第一个检测开关后的所有旁通管线和阀门都必须保持严密性。否则,任何的泄漏就会对测量结果带来误差,检定前应按规定进行检验,以防止阀门泄漏［2］。同时保证检定球的表面光滑无划痕且不变形,其直径应大于体积管标准管段内径的2%～4%;换向器应无溅水、漏水和存水的现象。

在流程的设计时,应尽量将这些管线和阀门安装在地上,以便能观察它们是否严密、是否有漏点。

2.3 电子及机械传动部件复现性的影响

2.3.1 检测开关复现性对体积管标准容积的影响

体积管检测开关之间的长度(即标准管段),是通过计算确定。它是检测开关复现性和体积管系统复现性的函数。检测开关能对检定球作出反应,体积管系统复现性则能指示从检测开关之间置换出的液量。要设计一台体积管,其反复发讯确定的液量应在0.02%的误差范围内(这表示±0.01%或±1/10000的置换容差)。如已知选用的2个检测开关,每个都能在2mm范围内被检定球触发并发出信号,则检定球最短的运行长度和最长运行长度之间最大差值为4mm。因该误差不得大于总长度的0.02%,所以体积管检测开关之间总长度至少为：0.004m/0.0002= 20m。

因此,体积管的复现性取决于检测开关的实际复现性和标准管段的长度。如果准确度要求不高,则标准管段的长度可相应地短一些;如果准确度要求较高,则标准管段的长度就应长一些,或检测开并必须有更高复现性［3］。

2.3.2 检定球的复现性与机械开关动作的复现性之间的关系

检定球位置的复现性与检测开关动作的复现性之间的关系,如图2所示：

图2球位置复现性与机械检测开关动作复现性之间的关系的示意图

图2 中,D为体积管标准管段内径;d为检测开关触头直径;I为检测开关插入的最深作用点的深度;I1-I2为检测开关动作复现性的范围;Δx为球位置复现性或球位置的范围,用下式表示：

结果说明了如下事实：

1)球位置的复现性(球位置的误差),一般不如检测开关动作复现性好。

2)当所用检测开关触头插入作用深度,大于管径1/4时,而复现性不变时,体积管的直径越大,球位置的误差也越大。

3)当所用检测开关触头插入作用深度,小于管径1/4时,球位置的误差比检测开关的误差大。

为减少因检测开关误差引起的误差,检测开关的作用深度应尽可能地深,深到像最精密的检测开关那样,由球的前沿来触发。

2.3.3 换向器复现性的影响

换向器的响应时间小于0.1s,那么当检定用液体的流量为40m3/h时,对一个标准容积为5m3的体积管产生的最大误差为：

为保证检定准确度,应使用复现性较高的换向器。同时,由上式可知：减小换向器复现性的影响的途径还有：一是使用响应时间短的换向器;二是减小检定用液体的流量。

2.4 体积管内壁结蜡引起的误差

JJG209-2010《体积管检定规程》及相关标准都对在线检定系统的准备过程做了说明,但具体怎样获得满意的检定条件,以及满意的检定条件是什么,叙述得都不具体。但结蜡引起体积管的附加误差确是客观存在的。下面分析结蜡引起体积管的附加误差对流量计准确度的影响。

检定流量计时,体积管的标准体积是已知数。然而如果体积管的标准容积,因标准管段内壁结蜡而失准,则通过量值传递就会影响流量计的准确性。

2.4.1 体积管内壁结蜡引起的误差分析

当体积管检定流量计时的介质为高含蜡原油时,环境温度和油品温度的变化使原油中的蜡吸附在体积管的内壁上,而体积管检定时的介质为水,所以就造成了体积管的实际标准容积缩小,通过量值传递将导致流量计产生负的附加误差。即流量计显示为负的测量误差,但这一误差不是流量计的真实误差,而是加入了体积管内壁结蜡造成的系统误差。

式中：δ为流量计的测量误差;δt为流量计的真实误差;δs为体积管内壁结蜡造成的系统误差,负值。

表1是以某输油站为例,计算出不同的结蜡厚度对体积管标准容积值及准确度的影响。其中体积管标准容积值V20=5002.9471L,内径D=358mm,标准管段长度L=49.727m。

由表1可以看出,不同的结蜡厚度引起体积管容积值不同程度的变化,带来的系统误差也不同。

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表1 不同结蜡厚度对体积管标准容积值及准确度影响

2.4.2 结蜡过程分析

按照石油化学的观点,原油中的蜡是指十六烷以上的烃类混合物,含蜡原油在管线输送过程中易产生蜡沉积现象在国际上得到了普遍的认可。当原油的温度低于析蜡点时,其中的蜡就开始从液相中结晶析出,随着油温逐渐下降,析出的蜡晶不断增多,相互联结形成三维空间结构,吸附在管壁上,形成坚硬的固相。所以温度变化是促成蜡沉积的主要外界条件。

1)输油温度的影响。原油在高于析蜡点温度或低于凝固点温度时,蜡沉积均较轻微,但是在两者之间却有一个积蜡严重的温度区域。积蜡高峰区的存在,是由于在此温度区内,原油中的蜡晶体呈过饱和状态,大量析出并在管壁内表面上直接结晶并逐渐沉积［4］。温度较低时,因原油失去流动性,蜡不易析出;而温度较高时,因原油的析蜡量与溶蜡量基本处于平衡状态,也不易产生蜡沉积［5］。

2)油品含水的影响。原油中含高矿化度的水时,大量的Ca2+、Mg2+离子,会造成体积管内壁结垢。结垢不均匀又加强了蜡的附着力,结垢和结蜡同时产生时,它们坚固地附着在体积管的内壁上,检定时增加投球次数也很难将其刮除掉。

2.4.3 防止体积管内壁结蜡的措施

高含蜡原油造成体积管内壁结蜡是必然的现象,将造成流量计检定结果严重失真。那么,采取有效的措施防止或减少体积管内壁结蜡就非常必要。

1)输油温度和管线温度的变化是导致蜡沉积的直接原因,另外原油的熔蜡点高于析蜡点,一旦出现蜡沉积,靠提高输油温度和管线温度使蜡溶解的方法需要消耗大量的能源(原油或天然气)是非常不经济的。所以建议无论是室内还是室外安装的体积管都应有伴热设施并保证其伴热系统的伴热效果,使伴热温度始终高于原油的析蜡点是防止蜡沉积较有效的办法。

2)冬季经常投球运行体积管,在体积管外壁增加电加热设备及保温层,在其使用前24～48h开启加热装置,达到融化体积管内壁的结蜡,同时流量计检定前应增加投球次数。目的是将沉积在体积管壁上的蜡刮下来,防止蜡的进一步沉积。

3)时刻关注流量计检定数据的异常波动,出现问题及时分析,从流量计和体积管的检定球、各部件密封性、检定流程、原油物性、体积管内壁结蜡等查找原因,及时采取处理、防范措施。

2.5 其他因素的影响

2.5.1 液体滑过检定球

由于检定球的椭圆度或者过盈量选择不当,以及检定球长期运行造成的磨损,使其与体积管内壁的密封达不到要求,而会出现液体体积量会滑过检定球的情况。

为防止这一情况出现,体积管检定前必须检查检定球。先直观检查有无严重划痕,确保检定球直径比体积管标准管段内径大2%～4%,同时检查球的圆度及充压情况。不符合要求的,应及时处理或更换。

2.5.2 检定用温度计、压力表准确度及读取数值的影响

由体积管检定体积的温度、压力换算过程可知,标准量器和体积管的壁温,体积管内液体的压力表的准确度都将影响到体积管标准体积的值。所以应保证使用准确度符合要求的温度计、压力表;同时应保证温度、压力的读数准确。

3 结论

因为影响体积管检定误差的因素较多,在检定前应仔细检查每一个易产生误差的环节。如果事先制定详细的检定工作流程图,将对体积管容积检定工作具有现实的指导意义,从而促进体积管工作的顺利进行,保证检定结果的准确性。

［1］JJG209-2010体积管检定规程［S］.

［2］潘丕武.石油计量技术基础［M］.北京：海洋出版社,2001.

［3］梁文杰.石油化学［M］.东营：石油大学出版社,1995.

［4］孙玉伟,宋征,仲权伟.体积管检定流量计过程中存在的计量误差［J］.中国新技术新产品,2010(19)：73-74.

［5］赵璟,濮新宏,陈祥斌.原油流量计检定中的问题与对策［J］.油气储运,2010,29(3)：236-238.

Error sources of volume tube verification are analyzed from gas entering, liquid leakage, the reproducibility of electrical and mechanical elements and the precipitation of paraffin on the inner wall of the volume tube, some improvement measures are proposed,and the strict volume tube verification workflow is developed, which provide theoretical guidance and practical experience for standardizing the volume tube verification workflow and reducing the volume tube verification error.

volume tube; verification; error source

左学敏

2014-06-30

高松(1957-),男,工程师,主要从事原油贸易计量管理工作。