CMF在某成品油管线中的应用研究

2015-04-13王春娟

机电信息 2015年36期

王春娟

（中石化销售有限公司华中分公司，湖北武汉430011）

0 引言

成品油管线具有可将多种油品顺序输送的特点，实现了炼化企业和各省市公司油库资源的有效衔接，确保了市场供应。质量流量计作为油品输送量的计量工具，在执行油品输送计划和管输企业与炼化企业、油库三方的贸易交接中发挥着关键性的作用，采用性能稳定、精度高的质量流量计对管道输送贸易交接有着重要的意义。

某成品油管道全长177.5km，将汽油（90#、93#、97#）和柴油（车用、普通）5个油品从炼厂输送到A 和B油库，全线设置1座输油首站和2 座分输（泵）站，均采用科里奥利质量流量计（简称CMF）进行贸易计量交接。

1 CMF的结构组成及原理

1.1 CMF的结构组成

CMF由流量传感器和流量变送器两部分组成，其中流量传感器是一种基于科里奥利效应的相位敏感型谐振式器件，用于检测流体流量信号，包含流量管、驱动线圈、检测线圈、磁铁、过程接头和核心处理器等部件；流量变送器用来向传感器提供驱动力，并对传感器的信号进行处理、显示以及与上位机通信等，包含振动信号发生单元、信号检测和信号处理单元等部件。CMF 的流量管采用2 根并排的U形管。

图1 流量计计量系统逻辑功能框图

1.2 CMF的工作原理

CMF是利用流体在直线运动的同时处于一旋转系中，产生与质量流量成正比的科里奥利力的原理制成的一种直接式质量流量仪表。

CMF的流量管经过驱动线圈驱动后，U 形管的回弯部分相向微微振动，两侧的直管跟着振动。CMF采用直管振动来形成一个旋转体系，同时直管中流体由于科里奥利效应，将产生与管壁垂直的科里奥利力。根据牛顿力学原理，科里奥利力计算公式如下：

式中，ω 为旋转系的角速度；v为物体相对旋转系的运动速度；m为流体的质量。

设密度为ρ的流体以速度v 在内截面积为A 的管道中流动，任何一段长度Δx 的管道所受的科里奥利力计算公式如下：

流量计算机具有RS485和以太网接口，可以实现对质量流量计多种数据的采集与计算，也可与SCADA 系统进行数据交换。流量计算机通过内置体积流量和质量流量换算公式，将采集到油品的实时密度信号，经过压力和温度补偿计算，得出各种油品在工况下和标况下的批次流量与累计流量。

2 成品油管线质量计量系统的组成

某成品油管线采用S600流量计算机，与CMF400、流量计后的压力变送器、PT100铂电阻、流量计前后阀门、过滤器以及上行的SCADA 系统、上位机和报表打印机等共同组成流量计量系统，其中CMF400为计量系统提供瞬时流量、实时密度，密度精度达到±0.05%。流量计算机接收瞬时质量流量和实时密度信号，经过计算处理，可提供某一油品质量总累计量、当前批次量、时累计量、日累计量以及上时段累计量等流量信息。同时，CMF400通过RS485通讯接口将瞬时流量、累计流量、密度、温度以及诊断信息输入到流量计算机中。

如图1所示，流量计算机通过质量流量计输入的瞬时流量直接完成质量流量的累计，同时通过采集压力和温度信号对质量流量计提供的实时密度信号进行补偿计算，得出工况下和标况下的体积流量。通过SCADA 系统上位机油品类别选择及油品下发识别油品种类，从而自动计算出各种油品批次流量，并将流量数据传送给SCADA 系统进行存储，由SCADA 系统完成油品参数的显示及报表生成功能。

3 油品下载计量功能的实现

一般情况下，成品油管线的控制系统采取中控模式。成品油管道为了顺序输送时混油处理的需要，设置的在线密度计精度要更高、更可靠，通常精度高达±0.015%以上。当进行油品切割时，操作员依据在线密度计读数判断油品种类，进行下载阀门开关操作，同时下发油品类型，SCADA 系统将相应的命令输出给现场的阀门和仪表等设备。

以某B 站中间站下载为例，其油品下载流程如图2所示。当前为普柴顶93#汽油，混油越过B站进末站，B站只需观察在线密度计读数并与汽柴混油切割密度值进行比对，判断混油是否已经越站。当混油越站即将结束时，开启普柴的505# 下载阀，在接收到普柴下载阀打开的反馈信号后，SCADA 系统给流量计算机一个开关量信号，触发普柴下载累计命令，即流量计算机得到油品信息和开始计量的时间标签，此时开始对该批次普柴的流量累计。当达到普柴下载量时，关闭505#阀门，同时将反馈给流量计算机一个开关量信号，触发普柴下载的停止计量命令。

图2 B站油品下载流程图

4 CMF在成品油管道运行中的稳定性分析

在质量流量计计量系统中，CMF 作为检测仪表为流量计算机输入瞬时流量，它的精度和运行的可靠性直接影响着计量系统输出的计算结果的准确性，因此分析CMF 的稳定性具有重要意义。根据CMF的工作原理，流量传感器是一种基于科里奥利效应的相位敏感型谐振式器件，它必然受到安装现场应力、周围磁场等因素的影响。因此，经检定合格后的CMF用到工作现场，环境条件、工艺条件、介质状态等都发生了较大的变化，为了保证在工作现场应用的可靠性，根据我们对CMF实际使用的经验总结，应主要从以下几个方面分析其影响因素，并采取相应的解决办法。

4.1 安装与应力

如果流量计安装不正确，测量精度将受到很大的影响。在质量流量计的安装管路上，若附近有马达、油泵、压缩机等大型动力设备或工艺管线中出现水击等现象，极易造成管路与质量流量计的测量管共振，导致测量偏差。另外，由于测量管法兰与工艺管线法兰的连接螺栓紧固不均匀，及测量管与工艺管线不水平、不同心，测量管受到工艺管线或扭力的压迫，导致其振动特性改变，也会引起计量误差。

解决办法：安装时应远离马达、油泵、压缩机等大型动力设备，增加结实的固定支撑，以消除管路的机械振动引起的CMF测量管共振。同时，安装时要使测量管与工艺管线水平同心，螺栓要紧固均匀。

4.2 零点漂移

在实际应用中，CMF零点有一个波动范围，即质量流量计的零点漂移。即在零点调整之前，当流量计内介质静止时，流量计的瞬时质量流量示值。引起质量流量计零点漂移的原因很多，如管道振动，管道应力和扭曲，液体中含有固体颗粒或气泡，流体的温度、密度、黏度发生变化等。质量流量计的零点漂移是其重复性好坏的决定因素，并直接影响测量结果。尤其是在小流量测量时，零点漂移对测量准确度的影响较为严重。通过零点调整可以减小或消除零点漂移的影响。

解决办法：无论是在流量标准装置上对流量计进行检定，还是在流量计现场使用时，都必须严格按照生产厂家的规定进行安装和调零。

CMF调零时，必须先将流量计正确安装并充分预热，使其在50%量程以上流量下运行一段时间，一般不少于10 min，排出气泡并使测量管内充满待测流体，然后关闭流量计的出口阀和入口阀。检定后的流量计在使用现场安装后，必须重新进行零点调整。

4.3 介质相态的影响

由CMF 的工作原理可知，被测量介质视为密度均匀的流体，故当CMF 的测量管中液体含气量超过某一限制值时，CMF测量值会受到显著影响。因此对于含有气体或固体造成分布不均匀颗粒的液体，或CMF 出口无背压直接流入低液位容器使测量管内留空等，都会导致测量管的振动不能完全反映均匀流体的科里奥利力，从而造成测量误差。

解决办法：对于易汽化的液体，在管线前段安装消气器；对于含固体杂质较多的物料，配置过滤器；流量计后端要保持0.1 MPa的背压，以防止测量管排空。

4.4 小流量切除

由于传感器输出的流量信号带有机械源或电动机引起的噪音，流量计允许用户自定义流量切除参数来滤掉这些噪音，使那些低于该参数的流量变送器脉冲和数字输出测量值指示为0。流量切除参数是流量变送器产生一个非零的可读数字流量和脉冲输出的最小流量。如果流量信号低于流量切除参数设置，则变送器输出的流量值为0。由此可知，流量切除参数的组态不可过大，否则将影响质量流量计测量准确度。

解决办法：流量切除设置是该传感器的最大满刻度流量的0.5%，根据需要最高可设置为1.0%。设置过小或仪表零点过大，仪表在无流量时会显示流量输出，出现累计错误。另外，小流量切换设置应在零点调整之前，否则进行的零点调整不是真实的零点。

4.5 介质压力的影响

由于过程压力偏离标定压力引起传感器敏感度变化，将会直接影响质量流量计的测量精度，从而导致流量计产生测量误差。目前，一般情况下，流量计在0.2 MPa左右对水介质进行标定。对于成品油管线，管线压力经过调节阀后已趋于稳定，基本处于检定压力范围内，同时流量计后压力变送器信号接入了流量计算机进行压力补偿修正，压力对CMF测量精度的影响可以忽略。

解决办法：在线安装压力变送器，将压力变送器给出的毫安信号接入质量流量计变送器接线板接线端，并在质量流量计变送器组态的压力补偿组态中输入流量标准压力、4 mA 和20mA的压力值等，然后组态压力轮询，通过轮询外部设备获取到压力数据，质量流量计就会自动进行在线压力补偿。