液体超声流量计在测量液态烃流量上的应用

成晓一 孙 策

(国家石油天然气大流量计量站，大庆 163712)



液体超声流量计在测量液态烃流量上的应用

成晓一 孙 策

(国家石油天然气大流量计量站，大庆 163712)

液体超声流量计用于原油及成品油贸易计量,该流量计测量范围宽、无可动部件、自诊断功能强，是一种新型的液态烃贸易交接计量仪表。本文主要介绍该流量计原理、标准、应用及检定情况。

超声流量计；超声换能器；检定；体积管

0 引言

近年来，随着超声流量测量技术不断进步，国外厂家成功开发出适用于原油、成品油贸易计量的时差法多声道液体超声流量计，并迅速推向市场，在多个石油公司进行了使用。多声道液体超声流量计在大口径管道计量中有突出的优势，无可动部件的构造、完善的自诊断功能、测量范围广等特点，使其在常用的容积式流量计、涡轮流量计外，成为一种可供选择的液态烃贸易交接计量仪表。

1 液体超声流量计测量原理

液体超声流量计和气体液体超声流量计一样是通过测量高频声脉冲在流体中传播时间得出流量的速度式流量计。在管壁两边安装一对斜角为φ的超声换能器，两个换能器同时或定时发射和接收对方的高频声脉冲。通过测量高频声脉冲在管道内向顺流和逆流沿对角线方向传播，分别测量其传播时间，其传播时间差与流体在多个声道上平均流速有关。运用数值计算技术计算出在管线条件下液体轴向平均流速和流量。

2 液体超声流量计在国内外应用情况

多声道液体超声流量计用于液态烃计量首先在欧美得到认可并开始应用，多声道超声流量计通过不断的技术发展，逐渐在国外大型炼油厂、输油管道、海上平台等场所得到广泛的应用。美国宾夕法尼亚州管道公司应用DN400液体超声流量计在输油管道上计量，中石化珠三角成品油管线上使用了11套口径分别为DN200、DN250、DN300和DN400的液体超声流量计进行计量，中国海洋石油公司在其恩平油田采用4台DN250液体超声流量计用于原油贸易计量。除此之外，液体超声流量计在荷兰的炼油厂、德国的多介质传输管线等对原油及成品油计量都有过成功的应用。液体超声流量计在液态烃流量测量领域得到了快速的发展；从世界液态烃测量领域的发展来看，在大口径流量测量领域，传播时间差法液体超声流量计以其优异的计量性能，较低的维护成本会在一定程度上取代原有的容积式流量计及涡轮流量计。

3 相关标准

国际标准化组织于1997年出版的ISO/TR 12765《用传播时间差法超声流量计测量封闭管道内的流体流量》是以技术报告的形式发布的，该标准主要对传播时间差法流量计的测量原理，技术要点做了阐述，着重于气体超声流量计。美国天然气协会也于1998年出版了第9号技术报告(AGA Report NO.9) 《用多声道超声流量计测量天然气流量》。我国在参考这两个标准的基础上，2001年出版了GB/T 18604《用气体超声流量计测量天然气流量》的国家标准，2014年进行了修订；2007年发布了用于检定超声流量计检定规程JJG 1030-2007 《超声流量计》；推动了气体超声流量计在国内天然气贸易计量上的广泛使用。

液体超声流量计计量液态烃起步较晚，相应的标准也较少。美国国家标准协会发布的ANSI/ASME MFC-5M-1985(R2006)《用传播时间差法超声流量计测量密封管道中液体流量》着重于液体测量，但缺乏对于液态烃计量的技术要点描述；美国石油学会发布的API MPMS 5.8：2005《用传播时间差法超声流量计计量液态烃》规定了液体超声应用原则，提出了关于被测量液体的注意事项，重点讲解液体超声流量计在计量液态烃领域中的安装、操作和维护及检定，具有较强的应用性，该标准2011年进行了修订。我国没有液体超声流量计计量液态烃的标准。

4 API 5.8的适用性分析

目前液体超声流量计在液态烃贸易计量、泄漏量检测、过程监测等方面已经得到了部分应用，随着液体超声计量技术的不断进步，液体超声流量计已基本上采用多声道测量原理。API 5.8在其文本中指出“本标准用于贸易交接测量，其它应用可以参考，包括分配计量、校验仪表测量和泄漏检测测量”。

API 5.8可以满足我国目前及未来几年可能达到的水平，处于可以被市场采用的情况。该标准在起草时得到了多家流量测量机构及流量计制造厂家的支持，进行了充分、详实的实验，具备较强的理论、实验基础。该标准目前已经使用了近十年的时间，从调研得到的情况分析，该标准具有较强的可应用性，能够满足目前应用液体超声流量计计量液态烃的技术水平。

由于处于不同的标准体系下，API的部分标准与我国现行的部分标准存在不协调、不配套的现象，具体表现为在技术内容、试验方法等方面存在不一致性。API 5.8存在的主要问题是在检定方面，部分参数的表达形式、数据的处理方法与我国现行标准存在不一致现象，需要进行相应的转化才能适应我国目前的标准体系。

5 与国内相关规程的差异

检定技术的差异主要体现在检定方法、检定数据处理等方面上。目前国内涉及该方面的规程主要是JJG 1030—2007《超声流量计》,该规程主要针对气体超声流量计编写。本节主要就API 5.8及JJG 1030相关部分的差异做了比较及分析。

检定次数是指在某一流量点下对流量计进行一次检定过程标准器运行的次数。在国内主要使用JJG 1030的相关条款对其进行限制，JJG 1030中指出对于准确度等级不低于0.5级的流量计,每个流量点的检定次数应不少于6次。而API 5.8在其文件中详细地指出了较少的检定次数可能不满足流量计重复性的要求，并且给出推荐的检定次数和预期的重复性。在超声流量计实际检定过程中，建议采用JJG 1030的规定。

JJG 1030 规定流量计的重复性不得超过相应准确度等级规定的最大允许误差绝对值的1/5。对于贸易计量使用的0.2级液体超声波流量计来讲，按规程要求的最大重复性范围为0.04%。API 5.8 中并没有直接对流量计的重复性给出范围，但在其引用标准中指出用于贸易交接的流量计其重复性优于0.05%。在重复性计算方法上也存在较大差异，JJG 1030根据流量计的基本误差采用贝塞尔公式计算，API是采用一组检定过程中得到的最大及最小脉冲数进行计算：

重复性=(最大脉冲数-最小脉冲数)/最小脉冲数×100%

6 检定方法研究

为了保证贸易计量仪表达到相应的准确度，掌握合理、可靠的检定技术及方法是必不可少的。流量测量仪表的检定或校准是流量量值传递或溯源链中最重要的环节，探索及制定合理、可靠的检定方法对促进流量计的应用有重大意义。

超声流量计是靠智能电子单元间接测量超声波传输时间来计算出流量，人工“产生”出与流量相关的脉冲(频率)，由于流量脉冲和串行信号是通过计算获得，因此输出信号会落后于流体特性，而且经过数据的转换处理，脉冲信号很可能落后于串行数据。

6.1 体积管法检定液体超声流量计

体积管流量检定装置是目前石油行业主要应用的流量标准器，广泛应用于各个液态烃贸易计量站。体积管流量标准装置的测量不确定度处于0.04%水平，在量值传递体系中满足检定0.2级液体超声流量计的需要。

传播时间差法超声流量计是通过测量不同声道上的传播时间的差来实现流量测量，流量计在其内部流场中的几个地点进行采样测量。由于流动存在不稳定性，微小的流动波动及脉动都会导致流量计产生一个不均匀脉冲输出。在检定超声流量计时，体积管的体积和运行时间都必须达到足以克服这种微小流动带来的影响，才可以得到满意的流量计重复性。

由于液体超声流量计脉冲频率是不均匀的，只有采用更大的体积管才能达到理想的检定效果。需要注意的是，延长标定时间不会对流量计的重复性有本质上的改善。API 5.8：2005给出了适合检定不同口径的超声流量计的体积管的推荐容积值，见表1。虽然2011年修订时取消了该表，但仍强调在检定液体超声流量计时需要使用较大容积的体积管。

表1 API标准建议的体积管容积值

为了验证表1的可靠性，我们在某检定实验室进行了相对应的验证试验，该检定实验室拥有标称值5000L、2000L的球式体积管各一套，且两套体积管可以实现相互串联使用，利用一台DN150口径的液体超声流量计在重复性条件下，使用两套体积管对230m3/h的流量点下进行10次检定，如图1所示。

在按照JJG 1030 的要求进行重复性计算后，得到利用5000L体积管进行标定的重复性为0.05%，而利用2000L体积管进行标定的重复性为0.09%。

结合图1及重复性结果，可以发现随着体积管容积值的变小，流量计重复性有变大的趋势。上述实验结果验证了由于流量计输出频率的不均匀性，较小容积值的体积管很难满足检定液体超声流量计的需要。

图1 不同容积体积管标定结果

6.2 使用等精度传递理论检定液体超声流量计

在流量计量领域中有等精度传递理论：在流量量值传递时只要满足计量学相同性基本原则，即流量计在使用时和检定时流量点相同、介质相同和使用介质的物理特性相同、流量计检定和使用时几何特性相同、流量计在检定和使用过程中的操作过程相同，那么流量标准所复现的流量单位值将会等精度传递给工作流量计。

检定原理及方法如下(见图2)：1)先利用体积管检定作为中间传递的标准表，在规定的流量点下，逐点进行多次重复测量(测量次数不少于6次)，在进行温度、压力修正后，计算出标准表在每个检定点下的平均仪表系数和对应的重复性；2)在相同的流量检定点和检定条件下，在规定的时间段内同时记录标准表和超声流量计的脉冲数以及当时各处的温度、压力数据，此时体积管处于停止运行状态；3)通过标准表的脉冲数及仪表系数及当时的温度、压力计算出流过标准表的流体标况体积；4)通过标准表的流体标况体积及超声流量计处的温度、压力可以得出超声流量计在每个检定点下的平均仪表系数和对应的重复性。

因此，在测量条件不变的前提下，对某量进行等精度多次重复测量时，随着测量次数的增加，其重复性将会随着测量次数的增大而变小。通常情况下涡轮流量计(标准表)的重复性可以达到0.03%,体积管的准确度为0.05%，根据公式计算，其准确度可达到0.06%，满足现场检定流量计的需要。

液体超声流量计存在着不均匀频率输出，导致需使用较大容积值的体积管才可对其进行检定，这极大影响了液体超声流量计在现场的应用；体积管配合标准表的检定方法可以实现对液体超声流量计的检定；并且可以使用移动式体积管流量标准装置，这种检定方法还可以推广到老计量站改造中，极大地降低了流量计的检定费用及难度。液体超声流量计的现场核查是保证流量计正常、可靠运行的重要保障措施，由于液体超声流量计受到安装条件的影响较大，不推荐采用离线检定方式。

7 结束语

液体超声流量计是一种新型的液态烃贸易交接计量仪表，用于原油及成品油贸易计量,该流量计测量范围宽、无可动部件、自诊断功能强。目前我国还缺乏指导液体超声流量计运行、安装、操作的应用标准，在国际上通用的相关规范中，API 5.8在运行、安装、操作检定等方面对液体超声流量计做了比较详细的规定，但是在检定数据处理方面与国内现行的计量标准有较大的差异。建议对API 5.8检定数据处理部分进行适当修改以适应石油行业的应用，并对API 5.8进行修改和转化，编制作为石油行业应用的传播时间差法液体超声流量计计量液态烃的行业或国家标准，推动液体超声流量计在液态烃贸易交接计量上的应用。

[1] 黄亮，谷晓懂,等.静压压力传感器在测量液体重量上的应用.计量技术，2014(10)

[2] 成晓一.mt法天然气流量原级标准装置.计量技术，2012(11)

[3] GB/T 18604—2014 用气体超声流量计测量天然气流量

[4] 张亮，徐益挺,等.超声流量计系统延时检定方法研究.计量技术，2013(3)

[5] 胡鹤鸣，孟涛,等.超声流量计阻流件影响评估软件的设计与开发.计量技术，2014(6)

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10.3969/j.issn.1000-0771.2015.09.23