浅谈油品计量橇装系统及其标定

林长波

（中石化石油工程设计有限公司，山东 东营 257026）

0 引言

计量橇装系统作为一种可以保证高计量精度的计量系统已经广泛应用于原油、成品油和天然气的贸易交接计量中。目前世界上新建项目中，原油贸易交接80%都是采用计量橇装系统形式。我国近几年在石油天然气工业的许多大型项目上也都采用了计量橇装系统，例如：兰成渝成品油管道、珠江三角洲成品油管道及我国在国外投资的哈萨克斯坦原油项目、肯尼亚成品油项目等。计量橇装系统以其高精度、高稳定性广泛应用于石油天然气工业。

1 计量橇装系统组成

计量橇装就是通常我们所说的计量系统，它是把涉及计量的各个部分集成在一起，预先安装在一个钢制基座上，出厂前做试压及各项功能测试，并取得计量检定证书，到达现场后只需和上下游管道连接并把信号连接到控制室的仪表柜后便可以投入运行。计量橇装是一个集成的“工程”，是像一个整体产品一样“打包”供货，可以减少用户的很多麻烦。

油品计量橇装主要工艺流程图见图1，主要包括以下部分：

1）计量仪表：质量流量计、超声波流量计、涡轮流量计、刮板流量计等。

2）检测仪表：温度、压力变送器及温度表、压力表。

3）分析仪表：自动取样器、含水分析仪、密度计。

4）在线比对回路和在线标定接口。

5）管路和阀门：包括下游关断阀、流量调节阀、排污阀、泄放阀。

6）仪表电路系统,比如：电源分配箱、信号接线箱、挠性连接管、防爆穿线管、穿线盒等。

7）控制机柜,流量计算机，PLC(控制阀门和回路切换，选配)。

8）各种钢架支撑结构、扶梯、过道等。

9）钢质底座。

1.1 计量仪表

计量仪表为计量橇装系统的核心部分，根据规范要求，油田外输原油的贸易交接计量精度为0.2级，目前主要应用的仪表类型包括：刮板流量计、质量流量计、超声波流量计、涡轮流量计等。计量仪表同时输出两路脉冲测量信号，一路传至各自的计量流量计算机，一路传至标定用流量计算机。

刮板流量计作为传统的检测仪表，具有测量精度高、适应性强、不受介质密度影响等优点，得到了广泛应用。但当原油以刮板流量计进行计量时，在运行工艺条件下，由于温度、压力、粘度等因素的变化均会影响原油的体积，会导致流量计自身产生的附加误差，再加上刮板流量计计量腔室长期磨损会产生的误差等，所以刮板流量计也具有一定的缺陷性。

质量流量计，直接测量流体的质量，可测量的液体范围广（包括高粘度的液体，含油固体颗粒的液体、含有均匀分布的少量气体的液体等），测量管的振幅小，可视为无可动部件，无上下游直管段要求，可同时测量液位的密度和温度等优点，也逐渐得到了广泛使用。但质量流量计也有一定的局限性：压力损失大，目前质量流量计的最大口径仅为DN150，对外界振动敏感，价格昂贵等。

超声波流量计，多声道超声波流量计在大口径管道、大流量计量中有突出的优势，其无可动部件的构造和完善的自诊断功能大大提高了流量计的可靠性，无附加压力损失使其在节能方面具有明显优势，测量范围也远远大于其它流量计。由于超声波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“制造”出与流量相关的脉冲（频率），流量脉冲和串行信号是通过计算获得的，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信号；由于流体流动存在不稳定性，微小的流动扰动或脉动都会被流量计测量到，导致流量计产生不均匀脉冲等缺点。

图1 计量橇装系统图Fig.1 Measurement of skid-mounted system map

1.2 流量计算机

计量橇装系统提供的流量计算机是已获得国际权威认证机构（如API、OIML等）的有关认证，且获得中华人民共和国计量器具型式批准证书，允许专门用于商贸交接的流量计算机，它将与相关流量计以及相关的仪表组成流量计量系统，用于贸易计量、流量检测及流量标定。

流量计算机可根据用户的需求安装于控制室或者现场，在工程的实际应用中多选用非防爆的流量计算机，安装于控制室。每一计量支路配套一台流量计算机，用于该支路的流量计量。同时流量计算机还可以控制上下游管道关断阀的紧急开关及调节阀的开度控制。（注：阀门的开关控制、支路切换也可单独设一套PLC控制系统，由PLC完成相应的控制）。

计量橇装系统提供的流量计算机具有很高的可靠性和稳定性，其技术特性能满足以下要求：

1）流量计算机应是基于微处理器的智能型仪表，选用32bit或64bit的微处理器，其内存的容量至少为2M，能满足流量计算及数据存储的要求。

2）流量计算机的计算软件含有多种可选择的商贸计量标准，能通过简单的组态或选项进行计量标准选择并锁定。正常计算时，不应受其它计量标准的影响。

3）可根据流量计的类型选择有关计算标准。可选择参考压力和参考温度，根据选用的相关标准完成参比条件（如101.325kPa，20℃）下的体积流量、质量流量等瞬时流量的计算和各自的累积流量计算。流量计算机应该可以根据相关报告，依据在线的组分数据和温度压力数据实时计算流量相关数据，超出设定的偏差范围时报警。

4）能显示标准状态下的瞬时流量、累积流量和能量流量，并且应能显示前1h、前1天及当天的累积流量。

5）流量计算机配有安全系统，以控制进入其内部通道，避免人为对采集的数据、计算标准、校准系数等参数进行越权修改。同时，应防止计算机病毒的侵入。可建立用户并能定义用户权限，登录一定时间后可自动退出，降为最低的查看权限。

6）流量计算机能提供3个标准的RS-485和一个RS-232接口，其输出应符合标准MODBUS-RTU通信协议，至少提供两个以太网口。采用以太网组网方式连接线路上的计算机系统，其中一个以太网口用于和站控PLC通信，实现流量计算机计量数据上传和组分时钟信号下载同步。另一个以太网口将构筑流量计远程管理网络，采集流量计报警等数据，通过用户安装在服务器上的软件进行数据收集，以便延长标定。

7）通过通讯口流量计算机可以和分析仪直接进行通讯，接收组分信息。另外通过模拟量板卡可自动采集流量计读数、温度、压力变送器传来的补偿用测量值。这些测量值可以是标准模拟信号（4～20mADC）或脉冲信号。总之流量计算机具备独立完成所有与流量计量有关的数据采集和计算的能力。

8）流量计算机的输入、输出的信号通道包括：

①模拟输入：4路，标准4～20mADC，并支持HART协议。

②频率输入：4路，频率符合所选流量计的标准。

③开关量输入：2路。

④模拟输出：2路，标准4～20mADC，并支持HART协议。

⑤开关量输出：4路（继电器输出）。

⑥通信接口：1路，RS-232接口。

⑦通信接口：3路，RS-485接口。

⑧通信接口：2路，以太网口（ETHERNET）。

2 计量橇装系统的特点

1）保证计量精度，避免贸易计量纠纷

一个贸易交接的计量场站，最核心的部分就是贸易交接计量部分。计量的精确与否涉及到各方的利益，容易引起计量纠纷。

如果是各种单台设备组成的贸易交接计量，安装不当，放空或排污阀的泄漏，法兰连接等的渗漏，关断阀的不严密，温度压力流量等仪表的调试不准确等情况都会影响到整个系统的计量精度，而且很难判断是什么原因引起的，不好确定是哪个厂家产品的责任。计量橇座出厂前工厂会对整个系统作严格测试，保证整个计量系统而不仅仅是单台仪表的精度，所有管路、涡流和其它影响总体精度的因素都在橇座设计中得到了仔细评估。一体化的设计和严格的整体测试有效地避免了贸易纠纷。

2）简化采购流程，有效缩短施工、调试及投运时间

传统的分散的计量设备需要用户逐项分批订货、催款、组织安装、调试、验收、投产，要花费用户很多的精力和时间。采用计量橇装系统可以合理安排工程进度，在工厂就对橇中的所有仪表都经过严格测试，并对整个系统进行联合调试，出具整体测试报告。另外，橇座的各种仪表接线已在工厂中完成，在现场只需将外接电缆接入橇座配带接线箱即可。橇座运到现场后，与管道对接后就可以开车投产，大大缩短了项目安装调试工期。

3）方便用户进行项目管理

计量橇装系统供应商是单一责任人，提供一体化的设计、施工、维护，方便用户进行项目管理。业主只需和计量橇座供应商联络即可解决所有相关计量的问题，简化沟通程序。系统厂商可根据要求随橇装设备提交所有的设计文件和测试报告，使整个计量文件保持完整有效，便于以后随时查阅和进行项目管理。

4）布置美观，结构合理，节约占地面积30%以上

专业的计量橇装系统厂家具有丰富的工程经验，整体的设计和施工使计量系统更加紧凑，布局更合理美观，并且能够节约占地面积30%以上。

5）整体投资高于传统的流量计量方式

根据以往的工程经验，在选用相同的设备材料情况下，橇装系统的费用比传统的做法高出30%左右。

这主要是因为：一是有整体的底座和各种支撑等要比非橇装增加些成本；二是计量橇装系统的设计、工程费；三是对单体和整个橇座进行的各种测试等（无损探伤和整体的密封性试验等）。

3 计量橇装系统的标定

计量橇装系统的标定，目前最为常用的标定方式有两种，即大体积管（双向球）标定法、小体积管标定法。两个标定方式根据其工作原理及设计结构的特点，各有优缺点，具体如下：

3.1 大体积管（双向球）

1）优点：

①高度的可靠性，操作简便。

②可用于检定低脉冲分辨率的流量计，只要求流量计在检测开关之间流量计输出10000个脉冲。

③在一个流量点上检定次数少。

④对被检液体中固体微粒反应不敏感。

⑤维护费用低；重复性好，优于0.02%。

⑥使用四个检测开关，可以减少检定次数。

2）缺点：

①大体积管的标定球非常庞大且笨重，占地面积大,安装复杂、昂贵。

②单向型附有液压系统。

③大体积管由于采用机械式位置开关，精度受到影响。

④位置开关对震动敏感。

⑤四通换向阀故障率高。

3.2 小体积管

1）优点：

①占地面积小。

②检定时间短，一次运行中最短检定时间0.5s。

③计量缸采用无电镀镍，抗蚀能力强。

④小体积管无需使用复杂的4方向阀（这是大体积管的关键部件）。

⑤小体积管没有大体积管必须的标定球发射腔、接收腔和直管段结构。

⑥小体积管的压损低于大体积管。

⑦大体积管需要计算温度和压力造成的管道变形影响。

⑧小体积管日常维护简单。

⑨大体积管的物理尺寸和重量远大于小体积管。

2）缺点：

①标准体积小，（现有的产品中最大的标准容积为300升）不适用检定低脉冲分辨率的流量计。

②检定运行次数多，这样就抵消了检定时间短的优点，按美国产品样本介绍，对一个流量点通常要检定15次。

③滑动密封处的密封件与运动件的相对速度达1.5m/s，因此密封件易损，更换困难。

④对被检液体中的固体微粒反应敏感，容易造成计量缸中活塞密封件的损坏。

⑤维修费用高。

⑥采用脉冲插入法，会导致重复性降低。

⑦采用脉冲插入法时，必须要知道流量计输出脉冲周期的标准偏差бt，按国标GB/T17286.3的规定，在一次检定中采集的脉冲数N，按下式求得N=500(бt)2根据N和流量计系数K，确定标准容积，бt应由流量计生产厂结出。但流量计生产厂通常给不出，这样就给小体积规格的确定带来了困难。

4 结论

通过上述分析，计量橇装系统与传统的计量方式，在计量精度、项目管理及保证施工阶段均具有明显的优势，也是未来发展的趋势，如建设初期资金允许的情况下建议采用计量系统橇装的方式。大体积管（双向球）及小体积管的标定方式各有优缺点，如海上平台等现场安装空间有限的情况建议采用小体积管标定方式；如安装空间没有限制，可根据业主的使用习惯和要求选用所需的标定方式。

[1]陈德民.石油化工自动控制设计手册(第二版)[M].北京:化学工业出版社,1993.

[2]李小冬,张庆红,叶红林.涡轮传感器发展趋势[J].北京大学学报:自然科学版,1999,35(2):101-105.

[3]李小冬,张庆红,叶红林,等.涡轮传感器的设计[J].仪器仪表用户,2002,12(1):51-53.

[4]杨根生,林辉俞.流量测量仪表[M].北京:机械工业出版社,1986.

[5]盛克仁.过程测量仪表[M].北京:化学工业出版社,1992.

[6]吴勤勤.电动控制仪表及装置[M].北京:化学工业出版社,1990.

[7]郑水成,董爱娜.油品储运自控系统及过程仪表的设计[J].石油化工自动化,2006,42(06):11-14.