固定式标准体积管在线检定贸易交接用刮板流量计

2021-08-21靳广伟

仪器仪表用户 2021年8期

靳广伟

（中国石油工程建设有限公司，北京 100120）

0 引言

图1 外输交接计量系统流程图Fig.1 Flow chart of the external transmission and transfer metering system

准确性、一致性、法制性是对交接计量的基本要求，掌握准确的原油外输量才能够进行准确的经济核算和生产控制。为满足计量准确度要求，计量系统中流量计的周期性检定不可缺少。对流量计的检定，按检定方式有离线检定和在线检定[1]。离线检定需要将被检流量计从工艺管线上拆下来，送到指定计量检定站做检定。在线检定用标准计量器具在现场对被检流量计进行检定，不需要从工艺管线上拆下流量计，实流检定减少了检定误差。标准计量器具可分为固定式体积管、车载式体积管、固定式水标罐和车载式水标罐。固定式体积管配套固定式水标罐是当前发展趋势。固定式体积管在线检定流量计时，将正常外输工艺流程在线切换到检定工艺流程，将标准体积管串联到流量计的输油管道中，这种方法操作简便安全，属于密闭式的流量计检定系统。在配套有固定体积管和水标罐的外输交接计量系统中，体积管用来标定外输流量计准确性和重复性，水标橇用来标定双向体积管的准确性。为了达到计量和标定本身应有作用，实现计量系统准确计量，提高双向体积管的可用性，需要根据项目工艺条件对其进行合理设计和正确运用。在API MPMS Chapter 5.4 提供了合适设备选型的指导方法[2]。此项目外输计量流量计采用刮板流量，属于容积式流量计（Positive Displacement Flowmeter），在管输原油计量中应用广泛。容积式流量计测量的是流过流量计流体体积，测量准确度较高，一般用于准确度要求高的流量测量，刮板式流量计工作有方向性，反向流动会损坏内部器件。安装时，包括上游的消气过滤器，都应按照外壳上流体箭头方向安装。为避免流体倒流损坏流量计，可以考虑安装单向阀。

1 外输交接计量系统工艺条件和组成

项目原油从采油井集输到中心处理站，在中心处理站进行脱水、脱气、脱盐处理，经过外输交接计量橇计量，送往下游用户。交接计量橇工艺条件：设计压力9.5Mpag，设计温度85℃，工况压力7.7Mpag，工况温度55℃～72℃，体积流量200 m3/h～550 m3/h，原油粘度50 CP～100 CP，计量橇的压损小于300 kPa。流量计指标要求，线性度优于±0.15%，重复性优于0.02%，精度达到±0.2%的测量数值。

采用的外输交接计量系统由流量计撬、体积管撬（球式双向体积管）、水标定撬组成。流量计撬包括：出入口阀门、消气过滤器、流量整流器、流量计、温度变送器、压力变送器及相关管件等设备；体积管撬包括：出入口阀门、收发球筒、四通阀、温度变送器、压力变送器、检测开关等相关辅助设备；水标定撬包括：二等金属量器、气动换向器、水泵、不锈钢水箱、检定控制箱、阀门、连接管及附件等。在流量计橇上游配套有密度分析仪和手/自动采样橇，实现原油实时密度监测和自动分时采取典型油样。交接计量系统检定量值的传递关系为：水标定罐（二等标准金属量器 0.025%）→双向体积管（0.05%）→刮板流量计（0.20%）。

流量计橇有两条计量回路，一用一备，分别采用DN250 口径刮板流量计，计量管路为DN300 口径，最大流量550m3/h。每条计量管线的下游安装有流量调节阀，用于调节计量流量；在双向体积管橇座的出口安装有流量调节阀，用于调节检定流量，进行计量橇的全量程检定。为了保证计量及检定过程中温度的恒定，管路做了保温。流量计橇核心设备刮板流量计采用FMC Smith LJB10-S7，此刮板流量计具有±0.15%的精度和±0.02%的重复性，测量范围74m3/h～740m3/h。流量计算机采用FloBoss S600+流量计算机。PLC 控制系统实现流程切换和调节阀的控制，完成系统检定控制和正常生产计量监控。

2 球式双向体积管橇

体积管是检定累计式流量计的标准装置，被检定的流量计与体积管串联，用已知体积的体积管来标定流量计的精度。此项目采用了美国FMC Simith 球式双向体积管，由收发球筒、基准管段、检测开关、检定球、四通换向阀和控制系统组成。双向体积管具有可靠性高、操作简便、重复性好，在一个流量点上检定次数少的优点，能够实现流量计在密闭实液情况下检定。双向体积管的设计选型按照API 标准，下面是对体积管标准管段的直径、检测开关之间（标准段）长度和标准体积量的计算。

2.1 双向体积管标准段直径的确定

为防止标定球在体积管中，因速度过高发生水击现象，标准体积管规定了标定球在双向体积管中的最大流速要低于3 m/s。根据API MPMS Chapter 4，Section 2 规定，按照操作人员和设计人员经验，10 ft/s 是单向体积管的典型设计速度，而双向体积管置换器运行速度≤5ft/s[3]，即1.5m/s。

根据FMC SMITH 计算公式：

该双向体积管最大设计流量为550m3/h，即4757 桶/h，则：

I.D.(in)=16”

故SMITH 选择标准段直径为16”，在最大流量时置换器速度为1.2m/s。

2.2 检测开关之间（标准段）长度

检测开关之间长度即标准段，由检测开关的分辨率和标准体积量决定。检测开关分辨率为rd，则计量球来回运行一次可能产生的最大误差为4rd：（L+2rd）-（L-4rd）=4rd，对于0.02%的重复性要求：L=4rd/0.0002=20000rd，SMITH 检测开关rd=1/64"，L=20000×1/64"=312.5"=7.94m，则检测开关之间（标准段）长度应大于7.94m。

2.3 标准体积量的确定

根据API MPMS Chapter 4，Section 2，双向体积管单向行程至少使流量计产生10000 个以上脉冲[3]。脉冲计数器的不确定度为±1 个脉冲，为保证体积管单向行程计数器误差为0.02%，则脉冲计数器在此行程中至少应收集10000个脉冲，刮板流量计K 系数为10 个脉冲/m3，则体积管标准段体积应大于1000 L。则体积管标准段体积应大于πr2L=3.14×0.22×7.94 ≈997 升，从方便水标定及配备标准罐考虑，故选择体积管检测开关之间标准体积为2m3。

3 水标定橇座

按照体积管标准体积2m3的容积，项目选用2 个500 L的标准罐。水标定橇座串联安装在双向体积管的下游，利用清水作为工作介质，通过检定水泵提供水循环，将体积管标准容积段的清洁水置换到标准金属量器内，通过温度和压力修正，以确定体积管的标准容积，评定出体积管的重复性和准确性。

4 对计量橇的标定

在首次使用体积管对流量计进行标定时，需要先完成体积管的水标定工作。体积管水标定前检查标定球的外观有无缺陷，利用专用工具对标定球充液。按照API MPMS Chapter 4，Section 9，Part 2 规定，充液后标定球的外周长应大于标准体积管标准管段内尺寸的2%～5%，目的是为了减少标定过程水或工艺介质从标定球边缘泄漏，另外略大的尺寸可以补偿标准段内部的不规则，比如管线内部圆度不够，内涂层缺陷或在弯头或者反向动作时轴线偏差，但不能造成过大摩擦或压降[4]。在JJG 209-2010《体积管检定规程》中规定“由充液后直径比体积管标准容积段的内径大2%～4%的球在其运行时，与管壁有良好的密封性”[6]。记录好标定球充液后的直径、重量等原始数据，然后将充液后的标定球放入体积管内。启动水标橇的水泵向体积管内充水，通过操作四通阀使标定球在体积管内来回运行几次，以使整个水循环系统的温度趋于平衡。此间，分别测量体积管进出口、标准容器出口的水温，当确认各测量点的温度误差在1℃以内达到稳定时，即可按程序进行体积管的水标定工作。至少连续6 次水标罐对体积管的标定，若重复性在0.02%以内就可结束标定。否则需要连续标定，直到连续多次标定数据计算结果都满足要求为止。项目实际标定结果计算重复性为0.016%，满足0.02%要求。

对流量计橇标定过程是通过流量计的实际读数值与体积管的标准容积值的比较来完成。通过标定可知道流量计的精度，通过比较已知的体积管的标准容积与流量计的读数做比值，可以得到修正系数（MF），这个系数用来做实际计量的修正。

体积管标定流量计时，需将体积管四通阀倒换到前后直通的位置，这样能使初次进入体积管的原油不经过体积管的标准段，而直接从四通阀流出，避免管线内杂质进入体积管，损坏计量球或体积管内涂层。在切换流程后，让体积管空运行15min，再切换四通阀至正常位置，这时就可以通过体积管标定控制系统进行流量计的检定工作。从流量计来的外输原油经过体积管入口阀门进入，通过体积管计量段后，从体积管出口流出。触发检测开关开始脉冲计数是体积管标定的开始，当触发检测开关结束脉冲计数，是标定过程的结束，整个标定过程完全由体积管的控制系统控制。遵照API MPMS Chapter 4，Section 8 规定，选定了138m3/h、244m3/h、350m3/h、455m3/h、550m3/h 5 个流量点进行多次检定后，得到标定结果。依据检定结果，确定流量计精度在0.15%以内，重复性在0.013%以内，线性度在0.15%以内，满足项目要求。

5 流量检定出现的一些问题和经验总结

在实际使用过程中，常会出现重复性差的问题，困惑了不少现场工程师。经过现场观察和总结，发现流量计和体积管内有气体，系统的压力、温度、流量不稳定，四通阀转换密封不合适，计量球的圆度和尺寸等情况都会造成系统的重复性差。解决方法有：如果流量计和体积管内有气体，需要泄放体积管和流量计内部的空气，有必要的话，操作四通阀换向以排除四通阀残留的气体。在计量球运行时，打开放气阀门释放气体，运行体积管一段时间，使气体从高端充分排尽。如果系统的压力、温度、流量不稳定，也会造成重复性差，这就需要保证系统条件（温度、压力、流量）稳定，如果不稳定，就不要进行检定。在标定开始检测开关被第一次触发前，四通阀必须已经处于密封状态。如果在标定期间四通阀密封不好，本次的标定数据需作废，四通阀必须在状态良好时才能继续进行流量标定。计量球尺寸过大或小，取出计量球，检查计量球的圆度和尺寸，根据需要对计量球进行充压或泄压，如果损坏则需要更换。在多数情况下，重复性不好是由于体积管内或流量计管线内有气体，如果重复性不能满足要求，首先必须做的是排除体积管及系统内的气体。