在大口徑管道計量中, 多通道液體超聲波 (以下簡稱液超) 逐漸被廣泛運用在液烴的貿(mào)易交接計量中, 根據(jù)國內(nèi)外交接計量的標準規(guī)范, 用于液烴計量的流量計需要定期標定。與機械式流量計 (容積流量計和渦輪流量計) 不同, 液超流量計的計量具有滯后性, 對流量擾動敏感, 這是液超標定的難點。為此, 筆者分析了影響液超標定的原因, 并根據(jù)API計量規(guī)范, 對不同的標定方案進行比較分析, 以得到較好的標定方案, 降低檢定費用和難度。

  液超的優(yōu)勢包括:精度高, 量程比高, 口徑越大其經(jīng)濟性越好;無可動部件, 幾乎沒有壓損, 對被測介質(zhì)的清潔度沒有要求, 后期運營維護費用低;具有極強的在線診斷功能, 可以有效降低標定的頻率。

  用于計量的液超 (圖1) 至少需要4個通道, 通常在流量計本體上成對安裝多個傳感器, 每個傳感器分別測量各自聲道的速度, 再匯總得出平均流速, ***終根據(jù)流通橫截面積計算出體積流量。

  實驗結(jié)果表明, 即使保持流量穩(wěn)定, 液超的流速測量結(jié)果也總是在變化中, 各聲道的測速結(jié)果總在一個區(qū)域內(nèi)變化, 如圖2所示 (其中, 測量速度和傳感器位置均做了歸一化處理) 。引起變化的原因是流體出現(xiàn)了擾動 (如漩渦、上游的管閥件及整流器等) , 從圖2中可以發(fā)現(xiàn), 越靠近管壁, 數(shù)據(jù)的發(fā)散性越大。在穩(wěn)態(tài)下, 各聲道的平均速度是相對固定的, 所以液超必須求各聲道流速的平均值。

  流速變化會產(chǎn)生相應的頻率或頻譜, 根據(jù)流體力學內(nèi)容可知, 高流速會產(chǎn)生高頻率。上游的管閥件、整流器等都會導致高頻的擾動;流速的緩慢變化會導致低頻的擾動。實驗表明, 各聲道流速的變化在高頻擾動時沒有相關(guān)性, 但是在低頻擾動時呈現(xiàn)一定的相關(guān)性。流體擾動導致液超產(chǎn)生了不規(guī)則的脈沖輸出, 如圖3所示。而容積式和渦輪流量計有可動部件, 機械部件會產(chǎn)生規(guī)律性脈沖輸出, 如圖4所示。因為用于流量計標定的體積管是靠識別脈沖數(shù)目來確定流量的, 所以液超流量計比容積式和渦流式流量計更難用體積管標定。

液超體積流量Q的計算式為:

式中d———流體有效橫截直徑;

k———修正系數(shù)[1];

V———平均線速度。

  管道內(nèi)流體的有效橫截面積與雷諾數(shù)有關(guān), 雷諾數(shù)較低時, 流體受管道阻力較大, 流體形狀圓潤, 有效橫截面積較小;隨著雷諾數(shù)的增大, 流體受管道阻力較小, 有效橫截面積增大, 如圖5所示。

  流體雷諾數(shù)影響管道內(nèi)流體的有效橫截面積, 進而影響流量的計算。但若流體物性變化不大, 通常認為有效橫截面積不變。因此定期對流量計進行實液標定, 用計算得到的儀表系數(shù)對流量計示數(shù)進行修正, 可消除物性變化對流量計算的影響。

  與容積式和渦輪式流量計不同的是, 超聲波流量計沒有可動部件來產(chǎn)生脈沖。因此超聲波流量計采用數(shù)字-頻率轉(zhuǎn)換器“人工”合成脈沖, 每隔50~500ms對流體進行采樣, 計算得到平均流速, 進而輸出脈沖信號, 可見輸出的測量信息滯后于流量特性。

  在正常情況下, 通過設(shè)置合適的儀表系數(shù), 可使脈沖輸出的延遲對測量精度的影響很小。但是, 在標定時延遲的脈沖會導致可重復性變差且引起儀表系數(shù)發(fā)生偏差, 因為流量計的重復性等同于脈沖輸出數(shù)量的重復性, 標定過程中需測量流經(jīng)兩個檢測開關(guān)之間的流體體積的脈沖數(shù)量。脈沖測量的滯后性將導致參與計數(shù)的一些脈沖實際上發(fā)生在檢測開關(guān)被觸發(fā)之前[2]。另外, 在標定時如果流體不穩(wěn)定, 在標定球或活塞觸發(fā)標定撬檢測開關(guān)時流體出現(xiàn)瞬時擾動, 會導致液超脈沖的不規(guī)律輸出。

  標定系統(tǒng)一直都是交接計量成功與否的關(guān)鍵環(huán)節(jié), 選擇合適的體積管和方法是非常重要的。目前, API的流量計標定方式有3種:活塞式體積管、球式體積管 (單向球和雙向球) 和標準表法。標定過程中將被檢流量計與標定裝置串聯(lián), 用體積管的標準體積 (或已知精度的標準表) 來認證被檢流量計的精度, 當流量穩(wěn)定地流經(jīng)被檢流量計和體積管時, 將位移器從兩個檢測開關(guān)之間的計量段所置換出的流體體積與流量計的示值相比較, 就能確定流量計的示值誤差。對于液超, API MPMS 4.8規(guī)定應滿足±0.027%的儀表系數(shù)不確定度[3], 體積管的容積至少滿足表1中的要求。

  活塞式體積管標定具有量程比大、占地面積小、檢定時間短及投資費用低等優(yōu)點, 在交接計量撬的標定中得到廣泛應用, 特別是海上平臺。但是對于超聲波流量計, 工業(yè)界活塞式體積管***大尺寸的容積仍小于表1的值。另外, 活塞式體積管在運行過程中的發(fā)射和回收會引起流量的明顯擾動, 導致重復性很難滿足API的要求。因此, 活塞式體積管不能用于液超的直接標定。

  球式體積管因具有準確度高和可靠性高的特點, 在液烴輸送行業(yè)中應用廣泛, 球式體積管的容積可以做的很大, 可以滿足表1的容積值, 因為體積夠大, 所以超聲波流量計本身的滯后性對球形體積管的影響可以忽略不計。對于小尺寸的液超, 球式體積管的占地面積是可以接受的, 如標定4in的液超, 球式體積管大約長20m、寬6m, 重11t。但是對于大尺寸的液超, 球式體積管的占地面積過于巨大, 標定12in液超時, 球式體積管長90m、寬6m, 海上平臺無法實現(xiàn), 即使在陸地上, 制造、運輸、安裝也非常不便, 經(jīng)濟性較差。所以對于小尺寸液超, 可以考慮直接用球式體積管標定;而對于大尺寸液超, 巨大的容積要求限制了體積管的使用。

  根據(jù)API MPMS 4.5的要求, 標準表標定法又分為直接標準表標定法和間接標準表標定法[4]。

  直接標準表標定法。體積管與標準表和液超都串聯(lián)在一起, 在同樣的操作和工藝條件下, 體積管先標定標準表, 標準表再標定液超。這種方法運用了等精度傳遞理論, 即在流量量值傳遞時只要滿足計量學相同性基本原則, 流量計在使用和檢定時流量點相同、介質(zhì)相同、使用介質(zhì)的物理特性相同、流量計檢定和使用時幾何特性相同、流量計在檢定和使用過程中的操作過程相同, 那么流量基準所復現(xiàn)的流量單位值將會等精度傳遞給工作流量計[1]。

  間接標準表標定法是用已經(jīng)標定好的標準表與液超在現(xiàn)場串聯(lián), 用已知精度的標準表標定液超。利用在實驗室標定好或者上次在現(xiàn)場標定好的標準表來標定液超時, 因為標定的流體狀況、操作條件和安裝方式都發(fā)生了改變, 所以會帶來比較大的偏差。

  綜上所述, 直接標準表標定法是的主要檢定方法, 國外主要的技術(shù)機構(gòu)都采用此方法, 并且主流的流量計算機都在控制程序中支持該檢定方法?？紤]到活塞式體積管標定的優(yōu)點, 直接標準表法中主要采用活塞式體積管。標準表主要采用渦輪流量計, 因為用活塞式體積管標定渦輪流量計比較容易達到要求的可重復性。

  體積管-標準表法標定程序如下:

a.連接好標定工藝回路, 連通工藝介質(zhì), 并檢查整個回路的密封性;

b.調(diào)節(jié)并穩(wěn)定流量至設(shè)定值, 穩(wěn)定溫度;

c.用體積管標定標準表, 多次重復測量, 使儀表系數(shù)的不確定度為±0.027%, 此時液超標定次數(shù)和對應的可重復性見表2[3];

d.把新的儀表系數(shù)植入標準表中;

e.用標準表標定液超, 使液超的儀表系數(shù)滿足較低不確定度為±0.027%的要求;

f.重新用小體積管標定標準表, 確保新的標準表的儀表系數(shù)和上次相比變化小于0.02%, 否則重復以上步驟;

g.根據(jù)不同的流量, 重復以上步驟。

  液超測量具有滯后性, 并且對流量擾動敏感, 導致液超的實流標定成為業(yè)界一大難題。通過對液超測量特性的具體分析, 總結(jié)出直接標準表標定法 (體積管+標準表) 是性價比較高的一種標定方案, 其中小體積管+渦輪標準表方案得到了廣泛認可, 與直接標定法 (球形體積管) 相比具有尺寸小、重量輕、可移動及經(jīng)濟性好等諸多優(yōu)勢, 是海上和陸上液烴計量的實惠方案。

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