體積管檢定誤差來源的探討

高松,高立夫,高路

中國石化管道儲運分公司新鄉輸油處(河南新鄉453000)

體積管檢定誤差來源的探討

中國石化管道儲運分公司新鄉輸油處(河南新鄉453000)

從體積管檢定過程中出現的氣體進入,液體泄漏,電子、機械部件的復現性,體積管內壁結蠟及其他方面,分析了體積管檢定的誤差來源,提出了一些改進措施,為規范體積管檢定程序,減小檢定誤差提供了理論指導及實踐經驗。

體積管;檢定;誤差來源

目前在國內原油交接計量中,以流量計動態計量為主要方式,其中絕大多數以選用容積式流量計計量為主,并在線配套體積管,以確保流量計的準確。在其使用過程中,體積管的不確定度會傳遞給流量計,且其結果將影響到一個檢定周期,所以體積管檢定的誤差對流量計的檢定及計量影響較大。

提高體積管檢定結果的準確度是減小流量計檢定誤差、提高計量交接準確度的重要措施之一。如何提高體積管檢定結果的準確度是擺在計量檢定人員面前的嚴峻課題,只有了解體積管的誤差來源并采取有效的措施杜絕誤差的產生,才能保證體積管檢定結果的準確度。

1 體積管檢定工作原理

圖1是體積管容積檢定流程示意圖。在體積管的正式檢定前,需要做一系列的準備工作：開啟水泵,讓水在整個檢定系統中循環起來,期間通過采取措施(比如通過運行置換球)最終排凈檢定系統中的氣體。循環至整個系統溫度達到平衡時,才能開展對體積管的檢定。

體積管的具體檢定工作程序是：體積管的檢定介質(水)由水泵從儲水池抽水至體積管的進口,發球后推動置換球在體積管內移動,觸發檢測開關1時,換向器立即切換,讓檢定流程的水流入已經準備好的標準量器1,當進入標準量器的水位至能有效讀取刻度值時,立即把換向器切換到另一待用的標準量器2。在標準量器2注水的過程中,要完成標準量器1的刻度讀數、測溫、放水、控制滴流時間、關底閥等工作內容,為下一步工作做好準備。當標準量器2注水至能有效讀取刻度值時,換向器再切換至標準量器1,直至檢定球觸發體積管的第二檢測開關,讀取最后一標準量器的數值,即完成體積管的一次檢定過程。當然,事先要根據體積管的體積確定每個標準金屬量器的使用次數。

2 影響體積管檢定結果的因素分析

2.1 檢定介質攜帶氣體

用水檢定體積管的過程中,為達到體積管檢定的準確度和重復性。要保證不得有空氣進入檢定系統,同時要保證進入體積管基準管段的水全部進入標準量器。因為氣體進入會導致氣體占據檢定用液體的體積而引入負的附加誤差;液體泄漏會導致檢定用液體的丟失而引入正的附加誤差。同時都會對檢定結果的重復性影響較大。

2.1.1 空氣進入體積管檢定系統的途徑

1)在體積管檢定前,體積管中的空氣沒有排凈。

圖1 體積管容積檢定流程示意圖

2)體積管檢定系統,儲水池和標準量器直接與大氣相通,高速液流會夾帶空氣進入計量循環系統。

3)水泵從儲水池中吸水,如果水泵的吸入口與液面較近,易形成旋渦,將會把空氣抽吸至泵內而進入檢定系統。同時泵體的吸入口與管線連接不嚴,也易吸入空氣。

4)液體內部產生的氣體。當計量檢定系統局部有低壓帶時,使溶解液流中的氣體溢出,通常稱為“氣穴”。這類氣穴總是產生大量很小的氣泡,空氣分離器也難以排除這些氣泡。

2.1.2 消除氣體影響的措施

1)體積管檢定系統投入運行后,計量液體基本能將氣體驅趕出去,但要求檢定系統中必須配備有效的排氣設施和選擇正確的排氣點,經多次投球循環并進行嚴格的排氣,排除掉滯留在液體內的氣體。

2)改造儲水池,將標準器泄放口和水泵吸入口用隔斷墻分開,形成聯通器,使標準器泄放入水池的水有足夠的時間將氣泡排出。

3)改造儲水池,將水泵的吸入口放置水池的最低點。同時保證在檢定時水池的水盡量滿。

4)目前對氣穴沒有有效的消除方法。最簡單、最根本的辦法是防止氣穴的產生。為此,一是檢定系統要保持一定的壓力(一般高于液體的飽和蒸氣壓),在溫度低于50℃條件下,水的飽和蒸氣壓不大于0.1MPa,通常對體積管容積檢定時水溫在5～30℃范圍內。二是體積管上游不可裝有節流閥或進行節流操作［1］。

2.2 液體泄漏的影響

要保證體積管置換球在2個檢測開關之間置換出來的水全部進入標準量器,就要求體積管第一個檢測開關后的所有旁通管線和閥門都必須保持嚴密性。否則,任何的泄漏就會對測量結果帶來誤差,檢定前應按規定進行檢驗,以防止閥門泄漏［2］。同時保證檢定球的表面光滑無劃痕且不變形,其直徑應大于體積管標準管段內徑的2%～4%;換向器應無濺水、漏水和存水的現象。

在流程的設計時,應盡量將這些管線和閥門安裝在地上,以便能觀察它們是否嚴密、是否有漏點。

2.3 電子及機械傳動部件復現性的影響

2.3.1 檢測開關復現性對體積管標準容積的影響

體積管檢測開關之間的長度(即標準管段),是通過計算確定。它是檢測開關復現性和體積管系統復現性的函數。檢測開關能對檢定球作出反應,體積管系統復現性則能指示從檢測開關之間置換出的液量。要設計一臺體積管,其反復發訊確定的液量應在0.02%的誤差范圍內(這表示±0.01%或±1/10000的置換容差)。如已知選用的2個檢測開關,每個都能在2mm范圍內被檢定球觸發并發出信號,則檢定球最短的運行長度和最長運行長度之間最大差值為4mm。因該誤差不得大于總長度的0.02%,所以體積管檢測開關之間總長度至少為：0.004m/0.0002= 20m。

因此,體積管的復現性取決于檢測開關的實際復現性和標準管段的長度。如果準確度要求不高,則標準管段的長度可相應地短一些;如果準確度要求較高,則標準管段的長度就應長一些,或檢測開并必須有更高復現性［3］。

2.3.2 檢定球的復現性與機械開關動作的復現性之間的關系

檢定球位置的復現性與檢測開關動作的復現性之間的關系,如圖2所示：

圖2球位置復現性與機械檢測開關動作復現性之間的關系的示意圖

圖2 中,D為體積管標準管段內徑;d為檢測開關觸頭直徑;I為檢測開關插入的最深作用點的深度;I1-I2為檢測開關動作復現性的范圍;Δx為球位置復現性或球位置的范圍,用下式表示：

結果說明了如下事實：

1)球位置的復現性(球位置的誤差),一般不如檢測開關動作復現性好。

2)當所用檢測開關觸頭插入作用深度,大于管徑1/4時,而復現性不變時,體積管的直徑越大,球位置的誤差也越大。

3)當所用檢測開關觸頭插入作用深度,小于管徑1/4時,球位置的誤差比檢測開關的誤差大。

為減少因檢測開關誤差引起的誤差,檢測開關的作用深度應盡可能地深,深到像最精密的檢測開關那樣,由球的前沿來觸發。

2.3.3 換向器復現性的影響

換向器的響應時間小于0.1s,那么當檢定用液體的流量為40m3/h時,對一個標準容積為5m3的體積管產生的最大誤差為：

為保證檢定準確度,應使用復現性較高的換向器。同時,由上式可知：減小換向器復現性的影響的途徑還有：一是使用響應時間短的換向器;二是減小檢定用液體的流量。

2.4 體積管內壁結蠟引起的誤差

JJG209-2010《體積管檢定規程》及相關標準都對在線檢定系統的準備過程做了說明,但具體怎樣獲得滿意的檢定條件,以及滿意的檢定條件是什么,敘述得都不具體。但結蠟引起體積管的附加誤差確是客觀存在的。下面分析結蠟引起體積管的附加誤差對流量計準確度的影響。

檢定流量計時,體積管的標準體積是已知數。然而如果體積管的標準容積,因標準管段內壁結蠟而失準,則通過量值傳遞就會影響流量計的準確性。

2.4.1 體積管內壁結蠟引起的誤差分析

當體積管檢定流量計時的介質為高含蠟原油時,環境溫度和油品溫度的變化使原油中的蠟吸附在體積管的內壁上,而體積管檢定時的介質為水,所以就造成了體積管的實際標準容積縮小,通過量值傳遞將導致流量計產生負的附加誤差。即流量計顯示為負的測量誤差,但這一誤差不是流量計的真實誤差,而是加入了體積管內壁結蠟造成的系統誤差。

式中：δ為流量計的測量誤差;δt為流量計的真實誤差;δs為體積管內壁結蠟造成的系統誤差,負值。

表1是以某輸油站為例,計算出不同的結蠟厚度對體積管標準容積值及準確度的影響。其中體積管標準容積值V20=5002.9471L,內徑D=358mm,標準管段長度L=49.727m。

由表1可以看出,不同的結蠟厚度引起體積管容積值不同程度的變化,帶來的系統誤差也不同。

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表1 不同結蠟厚度對體積管標準容積值及準確度影響

2.4.2 結蠟過程分析

按照石油化學的觀點,原油中的蠟是指十六烷以上的烴類混合物,含蠟原油在管線輸送過程中易產生蠟沉積現象在國際上得到了普遍的認可。當原油的溫度低于析蠟點時,其中的蠟就開始從液相中結晶析出,隨著油溫逐漸下降,析出的蠟晶不斷增多,相互聯結形成三維空間結構,吸附在管壁上,形成堅硬的固相。所以溫度變化是促成蠟沉積的主要外界條件。

1)輸油溫度的影響。原油在高于析蠟點溫度或低于凝固點溫度時,蠟沉積均較輕微,但是在兩者之間卻有一個積蠟嚴重的溫度區域。積蠟高峰區的存在,是由于在此溫度區內,原油中的蠟晶體呈過飽和狀態,大量析出并在管壁內表面上直接結晶并逐漸沉積［4］。溫度較低時,因原油失去流動性,蠟不易析出;而溫度較高時,因原油的析蠟量與溶蠟量基本處于平衡狀態,也不易產生蠟沉積［5］。

2)油品含水的影響。原油中含高礦化度的水時,大量的Ca2+、Mg2+離子,會造成體積管內壁結垢。結垢不均勻又加強了蠟的附著力,結垢和結蠟同時產生時,它們堅固地附著在體積管的內壁上,檢定時增加投球次數也很難將其刮除掉。

2.4.3 防止體積管內壁結蠟的措施

高含蠟原油造成體積管內壁結蠟是必然的現象,將造成流量計檢定結果嚴重失真。那么,采取有效的措施防止或減少體積管內壁結蠟就非常必要。

1)輸油溫度和管線溫度的變化是導致蠟沉積的直接原因,另外原油的熔蠟點高于析蠟點,一旦出現蠟沉積,靠提高輸油溫度和管線溫度使蠟溶解的方法需要消耗大量的能源(原油或天然氣)是非常不經濟的。所以建議無論是室內還是室外安裝的體積管都應有伴熱設施并保證其伴熱系統的伴熱效果,使伴熱溫度始終高于原油的析蠟點是防止蠟沉積較有效的辦法。

2)冬季經常投球運行體積管,在體積管外壁增加電加熱設備及保溫層,在其使用前24～48h開啟加熱裝置,達到融化體積管內壁的結蠟,同時流量計檢定前應增加投球次數。目的是將沉積在體積管壁上的蠟刮下來,防止蠟的進一步沉積。

3)時刻關注流量計檢定數據的異常波動,出現問題及時分析,從流量計和體積管的檢定球、各部件密封性、檢定流程、原油物性、體積管內壁結蠟等查找原因,及時采取處理、防范措施。

2.5 其他因素的影響

2.5.1 液體滑過檢定球

由于檢定球的橢圓度或者過盈量選擇不當,以及檢定球長期運行造成的磨損,使其與體積管內壁的密封達不到要求,而會出現液體體積量會滑過檢定球的情況。

為防止這一情況出現,體積管檢定前必須檢查檢定球。先直觀檢查有無嚴重劃痕,確保檢定球直徑比體積管標準管段內徑大2%～4%,同時檢查球的圓度及充壓情況。不符合要求的,應及時處理或更換。

2.5.2 檢定用溫度計、壓力表準確度及讀取數值的影響

由體積管檢定體積的溫度、壓力換算過程可知,標準量器和體積管的壁溫,體積管內液體的壓力表的準確度都將影響到體積管標準體積的值。所以應保證使用準確度符合要求的溫度計、壓力表;同時應保證溫度、壓力的讀數準確。

3 結論

因為影響體積管檢定誤差的因素較多,在檢定前應仔細檢查每一個易產生誤差的環節。如果事先制定詳細的檢定工作流程圖,將對體積管容積檢定工作具有現實的指導意義,從而促進體積管工作的順利進行,保證檢定結果的準確性。

［1］JJG209-2010體積管檢定規程［S］.

［2］潘丕武.石油計量技術基礎［M］.北京：海洋出版社,2001.

［3］梁文杰.石油化學［M］.東營：石油大學出版社,1995.

［4］孫玉偉,宋征,仲權偉.體積管檢定流量計過程中存在的計量誤差［J］.中國新技術新產品,2010(19)：73-74.

［5］趙璟,濮新宏,陳祥斌.原油流量計檢定中的問題與對策［J］.油氣儲運,2010,29(3)：236-238.

Error sources of volume tube verification are analyzed from gas entering, liquid leakage, the reproducibility of electrical and mechanical elements and the precipitation of paraffin on the inner wall of the volume tube, some improvement measures are proposed,and the strict volume tube verification workflow is developed, which provide theoretical guidance and practical experience for standardizing the volume tube verification workflow and reducing the volume tube verification error.

volume tube; verification; error source

左學敏

2014-06-30

高松(1957-),男,工程師,主要從事原油貿易計量管理工作。