液體石油物料仿實流校準系統研究及應用

汪楚堯

摘? ? ? 要： 液體石油物料測量分布于石油勘探、加工、運輸、銷售過程中的各個環節，是石油化工企業成本核算、原料互供、商務結算的重要手段。在企業生產經營過程中，通常使用各樣各式的流量計，來開展液體石油物料流量測量，進而獲取交接數據。流量計在長時間工作負荷下，經常會發生超差現象，此時就要進行量值溯源，因為受到工藝流程、環境條件、設備性能、實驗方法不同的影響，校準的結果也會存在很大差別。本文介紹了如何建立科學有效的仿實流校準系統，來保證流量測量的準確性、可靠性、穩定性。

關? 鍵? 詞：標準器;流量;動態;靜態

中圖分類號：TQ 016.1? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2020）09-1945-04

Abstract： The measurement of liquid petroleum materials is distributed in various links in the process of petroleum exploration， processing， transportation， and sales. It is an important method for cost accounting， mutual supply of raw materials， and business settlement of petrochemical enterprises. In the production and operation of an enterprise， various types of flow meters are usually used to measure the flow of liquid petroleum materials to obtain the transfer data. Flow meters often have out-of-tolerance under long-term working load. At this time， the value traceability is necessary. Because of the different influences of process flow， environmental conditions， equipment performance， and experimental methods， the results of calibration will also have very large differences. In this article， how to establish a scientific and effective simulation flow calibration system to ensure the accuracy， reliability， and stability of flow measurement was described.

Key words： Standard; Flow; Dynamic; Static

液體石油物料實流校準，是石油化工行業在測量領域中不可或缺的一項量值保障舉措。只有量值得到保障，才能憑數據指揮生產、監控工藝、完成生產任務，實現經營收益。

使用流量計對液體石油物料流量進行測量，是當前石油化工行業慣用做法。流量即單位時間內過封閉管道或明渠有效截面的量，它與生產加工數據是否準確、可靠有著密切的關系。而如何保證流量計測量值準確、可靠及找尋測量值與被測真值之間的關系，則是本文主要探討的一項課題。

流量計是我國依法規定被列入實施強制管理范疇內的計量器具，企業在使用過程中，若要保證流量計數值準確可靠，就必須要依據法規技術文件支持的實驗方法，科學合理地開展測量結果評價。校準是能夠對流量計測量結果進行全面判定、驗證的一種實驗方法，校準即確定由測量標準提供的量值與相應示值之間的關系，也是國際互認的一種必要舉措[1]。本文針對液體石油物料仿實流校準系統的設計目標與預期效果，提出基本思路，建立了科學應用方法。

1? 校準方法比較

1.1? 動態法

動態法通常可以分為兩類：一是以標準體積管作為主標準器的體積管法流量校準法，二是以標準流量計作為主標準器的稱量法流量校準法[2]。

1.1.1? 原理分析

以標準體積管作為主標準器的體積管法流量校準法，是利用內徑均勻的一段不銹鋼管材作為標準量器，管內放入與實流液體共同運行的球體或活塞，對球體或活塞在兩個檢測開關之間運動的時間進行測量。因為兩個檢測開關之間不銹鋼管材的容積已經標定，其體積為已知，所以將體積管測量值與被測流量計比較計算，得出校準結果。

以標準流量計作為主標準器的比較法流量校準法，是利用準確度等級較高的流量計作為標準器與被測流量計串聯，在實流液體通過標準器與被測流量計期間，利用流量計輸出信號建立流量曲線，按照時間節點對流量曲線進行切割，保證兩臺流量計的曲線在同時間段內進行比較，得出校準結果。

1.1.2? 方法比較與選擇

將兩種動態法的特點進行比較，以此選擇適合實流校準最優的一種動態校準方法。

從表1中可見，相對于標準體積管法，校準流量計法在動態法中的準確度、適應性、構造性更優，因此，選擇以標準流量計作為主標準器的比較法流量校準法作為動態法實流校準。

1.2? 靜態法

靜態法通常可以分為兩類：一是以標準量器作為主標準器的容積法流量校準法，二是以標準秤作為主標準器的稱量法流量校準方法[2]。

1.2.1? 建立原理

以標準量器作為主標準器的容積法流量校準法，是將實流液體經被測流量計后，進入標準量器，測量在設計時間段內流入測量流量計與標準量器的體積，將兩種測量值進行比較，得出校準結果。

以標準秤作為主標準器的稱量法流量校準法，是將實流液體經被測流量計后，進入標準秤，測量在設計時間段內流入測量流量計與標準秤的體積，將兩種測量值進行比較，得出校準結果。

1.2.2? 方法比較與選擇

將兩種靜態法的特點進行比較，以此選擇適合實流校準最優的一種靜態校準方法。

從表2中可見，相對于標準量器法，標準秤法在靜態法中的準確度、適應性、構造性更優，因此，選擇以標準秤作為主標準器的稱量法流量校準法作為靜態法實流校準。

2? 校準系統建立

2.1? 校準目標確定

通過實流校準，根據使用需要，來測試流量計量程的5%、10%、20%、25%、30%、50%、60%、70%、80%、90%、100%流量數據情況（如有生產特定需要，也可以指定量程的百分比）。通過改變測量條件，包括溫度（每個調整間隔為5 ℃）、壓力（每個調整間隔為0.05 MPa）、實流密度（每個調整間隔為10 kg·m-3）、兩相流體（每個調整間隔為5%的氣體、1%的固體），依據標準器來校準被測試流量計的誤差值、重復性、不確定度以及改變測量條件后的數據偏差值，進而達到仿實流校準目的。

2.2? 環境與特性

2.2.1? 校準環境

流量系統在不同的環境條件下使用，會展現出不同的運行特性。具體包括：氣候環境（溫度、濕度、氣壓、沙塵、雨雪、輻射源）、機械環境（振動、沖擊、碰撞、摩擦）、干擾環境（電磁、脈沖、電源）、安全環境（防爆、防水、靜電）。在建立校準系統的同時，應提前做好以上各種環境的保證與控制，可控的操作環境可以用來建立流量系統的工況數據庫，不可控的操作環境盡可能屏蔽掉，或者保持在一個穩定的狀態。

2.2.2? 流體特性

從微觀分子狀態看，實踐中流體不是均勻連續的，從物理、化學性質看講，每種聚集狀態內部的均勻部分為相，當一個相內部達到平衡時，這個相的物理、化學性質就是均勻一致的。流體在實踐與校準過程中，有可能會出現相變過程，如管道流體壓力過低時，容易出現空蝕現象，而由此產生的數據偏差是需要考慮的。

2.3? 系統設計

仿實流校準系統總體由以下幾部分構成：實流源（液態石油物料、機泵、貯存池、穩壓容器、變頻調節等設備組成）、數據采集控制系統（由工業控制微機、數據采集與過程控制站、輸出等設備組成）、標準器（標準流量計、標準秤）、試驗管道及流量調節系統（變頻調整系統、穩壓容器、消氣過濾器等設備組成）。校準原理為靜態稱重法+動態標準流量計法。

2.3.1? 工藝管徑分布

校準系統的流量跨度較大，為了保證因地制宜地對不同區間的流量進行科學合理的校準，考慮操作實際情況，該校準系統設計了9 條工藝管徑不同的校準線路，這樣可以保證在校準系統量程范圍內，完成每個區間的流量校準工作任務。

2.3.2? 技術指標

1） 標準流量計準確度等級為0.05/0.1。

2） 標準秤擴展不確定度0.02%（k=2），檢定分度值優于1/6 000。

3） 壓力變送器測量準確度等級0.05%，測量范圍0～1.0 MPa。

4） 溫度變送器測量準確度等級為0.1級，測量范圍0～50 ℃。

5） 計時器的晶振采用溫被晶振，其8 h的晶振穩定度≤1×10-6。計時器最小讀數優于0.000 1 s（液體流入稱重容器的時間通常用內部帶有一個石英晶體電子計數器來測量，計時器應由換向器本身的運動通過固定在換向器上的開關來驅動[3]）。

6） 系統壓力波動≤0.2%。

7） 流體穩定性：0.2%。

8） 換向時間差≤10 ms（系統換向器的正反行程差可以通過自身附帶的光電檢出裝置自動測出，便于測試者校準換向器的正反行程差，同時也考慮在需要高精度計量時，精確測量出換入和換出的時間差，補償因換向器的換入和換出時間差帶來的附加誤差）。

9） 校準量程0～1 500 m?·h-1。

10） 校準系統總不確定度：動態法系統擴展不確定度（k=2）， 0.3%;靜態法系統擴展不確定度（k=2），0.05%（動態法與靜態法校準系統不確定度的高低取決于所使用標準器的準確度等級，這是由標準器特性所決定的）。

2.3.3? 校準能力

可開展校準的流量計包括（DN15至DN300之間）：質量流量計、渦輪流量計、渦街流量計、超聲流量計、電磁流量計、差壓式流量計、冷水水表等。通訊信號包括：脈沖信號、電流信號、電壓信號、頻率、數字通訊。校準參數主要包括流量計MF系數、K系數等[4]。

2.3.4? 實流校準

企業測量的最終目的，是為了得到被測量液體石油物料的實際流量，待校流量計與標準器處于實流下的同等使用條件進行校準，避免了因油品的溫度、黏度、壓力等差異而造成的誤差[5]。

2.3.5? 控制方式

控制系統以工業計算機進行人機對話控制，完成對現場泵、變頻器、閥門、標準器等設備的實時控制、數據采集、遠程操作等功能，實現控制和數據處理的自動化。系統校準控制與動力控制獨立，在校準界面設有緊急停車鍵，保證設備及人員安全。

3? 實踐應用

3.1? 以標準流量計作為主標準器的比較法應用

液體石油物料在油輪裝卸、不間斷式管線輸送過程中，長時間的高強度、高負荷運行加上工藝環境改變，流量測量難免會出現偏差，這時如果采用傳統標準秤法，標準秤無法滿足長時間大流量累積值的測量，主要缺點是稱量容器與標準秤的量程是在校準系統建設初期確定的，一旦投入使用，累積量程會受容器裝載限制，無法超限使用。因此，推薦使用標準流量計法，主要優點是，標準流量計在對待校流量計進行校準時，管道液體實流不需要停止，且不需要進入固定容器進行稱量，而是與工藝流程同步運行，校準時效性較為靈活，周期也較長，可以根據校準時間，最大限度對流量計的各類參數進行測量、分析、校對、調試。

3.2? 以標準秤作為主標準器的稱量法應用

液體石油物料在汽槽裝卸、火槽裝卸、間歇式管線輸送時，推薦采用標準秤法進行標準。主要優點是，流量常用值（0～1 500 m-3·h-1）均在傳統標準秤法（DN15-300）設計量程內，可以滿足日常小容量裝載各測量區間需求。其次，準確度等級相對標準流量計法要更高（動態法系統擴展不確定度k=2， 0.3%;靜態法系統擴展不確定度k=2，0.05%。），因此在商務交接使用時，優勢更為明顯，既能夠最大限度提升計量準確度，保證效益不流失，又滿足客戶足量需求。當然，標準流量計法也可以應用于此類校準，只是相對于標準秤法而言，準確度等級相對要低，校準結果不如前者更加理想。

3.3? 兩種方法相結合應用

隨著信息化時代的到來，大多數石油化工企業在對液體石油物料的流量測量管理上給予高度期望，對大數據化、時效化、高標準化的需求越來越強烈，相對于使用傳統、單一的校準方式已經無法勝任日益苛刻的校準任務及工作需要。在這類企業中，既有港口貿易的大流量校準需求，又有零付散裝的小流量校準需求，更有多種工藝狀態流量測量分析需求。因此，本文以校準系統之間的優勢互補、相互比對、計量監督為出發點，將以標準流量計作為主標準器的比較法與以標準秤作為主標準器的稱量法，進行組合處理，來建立液體石油物料仿實流校準系統，以實現多工況、多任務、高標準的校準工作目標。

4? 結束語

國際計量組織提出校準流量系統的準確度應比待校流量計的準確度高5倍以上，即應優于被校流量計基本誤差的1/5。我國計量組織提出流量標準系統的準確度應比待校流量計的準確度高3倍以上，即系統的質量流量擴展不確定度應不大于流量計最大允許誤差值的1/3[6]。通過大量實驗數據證明，這些流量設施按照誤差傳遞公式認定對校準后流量計示值影響程度較小。目前國內石油化工企業在對液體石油物料進行仿實流校準實驗時，正如本文開篇所提到的校準方法，這4種方法均滿足實驗理論要求，但是基于各種校準方法之間的優缺比較與實踐研究，可以篩選出準確性、適應性、時效性最優的校準方法，并可以通過組合系統建標的方式，來提升企業校準管理的工作標準。

參考文獻：

[1] JJF1001—20011，通用計量術語及定義[S].

[2] 潘丕武.石油計量技術[M].北京：中國計量出版社，2009.

[3] GB/T 17612—1998，封閉管道中液體流量的測量 稱重法[S].

[4] GB/T 9109.5—2009，石油和液體石油產品油量計算 動態計量[S].

[5] 肖素琴.油品計量員讀本[M].北京：中國石化出本社，2007

[6] JJG1038—2008，科里奧利質量流量計[S].