液體石油物料仿實流校準(zhǔn)系統(tǒng)研究及應(yīng)用

液體石油物料測量分布于石油勘探、加工、運(yùn)輸、銷售過程中的各個環(huán)節(jié)，是石油化工企業(yè)成本核算、原料互供、商務(wù)結(jié)算的重要手段。在企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)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(jìn)而獲取交接數(shù)據(jù)。流量計在長時間工作負(fù)荷下，經(jīng)常會發(fā)生超差現(xiàn)象，此時就要進(jìn)行量值溯源，因為受到工藝流程、環(huán)境條件、設(shè)備性能、實驗方法不同的影響，校準(zhǔn)的結(jié)果也會存在很大差別。上海自動化儀表介紹了如何建立科學(xué)有效的仿實流校準(zhǔn)系統(tǒng)，來保證流量測量的準(zhǔn)確性、可靠性、穩(wěn)定性。

液體石油物料實流校準(zhǔn)，是石油化工行業(yè)在測量領(lǐng)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(shù)據(jù)指揮生產(chǎn)、監(jiān)控工藝、完成生產(chǎn)任務(wù)，實現(xiàn)經(jīng)營收益。

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

流量計是我國依法規(guī)定被列入實施強(qiáng)制管理范疇內(nèi)的計量器具，企業(yè)在使用過程中，若要保證流量計數(shù)值準(zhǔn)確可靠，就必須要依據(jù)法規(guī)技術(shù)文件支持的實驗方法，科學(xué)合理地開展測量結(jié)果評價。校準(zhǔn)是能夠?qū)α髁坑嫓y量結(jié)果進(jìn)行全面判定、驗證的一種實驗方法，校準(zhǔn)即確定由測量標(biāo)準(zhǔn)提供的量值與相應(yīng)示值之間的關(guān)系，也是國際互認(rèn)的一種必要舉措[1]。本文針對液體石油物料仿實流校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)與預(yù)期效果，提出基本思路，建立了科學(xué)應(yīng)用方法。

1 校準(zhǔn)方法比較

1.1 動態(tài)法

動態(tài)法通?？梢苑譃閮深悾阂皇且詷?biāo)準(zhǔn)體積管作為主標(biāo)準(zhǔn)器的體積管法流量校準(zhǔn)法，二是以標(biāo)準(zhǔn)流量計作為主標(biāo)準(zhǔn)器的稱量法流量校準(zhǔn)法。

1.1.1 原理分析

以標(biāo)準(zhǔn)體積管作為主標(biāo)準(zhǔn)器的體積管法流量校準(zhǔn)法，是利用內(nèi)徑均勻的一段不銹鋼管材作為標(biāo)準(zhǔn)量器，管內(nèi)放入與實流液體共同運(yùn)行的球體或活塞，對球體或活塞在兩個檢測開關(guān)之間運(yùn)動的時間進(jìn)行測量。因為兩個檢測開關(guān)之間不銹鋼管材的容積已經(jīng)標(biāo)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(zhǔn)結(jié)果。以標(biāo)準(zhǔn)流量計作為主標(biāo)準(zhǔn)器的比較法流量校準(zhǔn)法，是利用準(zhǔn)確度等級較高的流量計作為標(biāo)準(zhǔn)器與被測流量計串聯(lián)，在實流液體通過標(biāo)準(zhǔn)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(jié)點(diǎn)對流量曲線進(jìn)行切割，保證兩臺流量計的曲線在同時間段內(nèi)進(jìn)行比較，得出校準(zhǔn)結(jié)果。

1.1.2 方法比較與選擇

將兩種動態(tài)法的特點(diǎn)進(jìn)行比較，以此選擇適合實流校準(zhǔn)非常優(yōu)的一種動態(tài)校準(zhǔn)方法。

1.2 靜態(tài)法

靜態(tài)法通?？梢苑譃閮深悾阂皇且詷?biāo)準(zhǔn)量器作為主標(biāo)準(zhǔn)器的容積法流量校準(zhǔn)法，二是以標(biāo)準(zhǔn)秤作為主標(biāo)準(zhǔn)器的稱量法流量校準(zhǔn)方法。

1.2.1 建立原理

以標(biāo)準(zhǔn)量器作為主標(biāo)準(zhǔn)器的容積法流量校準(zhǔn)法，是將實流液體經(jīng)被測流量計后，進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)量器，測量在設(shè)計時間段內(nèi)流入測量流量計與標(biāo)準(zhǔn)量器的體積，將兩種測量值進(jìn)行比較，得出校準(zhǔn)結(jié)果。以標(biāo)準(zhǔn)秤作為主標(biāo)準(zhǔn)器的稱量法流量校準(zhǔn)法， 是將實流液體經(jīng)被測流量計后，進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)秤，測量在設(shè)計時間段內(nèi)流入測量流量計與標(biāo)準(zhǔn)秤的體積，將兩種測量值進(jìn)行比較，得出校準(zhǔn)結(jié)果。

1.2.2 方法比較與選擇

將兩種靜態(tài)法的特點(diǎn)進(jìn)行比較，以此選擇適合實流校準(zhǔn)非常優(yōu)的一種靜態(tài)校準(zhǔn)方法。相對于標(biāo)準(zhǔn)量器法，標(biāo)準(zhǔn)秤法在靜態(tài)法中的準(zhǔn)確度、適應(yīng)性、構(gòu)造性更優(yōu)，因此，選擇以標(biāo)準(zhǔn)秤作為主標(biāo)準(zhǔn)器的稱量法流量校準(zhǔn)法作為靜態(tài)法實流校準(zhǔn)。

2 校準(zhǔn)系統(tǒng)建立

2.1 校準(zhǔn)目標(biāo)確定

通過實流校準(zhǔn)，根據(jù)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(shù)據(jù)情況（如有生產(chǎn)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(diào)整間隔為 5℃）、壓力（每個調(diào)整間隔為 0.05 MPa）、實流密度（每個調(diào)整間隔為 10 kg·m-3）、兩相流體（每個調(diào)整間隔為 5%的氣體、1%的固體），依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)器來校準(zhǔn)被測試流量計的誤差值、重復(fù)性、不確定度以及改變測量條件后的數(shù)據(jù)偏差值，進(jìn)而達(dá)到仿實流校準(zhǔn)目的。

2.2 環(huán)境與特性

2.2.1 校準(zhǔn)環(huán)境

流量系統(tǒng)在不同的環(huán)境條件下使用，會展現(xiàn)出不同的運(yùn)行特性。具體包括：氣候環(huán)境（溫度、濕 度、氣壓、沙塵、雨雪、輻射源）、機(jī)械環(huán)境（振動、沖擊、碰撞、摩擦）、干擾環(huán)境（電磁、脈沖、電源）、安全環(huán)境（防爆、防水、靜電）。在建立校準(zhǔn)系統(tǒng)的同時，應(yīng)提前做好以上各種環(huán)境的保證與控制，可控的操作環(huán)境可以用來建立流量系統(tǒng)的工況數(shù)據(jù)庫，不可控的操作環(huán)境盡可能屏蔽掉，或者保持在一個穩(wěn)定的狀態(tài)。

2.2.2 流體特性

從微觀分子狀態(tài)看，實踐中流體不是均勻連續(xù)的，從物理、化學(xué)性質(zhì)看講，每種聚集狀態(tài)內(nèi)部的均勻部分為相，當(dāng)一個相內(nèi)部達(dá)到平衡時，這個相的物理、化學(xué)性質(zhì)就是均勻一致的。流體在實踐與校準(zhǔn)過程中，有可能會出現(xiàn)相變過程，如管道流體壓力過低時，容易出現(xiàn)空蝕現(xiàn)象，而由此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)偏差是需要考慮的。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計

仿實流校準(zhǔn)系統(tǒng)總體由以下幾部分構(gòu)成：實流源（液態(tài)石油物料、機(jī)泵、貯存池、穩(wěn)壓容器、變頻調(diào)節(jié)等設(shè)備組成）、數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)（由工業(yè)控制微機(jī)、數(shù)據(jù)采集與過程控制站、輸出等設(shè)備組成）、標(biāo)準(zhǔn)器（標(biāo)準(zhǔn)流量計、標(biāo)準(zhǔn)秤）、試驗管道及流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)（變頻調(diào)整系統(tǒng)、穩(wěn)壓容器、消氣過濾器等設(shè)備組成）。校準(zhǔn)原理為靜態(tài)稱重法+動態(tài)標(biāo)準(zhǔn)流量計法。

2.3.1 工藝管徑分布

校準(zhǔn)系統(tǒng)的流量跨度較大，為了保證因地制宜地對不同區(qū)間的流量進(jìn)行科學(xué)合理的校準(zhǔn)，考慮操作實際情況，該校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計了 9 條工藝管徑不同的校準(zhǔn)線路，這樣可以保證在校準(zhǔn)系統(tǒng)量程范圍內(nèi)，完成每個區(qū)間的流量校準(zhǔn)工作任務(wù)。

2.3.2 技術(shù)指標(biāo)

1） 標(biāo)準(zhǔn)流量計準(zhǔn)確度等級為 0.05/0.1。 2） 標(biāo)準(zhǔn)秤擴(kuò)展不確定度 0.02%（k=2），檢定分度值優(yōu)于 1/6 000。 3） 壓力變送器測量準(zhǔn)確度等級 0.05%，測量范圍 0～1.0 MPa。 4） 溫度變送器測量準(zhǔn)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(wěn)定度≤1×10-6。計時器非常小讀數(shù)優(yōu)于 0.000 1 s （液體流入稱重容器的時間通常用內(nèi)部帶有一個石英晶體電子計數(shù)器來測量，計時器應(yīng)由換向器本身的運(yùn)動通過固定在換向器上的開關(guān)來驅(qū)動[3]）。 6） 系統(tǒng)壓力波動≤0.2%。 7） 流體穩(wěn)定性：0.2%。 8） 換向時間差≤10 ms（系統(tǒng)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(zhǔn)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(bǔ)償因換向器的換入和換出時間差帶來的附加誤差）。 9） 校準(zhǔn)量程 0～1 500 m3·h-1。10） 校準(zhǔn)系統(tǒng)總不確定度：動態(tài)法系統(tǒng)擴(kuò)展不確定度（k=2）， 0.3%；靜態(tài)法系統(tǒng)擴(kuò)展不確定度（k=2），0.05%（動態(tài)法與靜態(tài)法校準(zhǔn)系統(tǒng)不確定度的高低取決于所使用標(biāo)準(zhǔn)器的準(zhǔn)確度等級，這是由標(biāo)準(zhǔn)器特性所決定的）。

2.3.3 校準(zhǔn)能力

可開展校準(zhǔn)的流量計包括（DN15 至 DN300 之間）：質(zhì)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(shù)字通訊。校準(zhǔn)參數(shù)主要包括流量計MF 系 數(shù)、K 系數(shù)等。

2.3.4 實流校準(zhǔn)

企業(yè)測量的非常終目的，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(biāo)準(zhǔn)器處于實流下的同等使用條件進(jìn)行校準(zhǔn)，避免了因油品的溫度、黏度、壓力等差異而造成的誤差。

2.3.5 控制方式

控制系統(tǒng)以工業(yè)計算機(jī)進(jìn)行人機(jī)對話控制，完成對現(xiàn)場泵、變頻器、閥門、標(biāo)準(zhǔn)器等設(shè)備的實時控制、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程操作等功能，實現(xiàn)控制和數(shù)據(jù)處理的自動化。系統(tǒng)校準(zhǔn)控制與動力控制獨(dú)立，在校準(zhǔn)界面設(shè)有緊急停車鍵，保證設(shè)備及人員安全。

3 實踐應(yīng)用

3.1 以標(biāo)準(zhǔn)流量計作為主標(biāo)準(zhǔn)器的比較法應(yīng)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(qiáng)度、高負(fù)荷運(yùn)行加上工藝環(huán)境改變，流量測量難免會出現(xiàn)偏差，這時如果采用傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)秤法，標(biāo)準(zhǔn)秤無法滿足長時間大流量累積值的測量，主要缺點(diǎn)是稱量容器與標(biāo)準(zhǔn)秤的量程是在校準(zhǔn)系統(tǒng)建設(shè)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(biāo)準(zhǔn)流量計法，主要優(yōu)點(diǎn)是，標(biāo)準(zhǔn)流量計在對待校流量計進(jìn)行校準(zhǔn)時，管道液體實流不需要停止，且不需要進(jìn)入固定容器進(jìn)行稱量，而是與工藝流程同步運(yùn)行，校準(zhǔn)時效性較為靈活，周期也較長，可以根據(jù)校準(zhǔn)時間，非常大限度對流量計的各類參數(shù)進(jìn)行測量、分析、校對、調(diào)試。

3.2 以標(biāo)準(zhǔn)秤作為主標(biāo)準(zhǔn)器的稱量法應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)秤法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)。主要優(yōu)點(diǎn)是，流量常用值（0~1500 m-3·h-1）均在傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)秤法（DN15-300）設(shè)計量程內(nèi)，可以滿足日常小容量裝載各測量區(qū)間需求。其次，準(zhǔn)確度等級相對標(biāo)準(zhǔn)流量計法要更高（動態(tài)法系統(tǒng)擴(kuò)展不確定度 k=2，0.3%；靜態(tài)法系統(tǒng)擴(kuò)展不確定度 k=2，0.05%。），因此在商務(wù)交接使用時，優(yōu)勢更為明顯，既能夠非常大限度提升計量準(zhǔn)確度，保證效益不流失，又滿足客戶足量需求。當(dāng)然，標(biāo)準(zhǔn)流量計法也可以應(yīng)用于此類校準(zhǔn)，只是相對于標(biāo)準(zhǔn)秤法而言，準(zhǔn)確度等級相對要低，校準(zhǔn)結(jié)果不如前者更加理想。

3.3 兩種方法相結(jié)合應(yīng)用

隨著信息化時代的到來，大多數(shù)石油化工企業(yè)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(shù)據(jù)化、時效化、高標(biāo)準(zhǔn)化的需求越來越強(qiáng)烈，相對于使用傳統(tǒng)、單一的校準(zhǔn)方式已經(jīng)無法勝任日益苛刻的校準(zhǔn)任務(wù)及工作需要。在這類企業(yè)中，既有港口貿(mào)易的大流量校準(zhǔn)需求，又有零付散裝的小流量校準(zhǔn)需求，更有多種工藝狀態(tài)流量測量分析需求。因此，本文以校準(zhǔn)系統(tǒng)之間的優(yōu)勢互補(bǔ)、相互比對、計量監(jiān)督為出發(fā)點(diǎn)，將以標(biāo)準(zhǔn)流量計作為主標(biāo)準(zhǔn)器的比較法與以標(biāo)準(zhǔn)秤作為主標(biāo)準(zhǔn)器的稱量法，進(jìn)行組合處理，來建立液體石油物料仿實流校準(zhǔn)系統(tǒng)，以實現(xiàn)多工況、多任務(wù)、高標(biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)工作目標(biāo)。

4 結(jié)束語

國際計量組織提出校準(zhǔn)流量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度應(yīng)比待校流量計的準(zhǔn)確度高 5 倍以上，即應(yīng)優(yōu)于被校流量計基本誤差的 1/5。我國計量組織提出流量標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確度應(yīng)比待校流量計的準(zhǔn)確度高 3 倍以上，即系統(tǒng)的質(zhì)量流量擴(kuò)展不確定度應(yīng)不大于流量計非常大允許誤差值的 1/3[6]。通過大量實驗數(shù)據(jù)證明，這些流量設(shè)施按照誤差傳遞公式認(rèn)定對校準(zhǔn)后流量計示值影響程度較小。目前國內(nèi)石油化工企業(yè)在對液體石油物料進(jìn)行仿實流校準(zhǔn)實驗時，正如本 文開篇所提到的校準(zhǔn)方法，這 4 種方法均滿足實驗理論要求，但是基于各種校準(zhǔn)方法之間的優(yōu)缺比較與實踐研究，上海自動化儀表可以篩選出準(zhǔn)確性、適應(yīng)性、時效性非常優(yōu)的校準(zhǔn)方法，并可以通過組合系統(tǒng)建標(biāo)的方式， 來提升企業(yè)校準(zhǔn)管理的工作標(biāo)準(zhǔn)。