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(biāo)準(zhǔn)規(guī)范, 用于液烴計量的流量計需要定期標(biāo)定。與機(jī)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(biāo)定的難點。為此, 筆者分析了影響液超標(biāo)定的原因, 并根據(jù)API計量規(guī)范, 對不同的標(biāo)定方案進(jìn)行比較分析, 以得到較好的標(biāo)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(jì)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(hù)費用低;具有極強(qiáng)的在線診斷功能, 可以有效降低標(biāo)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(yīng)的頻率或頻譜, 根據(jù)流體力學(xué)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(dǎo)致高頻的擾動;流速的緩慢變化會導(dǎo)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(dǎo)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(jī)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(biāo)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(biāo)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(jìn)而影響流量的計算。但若流體物性變化不大, 通常認(rèn)為有效橫截面積不變。因此定期對流量計進(jìn)行實液標(biāo)定, 用計算得到的儀表系數(shù)對流量計示數(shù)進(jìn)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(jìn)行采樣, 計算得到平均流速, 進(jìn)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(biāo)定時延遲的脈沖會導(dǎo)致可重復(fù)性變差且引起儀表系數(shù)發(fā)生偏差, 因為流量計的重復(fù)性等同于脈沖輸出數(shù)量的重復(fù)性, 標(biāo)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(dǎo)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(biāo)定時如果流體不穩(wěn)定, 在標(biāo)定球或活塞觸發(fā)標(biāo)定撬檢測開關(guān)時流體出現(xiàn)瞬時擾動, 會導(dǎo)致液超脈沖的不規(guī)律輸出。

  標(biāo)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)表法。標(biāo)定過程中將被檢流量計與標(biāo)定裝置串聯(lián), 用體積管的標(biāo)準(zhǔn)體積 (或已知精度的標(biāo)準(zhǔn)表) 來認(rèn)證被檢流量計的精度, 當(dāng)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(yīng)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(biāo)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(biāo)定中得到廣泛應(yīng)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(dǎo)致重復(fù)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(biāo)定。

  球式體積管因具有準(zhǔn)確度高和可靠性高的特點, 在液烴輸送行業(yè)中應(yīng)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(biāo)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(biāo)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(jì)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)表標(biāo)定法又分為直接標(biāo)準(zhǔn)表標(biāo)定法和間接標(biāo)準(zhǔn)表標(biāo)定法[4]。

  直接標(biāo)準(zhǔn)表標(biāo)定法。體積管與標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)表, 標(biāo)準(zhǔn)表再標(biāo)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(xué)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(zhǔn)所復(fù)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(biāo)準(zhǔn)表標(biāo)定法是用已經(jīng)標(biāo)定好的標(biāo)準(zhǔn)表與液超在現(xiàn)場串聯(lián), 用已知精度的標(biāo)準(zhǔn)表標(biāo)定液超。利用在實驗室標(biāo)定好或者上次在現(xiàn)場標(biāo)定好的標(biāo)準(zhǔn)表來標(biāo)定液超時, 因為標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)表標(biāo)定法是的主要檢定方法, 國外主要的技術(shù)機(jī)構(gòu)都采用此方法, 并且主流的流量計算機(jī)都在控制程序中支持該檢定方法?？紤]到活塞式體積管標(biāo)定的優(yōu)點, 直接標(biāo)準(zhǔn)表法中主要采用活塞式體積管。標(biāo)準(zhǔn)表主要采用渦輪流量計, 因為用活塞式體積管標(biāo)定渦輪流量計比較容易達(dá)到要求的可重復(fù)性。

  體積管-標(biāo)準(zhǔn)表法標(biāo)定程序如下:

a.連接好標(biāo)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(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)表, 多次重復(fù)測量, 使儀表系數(shù)的不確定度為±0.027%, 此時液超標(biāo)定次數(shù)和對應(yīng)的可重復(fù)性見表2[3];

d.把新的儀表系數(shù)植入標(biāo)準(zhǔn)表中;

e.用標(biāo)準(zhǔn)表標(biāo)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(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)表, 確保新的標(biāo)準(zhǔn)表的儀表系數(shù)和上次相比變化小于0.02%, 否則重復(fù)以上步驟;

g.根據(jù)不同的流量, 重復(fù)以上步驟。

  液超測量具有滯后性, 并且對流量擾動敏感, 導(dǎo)致液超的實流標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)表標(biāo)定法 (體積管+標(biāo)準(zhǔn)表) 是性價比較高的一種標(biāo)定方案, 其中小體積管+渦輪標(biāo)準(zhǔn)表方案得到了廣泛認(rèn)可, 與直接標(biāo)定法 (球形體積管) 相比具有尺寸小、重量輕、可移動及經(jīng)濟(jì)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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