时差式管道式超声波流量计实际应用中的案例说明

一、本文概述
　　近年以来，各类与仪器仪表相关的测量技术不断发展，液体超声波流量计在其中表现最为突出，液体超声波流量计设备研发与测量领域在持续地向纵深发展，使该技术在未来的人类生产生活的应用有着广阔的前景，目前液体超声波流量计正在逐步替代传统型的容积式和涡轮式流量计，成为贸易交接和过程测量的新宠。国内高端市场仍然是国外品牌的天下，不过随着国内研发技术的增强和对于此技术的重视，也产生了不少满足中高端应用现场的产品，多声道管段式液体超声波流量计在国内的成品油和原油的贸易交接中已经有很多成功的应用案例。例如，在中海油的渤中LVDA27-2作业区，中海油伊拉克米桑油田区块外输计量，中海油-新田石油合作平台LF7-2的外输计量撬中均已成功投用。
　　仅从技术层现来观察，因为多声道管道式式液体超声波流量计在大流量和大口径的计量中优势明显，无可移动部件，无附加压力损失，且具有完善的自我诊断功能，在线维护方便快捷等特点，这些在传统型的容积式和涡轮式流量计都无法实现的，并且其较其他类型的液体流量计量程比最宽，所以其逐步应用于液体烃贸易的趋势非常明显。

二、液体超声波流量计工作原理及检定难点
　　液体超声波流量计的测量原理是根据时差法，即当超声波在介质中传播时，会带上流体的信息，即使往返的声波信号的传播时间产生微小的变化，时间的变化正比于流速。多声道液体超声波流量计是通过测量不同声道上的传播时间差来时间测量与计算的。
　　根据API 5.8章节中可知，超声波流量计不同于传统的容积式流量计和涡轮流量计，其是靠电子芯片间接测量而对外发出计算脉冲的，此即为人工“制造”出与流量相关的脉冲（频率），由于流量脉冲和串行信号是通过计算获得，因此输出信号会落后于流体的特性，而且经过数据转换的处理，脉冲信号很可能落后于串行数据的信号。
　　超声波流量计在其内部几条声道上进行高频率的时间差测量，由于流体流动存在的不稳定性，任何微小的流量扰动和脉动都会被流量计所检测到，从而导致流量计产生不均匀的脉冲输出（如图1），而这些信息是其他传统的机械性流量计而反应不出来的。
　　而活塞式体积管由于最大尺寸的容积仍远小于API的容积推荐值，另外还有活塞式体积管在运行过程中的发射和回收可以引起流量的明显扰动，因此活塞式体积管不能直接用于标定液体超声波流量计。
　　综上所述，由于超声波流量计本身的原理及特点存在不均匀的脉冲输出，所以导致标定的体积管容积值巨大，大型的体积管在制造，使用，运输安装方面存在很多不便之处，尤其是海洋石油受平台及油轮上空间及重量的局限性，都严重制约着超声波流量计在中海油的发展及应用。

三、液体超声波流量计的检定
　　由上所述，根据API标准可用球形体积管根据规范推荐的容积来选择直接标定液体超声波流量计。但是由于海上条件的限制，不是每个项目及应用都有足够的空间来满足球形体积管，所以要在中海油的业务中寻求更新和发展，必须要有办法来解决这个问题。
　　目前国际上的应用证明等精度传递理论即“活塞式体积管+标准流量计法”可以解决超声波流量计需要体积管容积大的问题，标准流量计考虑到量程范围，推荐用涡轮流量计。
　　在流量计量领域中有等精度传递理论，及流量量值传递时只需要满足计量学相关性基本原则，流量计在使用时和检定时流量点相同，介质相同和使用介质的物理特性相同，流量计检定和使用时几何特性相同，流量计在检定和使用过程中的操作过程相同，那么流量基准所复现的流量单位制将会等同精度传递给工作流量计。
　　“小容积体积管+标准流量计法”的检定方法为：
　　（1）先利用活塞体积管检定作为中间传递的标准流量计，在规定的流量点下，逐点进行多次重复测量（测量次数不少于5次），再进行温度，压力修正后，计算出标准表在每个检定点下的平均仪表系数和对应的重复性。标准流量计检定得到的重复性已优于0.02%为宜。
　　（2）在相同的检定流量计和检定条件下，在规定的时间段和规定的标准表脉冲数（通常大于10000个）内同时记录标准表流量计和超声波流量计的脉冲数以及当时各处的温度，压力数据，此时体积管停止运行。
　　（3）通过标准表的脉冲数及仪表系数及当时的温度，压力，计算出流过标准表的流体体积。
　　（4）通过标准表的流体体积及超声波流量计处的温度，压力可以得出超声波流量计在每一个检定点下的平均仪表系数和对应的重复性。
　　目前“小容积体积管+标准流量计法”是液体超声波流量计的主要检定方法，国外主要的技术机构都采用本方法，并且主流的流量计算机，例如S600+，OMNI等都在控制程序中都支持该检定方法。
　　小容积体积管+标准流量计的检定方法符合JJG1030-2007超声波流量计检定规程中关于现场在线检定的技术要求，可以对使用中的超声波流量计的进行检定和检验。
　
四、液体超声波流量计在中海油贸易交接的应用
　　中海石油旅大32-2/27-2油田项目中第一次应用液体超声波流量计作为贸易交接的应用。该油田在其旅大32-2PSP平台上配备了两套美国艾默生公司Daniel液体超声波流量计，采用一台18in活塞式体积管（容积值约120L）及一台涡轮流量计为标准表。应用本文提出的方法进行标定后得到新的流量计系数。外输作业结束后，通过对比流量计及油罐的数据得到较好的一致性，两者之间偏差小于0.02%。目前该项目已经投用两年多，得到客户的肯定和好评。
　　随后中海油伊拉克项目采用了三套DN150的液体超声波流量计，同样配用18in活塞式体积管及一台涡轮流量计为标准表，目前已经为中海油与伊拉克油田方提供贸易计量的服务。
　　此外，液体超声波流量计+球形体积管方式应用于中海石油-新田石油合作平台LF7-2原油的外输计量中。
　　对于中海油近五年来首个FPSO，恩平油田群24-2船，已经确认为液体超声波流量计（三用一备DN250）+球形体积管（30寸双相球形体积管）的外输计量方案。2014年将投产使用。

五、本文结语
作为贸易计量仪表，准确性，重复性是流量计的重要参数指标，为了保证液体超声波流量计的这些指标，就应该遵守计量法规的可行的在线检定技术和方法。贸易计量仪表的标定是流量量值传递及溯源连中最重要的环节，国家计量检定方法对流量计的发展及应用有着重大的意义和推进作用。
超声波流量计计量液态烃发展较晚，相对其他传统的流量计而言，国际上相应的标准也较少。美国石油协会API于2002年10月制定的采用时差法超声波流量计测量液态烃的技术标准草案，2005年1月转为正式标准API MPMS 5.8：2005《用时差法超声波流量计计量液态烃》.我国没有液体超声波流量计计量液态烃的专项规范标准，仅在2007年发布了用于检定超声波流量计的检定规程《JJG1030-2007超声波流量计的检定规程》，该规程是一个通用的标准，尤侧重于气体超声波流量计的检定，对计量液体超声波流量计的标定的特殊性没有涉及。
随着技术的更新发展和计量规范的完善，管段式液体超声波流量计将会在中海油的测量和计量中扮演着更重要的角色。其量程比及压损的优势，完善的电子诊断功能及低成本的维护，将为中海油低碳绿色业务的拓展提供更大的支持