液體石油物料仿實(shí)流校準(zhǔn)系統(tǒng)研究及應(yīng)用

液體石油物料測(cè)量分布于石油勘探、加工、運(yùn)輸、銷(xiāo)售過(guò)程中的各個(gè)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(yíng)過(guò)程中，通常使用各樣各式的流量計(jì)，來(lái)開(kāi)展液體石油物料流量測(cè)量，進(jìn)而獲取交接數(shù)據(jù)。流量計(jì)在長(zhǎng)時(shí)間工作負(fù)荷下，經(jīng)常會(huì)發(fā)生超差現(xiàn)象，此時(shí)就要進(jìn)行量值溯源，因?yàn)槭艿焦に嚵鞒?、環(huán)境條件、設(shè)備性能、實(shí)驗(yàn)方法不同的影響，校準(zhǔn)的結(jié)果也會(huì)存在很大差別。上海自動(dòng)化儀表介紹了如何建立科學(xué)有效的仿實(shí)流校準(zhǔn)系統(tǒng)，來(lái)保證流量測(cè)量的準(zhǔn)確性、可靠性、穩(wěn)定性。

液體石油物料實(shí)流校準(zhǔn)，是石油化工行業(yè)在測(cè)量領(lǐng)域中不可或缺的一項(xiàng)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(shí)現(xiàn)經(jīng)營(yíng)收益。

使用流量計(jì)對(duì)液體石油物料流量進(jìn)行測(cè)量，是當(dāng)前石油化工行業(yè)慣用做法。流量即單位時(shí)間內(nèi)過(guò)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(jì)測(cè)量值準(zhǔn)確、可靠及找尋測(cè)量值與被測(cè)真值之間的關(guān)系，則是本文主要探討的一項(xiàng)課題。

流量計(jì)是我國(guó)依法規(guī)定被列入實(shí)施強(qiáng)制管理范疇內(nèi)的計(jì)量器具，企業(yè)在使用過(guò)程中，若要保證流量計(jì)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(shí)驗(yàn)方法，科學(xué)合理地開(kāi)展測(cè)量結(jié)果評(píng)價(jià)。校準(zhǔn)是能夠?qū)α髁坑?jì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行全面判定、驗(yàn)證的一種實(shí)驗(yàn)方法，校準(zhǔn)即確定由測(cè)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(guó)際互認(rèn)的一種必要舉措[1]。本文針對(duì)液體石油物料仿實(shí)流校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)法

動(dòng)態(tài)法通常可以分為兩類(lèi)：一是以標(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，二是以標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)作為主標(biāo)準(zhǔn)器的稱(chēng)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(shí)流液體共同運(yùn)行的球體或活塞，對(duì)球體或活塞在兩個(gè)檢測(cè)開(kāi)關(guān)之間運(yùn)動(dòng)的時(shí)間進(jìn)行測(cè)量。因?yàn)閮蓚€(gè)檢測(cè)開(kāi)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(cè)量值與被測(cè)流量計(jì)比較計(jì)算，得出校準(zhǔn)結(jié)果。以標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)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(jí)較高的流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)器與被測(cè)流量計(jì)串聯(lián)，在實(shí)流液體通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)器與被測(cè)流量計(jì)期間，利用流量計(jì)輸出信號(hào)建立流量曲線，按照時(shí)間節(jié)點(diǎn)對(duì)流量曲線進(jìn)行切割，保證兩臺(tái)流量計(jì)的曲線在同時(shí)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(dòng)態(tài)法的特點(diǎn)進(jìn)行比較，以此選擇適合實(shí)流校準(zhǔn)非常優(yōu)的一種動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)方法。

1.2 靜態(tài)法

靜態(tài)法通?？梢苑譃閮深?lèi)：一是以標(biāo)準(zhǔn)量器作為主標(biāo)準(zhǔn)器的容積法流量校準(zhǔn)法，二是以標(biāo)準(zhǔn)秤作為主標(biāo)準(zhǔn)器的稱(chēng)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(shí)流液體經(jīng)被測(cè)流量計(jì)后，進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)量器，測(cè)量在設(shè)計(jì)時(shí)間段內(nèi)流入測(cè)量流量計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)量器的體積，將兩種測(cè)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(chēng)量法流量校準(zhǔn)法， 是將實(shí)流液體經(jīng)被測(cè)流量計(jì)后，進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)秤，測(cè)量在設(shè)計(jì)時(shí)間段內(nèi)流入測(cè)量流量計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)秤的體積，將兩種測(cè)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(shí)流校準(zhǔn)非常優(yōu)的一種靜態(tài)校準(zhǔn)方法。相對(duì)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(chēng)量法流量校準(zhǔn)法作為靜態(tài)法實(shí)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(guò)實(shí)流校準(zhǔn)，根據(jù)使用需要，來(lái)測(cè)試流量計(jì)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(guò)改變測(cè)量條件，包括溫度（每個(gè)調(diào)整間隔為 5℃）、壓力（每個(gè)調(diào)整間隔為 0.05 MPa）、實(shí)流密度（每個(gè)調(diào)整間隔為 10 kg·m-3）、兩相流體（每個(gè)調(diào)整間隔為 5%的氣體、1%的固體），依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)器來(lái)校準(zhǔn)被測(cè)試流量計(jì)的誤差值、重復(fù)性、不確定度以及改變測(cè)量條件后的數(shù)據(jù)偏差值，進(jìn)而達(dá)到仿實(shí)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(huì)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(dòng)、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(shí)，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(lái)建立流量系統(tǒng)的工況數(shù)據(jù)庫(kù)，不可控的操作環(huán)境盡可能屏蔽掉，或者保持在一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。

2.2.2 流體特性

從微觀分子狀態(tài)看，實(shí)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(gè)相內(nèi)部達(dá)到平衡時(shí)，這個(gè)相的物理、化學(xué)性質(zhì)就是均勻一致的。流體在實(shí)踐與校準(zhǔn)過(guò)程中，有可能會(huì)出現(xiàn)相變過(guò)程，如管道流體壓力過(guò)低時(shí)，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(jì)

仿實(shí)流校準(zhǔn)系統(tǒng)總體由以下幾部分構(gòu)成：實(shí)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(guò)程控制站、輸出等設(shè)備組成）、標(biāo)準(zhǔn)器（標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)秤）、試驗(yàn)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(guò)濾器等設(shè)備組成）。校準(zhǔn)原理為靜態(tài)稱(chēng)重法+動(dòng)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)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(duì)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(shí)際情況，該校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(gè)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(jì)準(zhǔn)確度等級(jí)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(cè)量準(zhǔn)確度等級(jí) 0.05%，測(cè)量范圍 0～1.0 MPa。 4） 溫度變送器測(cè)量準(zhǔn)確度等級(jí)為 0.1 級(jí)，測(cè)量范圍 0～50 ℃。5） 計(jì)時(shí)器的晶振采用溫被晶振，其 8 h 的晶振穩(wěn)定度≤1×10-6。計(jì)時(shí)器非常小讀數(shù)優(yōu)于 0.000 1 s （液體流入稱(chēng)重容器的時(shí)間通常用內(nèi)部帶有一個(gè)石英晶體電子計(jì)數(shù)器來(lái)測(cè)量，計(jì)時(shí)器應(yīng)由換向器本身的運(yùn)動(dòng)通過(guò)固定在換向器上的開(kāi)關(guān)來(lái)驅(qū)動(dòng)[3]）。 6） 系統(tǒng)壓力波動(dòng)≤0.2%。 7） 流體穩(wěn)定性：0.2%。 8） 換向時(shí)間差≤10 ms（系統(tǒng)換向器的正反行程差可以通過(guò)自身附帶的光電檢出裝置自動(dòng)測(cè)出，便于測(cè)試者校準(zhǔn)換向器的正反行程差，同時(shí)也考慮在需要高精度計(jì)量時(shí)，精確測(cè)量出換

入和換出的時(shí)間差，補(bǔ)償因換向器的換入和換出時(shí)間差帶來(lái)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(dòng)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(dòng)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(jí)，這是由標(biāo)準(zhǔn)器特性所決定的）。

2.3.3 校準(zhǔn)能力

可開(kāi)展校準(zhǔn)的流量計(jì)包括（DN15 至 DN300 之間）：質(zhì)量流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、渦街流量計(jì)、超聲流量計(jì)、電磁流量計(jì)、差壓式流量計(jì)、冷水水表等。通訊信號(hào)包括：脈沖信號(hào)、電流信號(hào)、電壓信號(hào)、頻率、數(shù)字通訊。校準(zhǔn)參數(shù)主要包括流量計(jì)MF 系 數(shù)、K 系數(shù)等。

2.3.4 實(shí)流校準(zhǔn)

企業(yè)測(cè)量的非常終目的，是為了得到被測(cè)量液體石油物料的實(shí)際流量，待校流量計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)器處于實(shí)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(jì)算機(jī)進(jìn)行人機(jī)對(duì)話控制，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)泵、變頻器、閥門(mén)、標(biāo)準(zhǔn)器等設(shè)備的實(shí)時(shí)控制、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程操作等功能，實(shí)現(xiàn)控制和數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化。系統(tǒng)校準(zhǔn)控制與動(dòng)力控制獨(dú)立，在校準(zhǔn)界面設(shè)有緊急停車(chē)鍵，保證設(shè)備及人員安全。

3 實(shí)踐應(yīng)用

3.1 以標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)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(guò)程中，長(zhǎng)時(shí)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(cè)量難免會(huì)出現(xiàn)偏差，這時(shí)如果采用傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)秤法，標(biāo)準(zhǔn)秤無(wú)法滿足長(zhǎng)時(shí)間大流量累積值的測(cè)量，主要缺點(diǎn)是稱(chēng)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(huì)受容器裝載限制，無(wú)法超限使用。因此，推 薦使用標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)法，主要優(yōu)點(diǎn)是，標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)在對(duì)待校流量計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，管道液體實(shí)流不需要停止，且不需要進(jìn)入固定容器進(jìn)行稱(chēng)量，而是與工藝流程同步運(yùn)行，校準(zhǔn)時(shí)效性較為靈活，周期也較長(zhǎng)，可以根據(jù)校準(zhǔn)時(shí)間，非常大限度對(duì)流量計(jì)的各類(lèi)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量、分析、校對(duì)、調(diào)試。

3.2 以標(biāo)準(zhǔn)秤作為主標(biāo)準(zhǔn)器的稱(chēng)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(shí)，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(jì)量程內(nèi)，可以滿足日常小容量裝載各測(cè)量區(qū)間需求。其次，準(zhǔn)確度等級(jí)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)法要更高（動(dòng)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(shí)，優(yōu)勢(shì)更為明顯，既能夠非常大限度提升計(jì)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(jì)法也可以應(yīng)用于此類(lèi)校準(zhǔn)，只是相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)秤法而言，準(zhǔn)確度等級(jí)相對(duì)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(shí)代的到來(lái)，大多數(shù)石油化工企業(yè)在對(duì)液體石油物料的流量測(cè)量管理上給予高度期望，對(duì)大數(shù)據(jù)化、時(shí)效化、高標(biāo)準(zhǔn)化的需求越來(lái)越強(qiáng)烈，相對(duì)于使用傳統(tǒng)、單一的校準(zhǔn)方式已經(jīng)無(wú)法勝任日益苛刻的校準(zhǔn)任務(wù)及工作需要。在這類(lèi)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(cè)量分析需求。因此，本文以校準(zhǔn)系統(tǒng)之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、相互比對(duì)、計(jì)量監(jiān)督為出發(fā)點(diǎn)，將以標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)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(chēng)量法，進(jìn)行組合處理，來(lái)建立液體石油物料仿實(shí)流校準(zhǔn)系統(tǒng)，以實(shí)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(yǔ)

國(guó)際計(jì)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(jì)的準(zhǔn)確度高 5 倍以上，即應(yīng)優(yōu)于被校流量計(jì)基本誤差的 1/5。我國(guó)計(jì)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(jì)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(jì)非常大允許誤差值的 1/3[6]。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)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(duì)校準(zhǔn)后流量計(jì)示值影響程度較小。目前國(guó)內(nèi)石油化工企業(yè)在對(duì)液體石油物料進(jìn)行仿實(shí)流校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)時(shí)，正如本 文開(kāi)篇所提到的校準(zhǔn)方法，這 4 種方法均滿足實(shí)驗(yàn)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(shí)踐研究，上海自動(dòng)化儀表可以篩選出準(zhǔn)確性、適應(yīng)性、時(shí)效性非常優(yōu)的校準(zhǔn)方法，并可以通過(guò)組合系統(tǒng)建標(biāo)的方式， 來(lái)提升企業(yè)校準(zhǔn)管理的工作標(biāo)準(zhǔn)。