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国产化质量流量计在成品油管道中的试验应用

发布时间:2019-04-16 09:49:46 浏览:

科里奥利质量流量计 (以下简称质量流量计) 可以直接测量流体质量, 其具有精度高、应用性广等优点, 已经在工业领域获得了广泛应用[1,2,3,4,5]。欧美国家和日本对于质量流量计的研究处于领先地位, 出现了一批质量流量计研发和生产企业, 占据着全球绝大部分市场份额。中国有关质量流量计的研究起步较晚, 技术相对落后, 产品需求长期依赖于进口。近年来, 中国加快了质量流量计的研究和应用, 合肥工业大学、北京航天航空大学等高校对质量流量计的相关理论进行了较为深入的研究, 开发了多种不同结构形式的质量流量计[6,7,8,9];西安东风机电有限公司和太原太航电子科技有限公司等是中国较早研发质量流量计的厂商, 已进行了多年的应用研究[10,11,12]

目前, 成品油管道贸易交接计量使用的质量流量计多数为国外产品, 其中美国爱默生公司和德国E+H公司的产品应用最为广泛[13,14,15,16]。鉴于国外产品价格昂贵、供货周期较长、售后服务不及时等问题, 中国石油组织开展了大规模的管道设备国产化工作, 取得了一定成果[17,18,19], 为质量流量计的国产化工作奠定了良好基础。

1 基本原理与结构特点

1.1 基本原理

质量流量计是利用流体在直线运动的同时处于一个旋转系中, 产生与质量流量成正比的科里奥利力的原理制成的直接式质量流量仪表。以U形管质量流量计为例, 在外力驱动下, U形测量管绕中心轴按其自然频率振动。当流体以匀速流过U形管时, 根据质点动力学原理, U形管向上运动时, 入口一侧产生向上的科氏加速度, 相应的科氏力向下作用在管壁上;出口一侧产生向下的科氏加速度, 相应的科氏力向上作用在管壁上, 入口一侧与出口一侧科氏力相等, 方向相反。因此, 直接或间接测量旋转管道中流动的流体产生的科氏力即可测得质量流量 (图1) 。

图1 U形管质量流量计工作原理示意图

图1 U形管质量流量计工作原理示意图   下载原图

1.2 结构组成

质量流量计包括一次仪表和二次仪表。一次仪表包括激振器、传感器 (速度传感器和温度传感器Pt100) 、测量管 (包括平衡管) 。测量管有U形、Ω形、B形、直管形及微弯形等[20], 其中U形管较为常见。二次仪表即变送器, 包括驱动模块、信号处理模块及人机接口模块等, 主要任务是驱动测量管稳幅振荡, 采集传感器信号并进行处理, 测量结果的传输与显示。

1.3 技术优势

质量流量计具有以下优点:可以直接测量流体的质量流量, 测量精确度高;可测量流体范围广泛, 包括高黏度的各种液体、含有固形物的浆液、含有微量气体的液体、有足够密度的中高压气体;流量管的振动幅度小, 可视作非活动件, 流量管内无阻碍件和活动件, 故障因素少, 便于清洗、维护及保养;对流速分布不敏感, 因而无上下游直管段要求;测量值对流体黏度不敏感, 流体密度变化对测量值的影响很小;可完成多参数测量, 测量质量流量的同时可以获取流体的体积流量、温度及密度等。

2 设计制造

2.1 技术要求

主要参考API MPMS 5.6-2002《液态烃用科里奥利仪的测量》、JJG 1038—2008《科里奥利质量流量计检定规程》等标准, 制订了国产化质量流量计的技术要求 (表1) 。

表1 国产化质量流量计主要技术要求     下载原表

表1 国产化质量流量计主要技术要求

2.2 核心技术

国产化质量流量计 (图2) 在设计和制造方面采用了独特的专有技术, 保障了产品的稳定性和可靠性。

2.2.1 全数字解算技术

质量流量计的关键技术在于精确测量振动的频率和两路信号的相位差或时间差, 国产化质量流量计采用具有自主知识产权的全数字解算技术, 对短时间的数字信号进行处理, 以得到确定流体质量流量和密度所需要的瞬时相位差及瞬时频率, 最大限度地抑制噪声, 提取信号携带的有用信息, 保证微弱信号的测量准确性, 极大程度地扩大信号的测量范围。

图2 国产化质量流量计传感器和变送器实物图

图2 国产化质量流量计传感器和变送器实物图   下载原图

2.2.2 传感器制造技术

国产化质量流量计在弯管设备的制造要求、模轮结构、防皱设计、内外部划伤防护等方面形成了独特的方法, 保障了传感器的稳定性。

3 出厂测试与现场试验

3.1 出厂测试

参考JJG 1038—2008等标准, 结合成品油管道现场实际情况, 制订了质量流量计工厂试验大纲。按照试验大纲, 委托流量计制造厂商 (图3、表2) 和西北国家计量测试中心对质量流量计进行了出厂性能测试。西北国家计量测试中心的测试结果为:质量流量误差小于0.1%, 重复性小于0.05%, 产品主要性能指标达到国际先进水平。

图3 质量流量计厂商试验测试装置示意图

图3 质量流量计厂商试验测试装置示意图   下载原图

3.2 现场试验

现场试验采用国产化质量流量计与进口质量流量计串联运行, 能够满足交接计量精度需要, 也便于验证国产化质量流量计的运行稳定性。一台国产化质量流量计成橇安装在现有分输站流量计橇座的标定进、出口管道接口上, 与运行的进口艾默生流量计橇座进行串联比对。

表2 国产化质量流量计出厂测试主要结果     下载原表

表2 国产化质量流量计出厂测试主要结果

2016年, 国家石油天然气大流量计量站对流量计进行了体积法标定, 测试结果表明流量计误差为0.04%, 重复性为0.03%, 运行一年后, 进行复检, 流量计误差为0.13%, 重复性为0.035% (表3) 。

表3 国家石油天然气大流量计量站对国产化质量流量计的首次检定与复检结果     下载原表

表3 国家石油天然气大流量计量站对国产化质量流量计的首次检定与复检结果

3.2.1 批次油品累计量对比

分别使用国产化质量流量计与进口质量流量计对12个批次油品进行计量, 结果显示:两者质量偏差小于0.2% (表4) 。

表4 国产化质量流量计与进口质量流量计偏差对比     下载原表

表4 国产化质量流量计与进口质量流量计偏差对比

3.2.2 批次油品瞬时流量对比

选取3个典型油品输送批次, 分别使用国产化质量流量计与进口质量流量计累计进行计量, 结果显示:两者偏差分别为0.13%、0.10%和0.19%, 将3个批次油品输送过程中的瞬时流量数据进行对比 (图4) , 结果表明:国产化流量计与进口流量计瞬时流量趋势一致, 数据非常接近。

图4 3个典型油品输送批次瞬时流量数据对比

图4 3个典型油品输送批次瞬时流量数据对比   下载原图

4 结论

(1) 联合中国有关质量流量计生产厂商, 成功研制了一套质量流量计样机, 采用具有自主知识产权的全数字解算技术和稳定的传感器制造技术, 满足现场电磁干扰、射频干扰、工频干扰等技术要求, 经第三方测试平台测试, 质量流量误差0.10%, 重复性0.05%。

(2) 在成品油管道进行现场试验, 采用串联方式与进口质量流量计进行对比, 期间由国家石油天然气大流量计量站进行了两次检定, 结果均合格, 经过一年的比对试验, 国产化质量流量计运行稳定, 与进口流量计相比偏差小于0.2%, 满足相关标准要求。