质量流量计量误差分析与对策

汪楚尧

摘 要：油品计量分为静态计量与动态计量。静态计量是最早采用的计量方式，它具有通用、直接、投资少的特点，但也存在诸多的不确定因素，如：人员、温度、密度、体积、取样等环节。近些年来，随着石油行业计量水平的提高以及市场竞争不断加剧，计量准确度越来越受到各企业的重视，动态计量更为符合石化行业的需求，它多以质量测量进行交接计量，直接测量油品的质量，避免了不必要的测量因素，提高了测量的准确度。

关 键 词：动态计量;质量测量;准确度

中图分类号：TQ 018 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2015）06-1312-04

Analysis and Countermeasures of Mass Flow Measurement Error

WANG Chu-yao

（PetroChina Fushun Petrochemical Company， Liaoning Fushun 113008，China）

Abstract： Oil metering is divided into static measurement and dynamic measurement. The static measurement is the earliest measurement method， it is universal， direct， less investment， but there are many uncertain factors， such as temperature， density， and volume， sampling etc. In recent years， along with improvement of the measurement level in the petroleum industry， the measurement accuracy is more and more important to enterprises， dynamic measurement is more in line with the needs of the petrochemical industry， it uses mass measurement to carry out custody transfer metering， direct measurement of mass can avoid needless measurement factors， and can improve the measurement accuracy.

Key words： Dynamic measurement; Mass measurement; Accuracy

质量流量计发展于上世纪70年代，在世界范围内，它属于动态计量的一种重要手段，在石油化工行业的贸易结算中，质量流量计发挥着举足轻重的作用，它的测量误差不仅直接影响着企业的经济效益，也担负着监督各类生产装置物料供需之间的平衡关系。然而在实际使用过程中，由于其本身结构、工作原理及工况条件不为大家所熟悉，经常会造成计量失准的问题，给企业的经济效益及平稳生产带来了风险。本人长期以来在质量流量计检定、维护及使用过程中总结了一些經验，在此与大家分享。

1 工作原理

简单点说，质量流量计（以下简称“流量计”）由传感器和变送器两部分组成。

传感器是基于科里奥利力（科里奥利1792年至1843年，法国数学家、气象物理学家）效应的相位敏感型谐振式传感器。为描述旋转体系的运动，需要在运动方程中引入一个假想的力，这就是科里奥利力。引入科里奥利力之后，人们可以像处理惯性系中的运动方程一样简单地处理旋转体系中的运动方程，简化了旋转系的处理方式（图1）。

图1 科里奥利力

Fig.1 Coriolis force

传统的传感器组件包括：核心处理器、驱动线圈、检测线圈、保护壳、流量管、电阻温度检测器、过程接头。驱动线圈与磁铁配合使用，使科里奥利传感器流量管发生振动。经线圈驱动，会使流量管以其谐振频率进行振动。流量管的两侧安装有检测线圈及磁铁构成的电磁检测器。电磁检测器会产生一个代表振动管在该位置上的正比于流量的信号。传感器内的驱动线圈、检测线圈、RTD 元件（指温度检测装置）都连接到核心处理器。核心处理器是一精密的电子设备，用于控制传感器和信号测量及处理。核心处理器可执行所有必要运算以获得测量的过程变量值，并将这些值传送给变送器，以供控制系统使用。当介质通过流量管时，两根流量管的入口侧管和出口侧管都会产生科里奥利力。这些力会使流量管彼此相对扭曲振动。从流量管入口侧流入的质量流会产生一个科里奥利力，该力会抵制流量管振动。当质量流过出口侧管时，科里奥利力则会加强流量管的振动。在入口和出口侧的科里奥利力方向相反，从而导致了流量管产生扭曲运动，正是利用这一运动来测量质量流量。由于流量管的扭曲，使入口侧与出口侧的运动不同，因此检测组件上产生的正弦波便出现了不同步的现象，即两个正弦波出现了时间延迟（相位差）。相位差与质量流量成正比。科里奥利力越大，产生的相位差也越大，质量流量也越大。介质质量、管材刚性和振动频率之间的关系是科里奥利流量计进行密度测量的基础。以弹簧系统为例：当质量增加时，系统的振动频率则会下降。当质量减少时，系统的振动频率则会提高。振动频率的单位是Hz。流量管的振动周期则是振动频率的倒数。科里奥利流量计通过测量流量管振动周期来计算密度。介质密度与所测得的流量管振动周期成正比。

2 安 装

2.1 方 向

科里奥利质量流量计是直接的质量流量测量。其测量的准确度与介质的流态无关，因此没有直管段的需要，可以因地制宜的安装传感器。

安装应遵循三个基本原则：

液体：要能够始终充满传感器（图2）。

图2 测量液体安装

Fig.2 Installation of liquid measurement

气体：在传感器内不产生积液（图3）。

图3 测量气体安装

Fig.3 Installation of gas measurement

浆液/脏污介质：要易于从传感器中排空（图4）。

图4 测量浆液/脏污介质安装

Fig.4 Measurement of slurry installation / dirty medium

除此之外，流量计应避免安装在管道相对高点的位置，原因是管道高端的气体很难排除，易对流量计的计量造成影响。

2.2 施工要求

四不要（图5）：

（1）不要使用传感器对中管线;

（2）不要使用传感器支撑管线;

（3）不要直接支撑在传感器上;

（4）不要使用传感器顶拉管段距离。

图5 禁止安装的形式

Fig.5 Prohibited installation forms

質量流量计的安装状态应该是无应力影响的状态。现场安装后的传感器如果受到外来应力的冲击会直接影响到流量计的计量准确度。

2.3 其它注意事项

（1）流量调节阀应该安装在传感器的出口端;

（2）传感器的两侧应该安装截止阀，便于调零;

（3）设置旁路管线，便于流量计的拆装维护;

（4）新投用的管线应该在管线吹扫完毕后再安装传感器;

3 导致计量误差的关键因素

3.1 操作因素影响

（1）仪表参数。组态了错误的流量系数、仪表系数。（流量计检定过程中出现了问题，如：标准秤准确度下降、测量介质含气、阀门漏量等） ，输出信号与量程设置不匹配（远程显示时）。

（2）量值与修正。组态了不适用的计量单位、小流量切除值。

（3）零点。流量计调零不正确。（调零时测量管介质不满管、介质处于流动状态、介质处于两相状态）

3.2 性能影响

（1）传感器。流量计传感器腐蚀、磨损等导致性能下降。

（2）变送器。流量计变送器器件老化。

（3）接线端。电缆进线孔密封不严，导致水汽进入（造成零点漂移或设备损坏）。

3.3 工艺因素影响

（1）气液两相。

（2）阀门泄漏。

（3）压力低导致气化。

（4）操作流量变化过大。

3.4 温度对传感器的影响

（1）对流量管的影响，金属的弹性会随温度的变化而变化。

（2）对传感器零点的影响，所有机械结构都会受到温度影响，由于几何形状和结构的不对称，温度的变化扩大了这种影响。这个影响的定义是当介质温度与调零温度不一致时所可能产生的最大偏差[3]。

（3）不同材质、形状、壁厚的流量管的修正系数也不同。

3.5 温度对变送器的影响

环境温度对模拟输出的影响定义是每偏离校准温度1 ℃， 变化为量程的±0.005%。

3.6 压力对传感器的影响

可以增加流量管的壁厚来降低压力影响，增加壁厚会降低灵敏度，灵敏度的降低会降低计量准确度。流量管壁厚必须加以优化来保证最佳性能。

4 解决措施

4.1 流动性

（1）为避免测量介质在通过流量计时掺入气体造成气液两相，建议在流量计上游安装消气器。

（2）有些生产装置产出的产品易带有杂质，这些杂质在通过流量计时会堵塞测量管，建议在流量计上游安装过滤器。

（3）测量时，液体介质中带有大团的气体或气体介质中带有大的液滴时，需要开启团状流（Slug Flow）功能，团状流功能使仪表测量及输出不受流体状态短暂变化的影响。

（4）通过检测流量计的驱动增益判断流量计运行情况，一般情况下，驱动增益超过8%的时候可视为出现异常。流量计测量管气液两项的时候，驱动增益一般在40%左右;流量计测量管固液两项的时候，驱动增益一般在20%左右（以上是参考值，因流量计型号及管径不同实际值会有所偏差）。

4.2 安装

流量计的安装地点应该远离油泵、压缩机、变压器、高频开关。这些设施会使流量计与管路发生共振及产生电信号叠加导致流量计失准[5]。另外，流量计的安装方向应该由被测介质的流体状态决定。

4.3 电伴热

有些地区冬季寒冷，为了满足油品正常输送与计量，要求油品温度保持在一定范围内，这时需要使用电伴热来解决这一问题。如果电伴热的温度过高，产品会出现汽化现象，导致驱动增益超限，流量计报警。原因是气液两相使得谐振频率与驱动频率相差过大，核心处理器为了保护电路强行关闭驱动电压。解决办法为控制电伴热的温度上限，以满足被测介质计量需求为佳。

4.4 量程选择

流量计的最低使用流量不能低于量程的10%，常用流量应该为量程的50%～75%之间，这样可以减少零点漂移和流量计线性误差的影响。

表1 质量流量计管径与流速对照表

Table 1 The diameter and velocity of mass flowmeter

4.5 双向计量

流量计在现场使用时，由于地势高低、管道压力及操作失误，经常使得流量计中的被测介质发生倒流现象，为了避免这种情况我们要对流量计进行双向计量设置，防止流量计丢量计量。

4.6 零点设置

流量计调零的条件

（1）被测介质通过传感器预热20 min以上;

（2）传感器的温度与被测介质接近一致;

（3）测量管中被测介质完全充满;

（4）关闭流量计的前后阀门使被测介质处于相对静止状态。

导致零点漂移的因素很多，如：温度、压力、测量管壁变薄、两相流、不满管、振动、电磁干扰。解决办法为定期到现场进行零点调试、设定流量切除值，建议为量程的0.5%～1.0%。（注：由于应力导致的零点漂移是不能通过零点调试根本解决的，因为管线热胀冷缩的必然性会导致应力再次变化进而影响零点。解决办法为校准质量流量计与管线的安装位置，使其在同一轴线上。）

4.7 背压

轻烃是石化行业的重要产品，它包括：乙烯、丙烯、丁烯、甲烷、乙烷、丁烷等。正常状态下它们为气态，实际计量中多以测量液相为主。在测量液相轻烃时，如果流量计的背压低于其饱和蒸汽压时，测量管就会出现气液两相情况，导致计量准确度大幅度下降。

背压指流量计出口端的管道压力，通常情况下背压应大于被測介质饱和蒸汽压的1.25倍与流量计压损的2倍之和。

p>1.25Pa+2Δp （1）

式中：P—被测介质的出口端压力， MPa;

Pa—被测介质的饱和蒸汽压， MPa;

ΔP—质量流量计的永久压力损失， MPa。

如果满足不了上式要求，可以参考高于饱和蒸汽压的15%（最低要求）， 见表2。

表2 轻烃饱和蒸汽压表

Table 2 Light hydrocarbon saturation vapor pressure

4.8 “挂壁”现象

有些油品黏度较大或容易凝结，经常会在测量管上发生挂壁现象，挂壁以后，流量计也会出现驱动增益超限，导致流量计报警。发现挂壁现象后，如：液蜡装车之前，被测介质密度会高于正常值，这时可以把流量计拆下进行吹扫，若不具备拆下条件，可以通过打循环的方法使凝结部分随着温度升高及冲击慢慢溶解将挂壁现象慢慢消除，液蜡挂壁现象一般循环1 h后即可消除。

4.9 远传数据

流量计大多安装在生产现场，由于石油化工装置现场多为高温高压、易燃易爆区，为了读数方便，我们经常要把流量计的流量信号采集到仪表室进行读取。流量计常用的信号输出端包括：4～20 mA输出、频率输出、RS485输出。仅从同步精度上讲：RS485输出精度相对高于4～20 mA输出和频率输出。因为它不需要把输出信号进行二次转换，而是直接通过网络协议采集最终数据，这样避免了流量精度的下降。因此，应该尽量选择具备RS485输出的变送器。

4.10 MF修正

MF为流量计检定报告中的各流量点的误差修正系数，质量流量计采取离线检定时，可以采用基本误差法进行交接计量，但是相邻两次检定结果如果处于同一方向，应该采用流量点误差系数修正计量结果。尤其是在大宗物料的贸易结算中，千分之一的误差也会带来巨大的效益损失。

修正点的选择以常用流量点为准，如一台罗斯蒙特CMF300的质量流量计：

第一次的检定结果见表3。

表3 流量计检定结果表（一）

Table 3 Flowmeter test results table（1）

第二次的检定结果见表4。

表4 流量计检定结果表（二）

Table 4 Flowmeter test results table（2）

如果常用流量点为40 t/h，两次检定结果分别为：+0.08%和+0.15%，那么第二次检定后使用流量计在40 t/h的计量状态下计量，结算油量应该再乘以0.998 5进行MF修正，使计量结果的误差进一步向零趋近。

4.11 振动管的选材

流量计传感器的振荡管是金属材料，振荡管的抗冲击、抗腐蚀能力直接影响着流量计的计量准确度与稳定性。通常决定振荡管这种特性的因素包括：

（1）振荡管的振动幅值;

（2）振荡管的壁厚;

（3）振荡管的金属材料。

振动幅值与壁厚改变很困难，会直接影响流量计的灵敏度与准确度，我们只能通过改变振荡管的选材改变其特性。

实际生产中，多数企业选用的是316L不锈钢振荡管的流量计，其实更为理想的是选用哈氏合金振荡管的流量计，以提高计量稳定性。因为造价昂贵，目前使用哈氏合金流量计的企业较少。

5 结束语

综上所述，如何做好质量流量计量并不是一件难事，关键在于我们一定要搞清楚其工作原理，要学会正确安装、调试并使用它，这样才能发挥它高准确度高稳定性的优势，避免计量纠纷的出现，为企业的经济效益保驾护航。

参考文献：

[1] 潘丕武.石油计量技术[M].北京：中国计量出版社.2009.

[2] 能源计量器具应用技术指南[M].北京：中国石化出版社，2012.

[3] JJG1038-2008 科里奥利质量流量计检定规程[S].

[4]中国石油天然气集团职业技能鉴定中心主编.油品计量工[M].北京：石油工业出版社，2010.

[5]肖素琴.油品计量员读本[M].北京：中国石化出版社，2007.