多聲道管道式液體超聲波流量計在石油領域的實際應用

超聲波流量計作為一種新興的流量測量技術，近年來得到了飛速的發(fā)展，尤其是應用于液體介質測量的流量計的研發(fā)與生產(chǎn)技術的提高非常迅猛，按照目前的發(fā)展速度，專家預測液體超聲波流量計在流量計量與測量的領域未來將有著更廣闊的應用前景。根據(jù)行業(yè)內的相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在很多應用工況中，多聲道管道式液體超聲波流量計已經(jīng)逐步成為替代傳統(tǒng)容積式流量計和渦輪流量計，在貿易結算環(huán)節(jié)中應用的案例也越來越多。

多聲道管道式液體超聲波流量計已在國內外的成品油和原油的交接計量站中有多次成功的應用，例如，中海油伊拉克米桑油田區(qū)塊外輸計量，中海油的渤中LVDA27-2作業(yè)區(qū)，中海油-新田石油合作平臺LF7-2的外輸計量撬中均已成功投用。僅從技術角度來看，多聲道管道式液體超聲波流量計在大流量和大口徑的管道測量中有著非常顯著的優(yōu)勢，存在著無附加壓力損失、無可移動部件、無節(jié)流裝置以及完善的自我診斷功能、方便的在線檢測與維護優(yōu)勢等，這些無疑都是傳統(tǒng)的容積式和渦輪式流量計無法具有的，再加上其有著其他流量計更加寬的量程比，因此正成為液體原料及石油貿易交接的首選計量儀表。

二、液體超聲波流量計工作原理及檢定難點

管道式液體超聲波流量計的測量原理是根據(jù)時差法，即當超聲波在介質中傳播時，會帶上流體的信息，即使往返的聲波信號的傳播時間產(chǎn)生微小的變化，時間的變化正比于流速。多聲道液體超聲波流量計是通過測量不同聲道上的傳播時間差來時間測量與計算的。

管道式超聲波流量計不同于傳統(tǒng)的容積式流量計和渦輪流量計，其是靠電子芯片間接測量而對外發(fā)出計算脈沖的，此即為人工“制造”出與流量相關的脈沖（頻率），由于流量脈沖和串行信號是通過計算獲得，因此輸出信號會落后于流體的特性，而且經(jīng)過數(shù)據(jù)轉換的處理，脈沖信號很可能落后于串行數(shù)據(jù)的信號。

管道式超聲波流量計在其內部幾條聲道上進行高頻率的時間差測量，由于流體流動存在的不穩(wěn)定性，任何微小的流量擾動和脈動都會被流量計所檢測到，從而導致流量計產(chǎn)生不均勻的脈沖輸出（如圖1），而這些信息是其他傳統(tǒng)的機械性流量計而反應不出來的。

而活塞式體積管由于最大尺寸的容積仍遠小于API的容積推薦值，另外還有活塞式體積管在運行過程中的發(fā)射和回收可以引起流量的明顯擾動，因此活塞式體積管不能直接用于標定液體超聲波流量計。

綜上所述，由于超聲波流量計本身的原理及特點存在不均勻的脈沖輸出，所以導致標定的體積管容積值巨大，大型的體積管在制造，使用，運輸安裝方面存在很多不便之處，尤其是海洋石油受平臺及油輪上空間及重量的局限性，都嚴重制約著超聲波流量計在中海油的發(fā)展及應用。

三、液體超聲波流量計的檢定

由上所述，根據(jù)API標準可用球形體積管根據(jù)規(guī)范推薦的容積來選擇直接標定液體超聲波流量計。但是由于海上條件的限制，不是每個項目及應用都有足夠的空間來滿足球形體積管，所以要在中海油的業(yè)務中尋求更新和發(fā)展，必須要有辦法來解決這個問題。

目前國際上的應用證明等精度傳遞理論即“活塞式體積管+標準流量計法”可以解決超聲波流量計需要體積管容積大的問題，標準流量計考慮到量程范圍，推薦用渦輪流量計。在流量計量領域中有等精度傳遞理論，及流量量值傳遞時只需要滿足計量學相關性基本原則，流量計在使用時和檢定時流量點相同，介質相同和使用介質的物理特性相同，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，那么流量基準所復現(xiàn)的流量單位制將會等同精度傳遞給工作流量計。

“小容積體積管+標準流量計法”的檢定方法為：

（1）先利用活塞體積管檢定作為中間傳遞的標準流量計，在規(guī)定的流量點下，逐點進行多次重復測量（測量次數(shù)不少于5次），再進行溫度，壓力修正后，計算出標準表在每個檢定點下的平均儀表系數(shù)和對應的重復性。標準流量計檢定得到的重復性已優(yōu)于0.02%為宜。

（2）在相同的檢定流量計和檢定條件下，在規(guī)定的時間段和規(guī)定的標準表脈沖數(shù)（通常大于10000個）內同時記錄標準表流量計和超聲波流量計的脈沖數(shù)以及當時各處的溫度，壓力數(shù)據(jù)，此時體積管停止運行。

（3）通過標準表的脈沖數(shù)及儀表系數(shù)及當時的溫度，壓力，計算出流過標準表的流體體積。

（4）通過標準表的流體體積及超聲波流量計處的溫度，壓力可以得出超聲波流量計在每一個檢定點下的平均儀表系數(shù)和對應的重復性。

目前“小容積體積管+標準流量計法”是液體超聲波流量計的主要檢定方法，國外主要的技術機構都采用本方法，并且主流的流量計算機，例如S600+，OMNI等都在控制程序中都支持該檢定方法。

小容積體積管+標準流量計的檢定方法符合JJG1030-2007超聲波流量計檢定規(guī)程中關于現(xiàn)場在線檢定的技術要求，可以對使用中的超聲波流量計的進行檢定和檢驗。

四、管道式液體超聲波流量計在中海油貿易交接的應用

中海石油旅大32-2/27-2油田項目中第一次應用液體超聲波流量計作為貿易交接的應用。該油田在其旅大32-2PSP平臺上配備了兩套液體超聲波流量計，采用一臺18in活塞式體積管（容積值約120L）及一臺渦輪流量計為標準表。應用本文提出的方法進行標定后得到新的流量計系數(shù)。外輸作業(yè)結束后，通過對比流量計及油罐的數(shù)據(jù)得到較好的一致性，兩者之間偏差小于0.02%。目前該項目已經(jīng)投用兩年多，得到客戶的肯定和好評。

隨后中海油伊拉克項目采用了三套DN150的液體超聲波流量計，同樣配用18in活塞式體積管及一臺渦輪流量計為標準表，目前已經(jīng)為中海油與伊拉克油田方提供貿易計量的服務。
此外，液體超聲波流量計+球形體積管方式應用于中海石油-新田石油合作平臺LF7-2原油的外輸計量中。

對于中海油近五年來首個FPSO，恩平油田群24-2船，已經(jīng)確認為液體超聲波流量計（三用一備DN250）+球形體積管（30寸雙相球形體積管）的外輸計量方案。2014年將投產(chǎn)使用。

五、本文結語

作為貿易計量儀表，準確性，重復性是流量計的重要參數(shù)指標，為了保證液體超聲波流量計的這些指標，就應該遵守計量法規(guī)的可行的在線檢定技術和方法。貿易計量儀表的標定是流量量值傳遞及溯源連中最重要的環(huán)節(jié)，國家計量檢定方法對流量計的發(fā)展及應用有著重大的意義和推進作用。超聲波流量計計量液態(tài)烴發(fā)展較晚，相對其他傳統(tǒng)的流量計而言，國際上相應的標準也較少。美國石油協(xié)會API于2002年10月制定的采用時差法超聲波流量計測量液態(tài)烴的技術標準草案，2005年1月轉為正式標準API管道式MPMS管道式5.8：2005《用時差法超聲波流量計計量液態(tài)烴》.我國沒有液體超聲波流量計計量液態(tài)烴的專項規(guī)范標準，僅在2007年發(fā)布了用于檢定超聲波流量計的檢定規(guī)程《JJG1030-2007超聲波流量計的檢定規(guī)程》，該規(guī)程是一個通用的標準，尤側重于氣體超聲波流量計的檢定，對計量液體超聲波流量計的標定的特殊性沒有涉及。

隨著技術的更新發(fā)展和計量規(guī)范的完善，管道式液體超聲波流量計將會在中海油的測量和計量中扮演著更重要的角色。其量程比及壓損的優(yōu)勢，完善的電子診斷功能及低成本的維護，將為中海油低碳綠色業(yè)務的拓展提供更大的支持