超聲波流量計在原油精密配輸中的計量誤差

摘 要：臨邑輸油站2008年建成的原油精密配輸系統采用超聲波流量計UFM3030，計量精確度極高，給臨邑站的精密配輸帶來(lái)了極大便利，但對大管徑、高輸量的勝利油的計量精度較低。根據原油精密配輸系統的工藝流程，介紹了超聲波流量計的組成與測量原理，分析了在原油精密配輸系統使用中超聲波流量計UFM3030出現計量誤差的原因。結果表明：UFM3030超聲波流量計的精度與管輸油品雷諾數有關(guān)，即超聲波流量計的誤差主要是油品、溫度和輸量（或管徑）不同引起的。建議將勝利油給油泵出口匯管和魯寧管道外輸支管上換成完全不受雷諾數影響的五聲道超聲波流量計，以最大限度地避免當前的計量誤差。（圖3，表7，參8）

關(guān)鍵字：精密配輸 超聲波流量計 UFM3030 誤差 雷諾數

    由于各煉油企業(yè)對于油品物性要求不同，需要將不同品種的原油按照一定比例混合。臨邑輸油站主要接收東臨線(xiàn)、東臨復線(xiàn)輸來(lái)的進(jìn)口油和勝利油，再分別向魯寧線(xiàn)、臨滄線(xiàn)、臨濟線(xiàn)和臨濮線(xiàn)輸送進(jìn)口原油和勝利原油的混合油。臨邑站原混油方式為罐混，即勝利原油與進(jìn)口原油按照預定計劃比例進(jìn)入同一儲罐，在罐中混合后再由外輸泵加壓輸送。這種混油方式存在罐容占用較多、原油混合不均勻、混合配比方案較少以及混合比例受進(jìn)口原油來(lái)油的影響較大等諸多不足之處。2008年臨邑站建成了原油精密配輸系統，緩解了臨邑站庫容不足的矛盾，提高了原油混合的均勻度、靈活性，簡(jiǎn)化了工藝流程操作方式，既降低了因操作頻繁造成的設備磨損率、生產(chǎn)一線(xiàn)操作人員的勞動(dòng)強度，又提高了系統的自動(dòng)化水平，對于穩定原油質(zhì)量，減少煉化企業(yè)加工裝置波動(dòng)，確保安全生產(chǎn)，提高管輸效率具有重要意義。該技術(shù)為中國石化內部首家采用流量計控制原油混合精度的方式，在國內外均處于領(lǐng)先水平。

    原油精密配輸系統采用的超聲波流量計UFM3030具有極高的精確度，給臨邑站的精密配輸帶來(lái)了極大的便利，但對大管徑、高輸量的勝利油的計量精度卻很不理想。通過(guò)對超聲波流量計應用于原油精密配輸系統的誤差問(wèn)題的分析，找出了影響超聲波流量計精度的因素，并提出了改進(jìn)措施。

    1 精密配輸系統工藝流程

    臨邑站精密配輸系統主要設備包括：4臺給油泵機組（兩用兩備），分別將勝利和進(jìn)口原油抽至外輸泵的進(jìn)口匯管內進(jìn)行混合；4臺氣動(dòng)調節閥，用于各線(xiàn)小流量油品的調節；10臺超聲波流量計，其中給油泵出口匯管2臺（僅用于計量），各線(xiàn)勝利油和進(jìn)口油各1臺（計量和調節作用）；在線(xiàn)含硫分析儀2臺，用于實(shí)時(shí)檢測進(jìn)口油和勝利油含硫量；變頻調節裝置3套，其中大泵配套1套，小泵各配套1套，用于平衡、調節給油泵壓力、流量。

    臨邑站原油精密配輸工藝（圖1）功能齊全、流程簡(jiǎn)單，其中東臨線(xiàn)來(lái)油是純進(jìn)口油，東臨復線(xiàn)來(lái)油是勝利油田油。該流程既可以滿(mǎn)足來(lái)油先儲存、后外輸的需要，也可以實(shí)現邊進(jìn)邊輸的旁接罐運行方式，滿(mǎn)足多出口不同比例原油混合外輸的需要。

圖1 臨邑站配輸流程示意圖

    2 超聲波流量計的組成與計量原理

    2.1 UFM3030超聲波流量計的組成

    臨邑站精密配輸系統的超聲波流量計選用德國科隆公司生產(chǎn)的管道式三聲道超聲波流量計UFM3030，其主要由信號轉換器UFC030和流量傳感器UFS3000組成（圖2）：信號轉換器UFC030的作用是放大、過(guò)濾測量信號（分辨噪音），將測得的信號轉變?yōu)榱魉�、體積流量、質(zhì)量流量、累計流量、聲速等；流量傳感器UFS3000采用石英材料制成的壓電原件作為換能器，傳感器的測量管沒(méi)有插入部件和可動(dòng)部件，內徑與原油管道相同。超聲波流量計UFM3030的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)堵塞、無(wú)壓損、無(wú)磨損、無(wú)需重新校驗、雙向測量、壽命長(cháng)以及可靠性高。

圖2 UFM3030超聲波流量計組成示意圖

    2.2 時(shí)差法測量原理

    UFM3030超聲波流量計的測量原理（圖3，其中D為原油管道管徑，mm；V為介質(zhì)流速，m/s；a為聲道角；L為聲程長(cháng)度，m；C為介質(zhì)中的聲速，m/s）是基于時(shí)差法來(lái)測量：在被測管道上、下游安裝有超聲換能器A和B，這2個(gè)換能器交替發(fā)射和接收超聲波信號[4]；聲波在一個(gè)斜對角的路徑上發(fā)射和接收，順流而下的聲波比逆流而上的聲波速度要快。

圖3 UFM3030超聲波流量計的時(shí)差法測量原理

    聲波順流而下（換能器A到B）的傳輸時(shí)間：

    

    聲波逆流而上時(shí)（換能器B到A）的傳輸時(shí)間：

    

    由于聲速遠遠大于液體流速（C＞＞V），因此，聲波順流、逆流的時(shí)間差為：

    

    可見(jiàn)，當聲速C確定，只需求得時(shí)間差，就可以得到介質(zhì)的流速：

    

    原油管道內流體的流態(tài)可以分為層流和紊流，而單聲道測量求出的是聲路上的平均線(xiàn)速度。為了求出流量，僅有平均速度是不夠的，必須知道流速在橫截面上的分布曲線(xiàn)，為此可以在管壁上安裝多對換能器，每對換能器聲束所在平面與管道軸線(xiàn)相互平行，且每對換能器的測量原理和單通道基本相同，利用每個(gè)聲道測得的數據近似求出橫截面上的分布曲線(xiàn)，進(jìn)而求出平均每面的速度和流量。與單聲道相比，由于三聲道每一路超聲波都是經(jīng)過(guò)管壁的3次反射回到同側的探頭，這樣不僅可以延長(cháng)聲程，而且可以得到三個(gè)聲道測量的平均值，使測量更精確（表1）。為了更準確地確定流速的分布情況，還可以采用四、五聲道等。

表1 不同聲道超聲波流量計計量結果的對比

    3 計量誤差及其原因

    臨邑站精密配輸系統共有10臺超聲波流量計UFM3030，其中勝利油和進(jìn)口油給油泵出口匯管各1臺，分別用于外輸勝利油和進(jìn)口油的計量；魯寧、臨濟、臨濮、臨滄勝利油和進(jìn)口油支管各1臺，用于計量和調節。所有流量計均按照說(shuō)明書(shū)進(jìn)行了正確的安裝，為了達到指定的精度，安裝入口段直管段長(cháng)度遠遠大于10DN（DN為流量計尺寸），出口段直管段長(cháng)度遠遠大于5DN。臨邑站精密配輸系統自2008年6月26日投產(chǎn)以來(lái)，進(jìn)口油所在各支管、臨濟勝利油支管、臨濮勝利油支管、臨滄勝利油支管和進(jìn)口油給油泵出口匯管的超聲波流量計（共8臺）基本達到了預定的精度，平均誤差在±0.5%之內，給精密配輸系統的計量和調節帶來(lái)了很大便利。但是，勝利油給油泵出口匯管和魯寧勝利油支管的超聲波流量計卻表現出了較大誤差，且計量精度極不穩定，尤其是隨著(zhù)勝利油溫度不同，其計量差異更大。當勝利油邊進(jìn)邊輸（管道油溫一般超過(guò)38℃）時(shí)誤差較��；東臨復線(xiàn)（勝利油田來(lái)油）停輸，完全從罐中抽油（罐中油溫遠低于38℃）時(shí)，誤差大到無(wú)參考價(jià)值，有時(shí)勝利油匯管流量直接無(wú)法顯示；東臨復線(xiàn)停輸，冬季站內管道啟用蒸汽伴熱時(shí)誤差較不伴熱時(shí)小得多。由此，可得出其計量誤差的基本規律：油溫高時(shí)誤差較小，油溫低時(shí)誤差變大，其中油溫低于37℃時(shí)，誤差最大，且不穩定。

    選取某一時(shí)刻精密配輸參數動(dòng)態(tài)數據（表2，當天化驗勝利來(lái)油溫度為39.5℃，魯寧外輸油溫為39℃），該時(shí)刻臨滄線(xiàn)停輸，臨濮線(xiàn)輸純進(jìn)口油，魯寧線(xiàn)外輸勝利油與進(jìn)口油的體積分數之比為8.40：1，臨濟線(xiàn)外輸勝利油與進(jìn)口油的體積分數之比為0.23：1。根據表2，計算得出：各支管進(jìn)口油計量誤差和進(jìn)口油匯管流量計量誤差平均為0.45%，各支管進(jìn)口油總流量誤差和進(jìn)口油匯管總流量誤差平均為0.41%，均小于超聲波流量計的指定誤差±0.5%，精確度很高；各支管勝利油流量之和與勝利油匯管流量之比為0.9501，誤差為4.99%。

表2 精密配輸參數動(dòng)態(tài)表

    不同批次油品黏度稍有差異，但總體上進(jìn)口原油黏度都很低（表3）；勝利原油黏度都較大，且油品黏度隨溫度降低增加很快（表4）。進(jìn)口油在正常輸送條件下的計量都很精確，與溫度和輸量關(guān)系不大；小管徑輸送的勝利油計量誤差也比較��；但是，大管徑輸送的勝利油低于38℃時(shí)，計量誤差非常嚴重。由于雷諾數是流體流動(dòng)中慣性力與黏性力比值的量度，所以通過(guò)雷諾數來(lái)尋找超聲波流量計誤差的原因。

表3 不同油溫時(shí)進(jìn)口原油流變性測試數據（密度863kg/m³）

表4 不同溫度時(shí)勝利原油流變性測試數據（密度925.3kg/m³）

    根據表2～表5，由Re=4Q/（πdν）（其中ν為油品的運動(dòng)黏度，m²/s；Q為油品在管路中的流量，m³/s；d為管道內徑，m）可計算求得各管道的雷諾數（表6）。如果勝利油溫低于38℃很多（如32℃），計算求得魯寧勝利油支管和勝利油匯管的雷諾數（表7）。一般來(lái)說(shuō)，當Re＜2000，為層流區；當2000＜Re＜4000，為過(guò)渡區（不確定區）；當Re＞4000，為紊流區。由此可知，進(jìn)口油匯管和支管油流基本呈紊流狀態(tài)；勝利油低輸量、小管徑的如臨濟支管油流，基本呈層流狀態(tài)；勝利油高輸量、大管徑管道如勝利油匯管和魯寧勝利油支管，基本處于過(guò)渡區�？梢�(jiàn)，三聲道的超聲波流量計是受流態(tài)影響的，尤其是過(guò)渡流態(tài)對其影響很大。由于不同批次的原油黏度、溫度、密度等參數不同，雷諾數不同，超聲波流量計的計量精度也會(huì )有很大不同。因此，超聲波流量計的計量誤差主要與油品種類(lèi)、溫度和輸量（或管徑）有關(guān)。

表5 UFM3030超聲波流量計所在管道的相關(guān)參數

表6 超聲波流量計所在管道油品雷諾數

表7 32℃勝利油管道油品雷諾數

    4 結束語(yǔ)

    目前臨邑站針對魯寧線(xiàn)外輸量計量誤差大的問(wèn)題，以減小誤差利用管道來(lái)油量與庫存量進(jìn)行反復估算，工作量大，而且估算也存在一定的誤差。由于德國科隆公司生產(chǎn)的五聲道超聲波流量計的計量精度完全不受雷諾數的影響，因此，如果條件許可，建議將勝利油給油泵出口匯管、魯寧線(xiàn)外輸支管上的超聲波流量計換成五聲道超聲波流量計。