多聲道管道式液體超聲波流量計(jì)在石油領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用

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

多聲道管道式液體超聲波流量計(jì)已在國內(nèi)外的成品油和原油的交接計(jì)量站中有多次成功的應(yīng)用，例如，中海油伊拉克米桑油田區(qū)塊外輸計(jì)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(jì)量撬中均已成功投用。僅從技術(shù)角度來看，多聲道管道式液體超聲波流量計(jì)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(dòng)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(hù)優(yōu)勢等，這些無疑都是傳統(tǒng)的容積式和渦輪式流量計(jì)無法具有的，再加上其有著其他流量計(jì)更加寬的量程比，因此正成為液體原料及石油貿(mào)易交接的首選計(jì)量儀表。

二、液體超聲波流量計(jì)工作原理及檢定難點(diǎn)

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

管道式超聲波流量計(jì)不同于傳統(tǒng)的容積式流量計(jì)和渦輪流量計(jì)，其是靠電子芯片間接測量而對外發(fā)出計(jì)算脈沖的，此即為人工“制造”出與流量相關(guān)的脈沖（頻率），由于流量脈沖和串行信號是通過計(jì)算獲得，因此輸出信號會(huì)落后于流體的特性，而且經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(jì)在其內(nèi)部幾條聲道上進(jìn)行高頻率的時(shí)間差測量，由于流體流動(dòng)存在的不穩(wěn)定性，任何微小的流量擾動(dòng)和脈動(dòng)都會(huì)被流量計(jì)所檢測到，從而導(dǎo)致流量計(jì)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(jī)械性流量計(jì)而反應(yīng)不出來的。

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

綜上所述，由于超聲波流量計(jì)本身的原理及特點(diǎn)存在不均勻的脈沖輸出，所以導(dǎo)致標(biāo)定的體積管容積值巨大，大型的體積管在制造，使用，運(yùn)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(yán)重制約著超聲波流量計(jì)在中海油的發(fā)展及應(yīng)用。

三、液體超聲波流量計(jì)的檢定

由上所述，根據(jù)API標(biāo)準(zhǔn)可用球形體積管根據(jù)規(guī)范推薦的容積來選擇直接標(biāo)定液體超聲波流量計(jì)。但是由于海上條件的限制，不是每個(gè)項(xiàng)目及應(yīng)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(wù)中尋求更新和發(fā)展，必須要有辦法來解決這個(gè)問題。

目前國際上的應(yīng)用證明等精度傳遞理論即“活塞式體積管+標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)法”可以解決超聲波流量計(jì)需要體積管容積大的問題，標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)考慮到量程范圍，推薦用渦輪流量計(jì)。在流量計(jì)量領(lǐng)域中有等精度傳遞理論，及流量量值傳遞時(shí)只需要滿足計(jì)量學(xué)相關(guān)性基本原則，流量計(jì)在使用時(shí)和檢定時(shí)流量點(diǎn)相同，介質(zhì)相同和使用介質(zhì)的物理特性相同，流量計(jì)檢定和使用時(shí)幾何特性相同，流量計(jì)在檢定和使用過程中的操作過程相同，那么流量基準(zhǔn)所復(fù)現(xiàn)的流量單位制將會(huì)等同精度傳遞給工作流量計(jì)。

“小容積體積管+標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)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(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)，在規(guī)定的流量點(diǎn)下，逐點(diǎn)進(jìn)行多次重復(fù)測量（測量次數(shù)不少于5次），再進(jìn)行溫度，壓力修正后，計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)表在每個(gè)檢定點(diǎn)下的平均儀表系數(shù)和對應(yīng)的重復(fù)性。標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)檢定得到的重復(fù)性已優(yōu)于0.02%為宜。

（2）在相同的檢定流量計(jì)和檢定條件下，在規(guī)定的時(shí)間段和規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)表脈沖數(shù)（通常大于10000個(gè)）內(nèi)同時(shí)記錄標(biāo)準(zhǔn)表流量計(jì)和超聲波流量計(jì)的脈沖數(shù)以及當(dāng)時(shí)各處的溫度，壓力數(shù)據(jù)，此時(shí)體積管停止運(yùn)行。

（3）通過標(biāo)準(zhǔn)表的脈沖數(shù)及儀表系數(shù)及當(dāng)時(shí)的溫度，壓力，計(jì)算出流過標(biāo)準(zhǔn)表的流體體積。

（4）通過標(biāo)準(zhǔn)表的流體體積及超聲波流量計(jì)處的溫度，壓力可以得出超聲波流量計(jì)在每一個(gè)檢定點(diǎn)下的平均儀表系數(shù)和對應(yīng)的重復(fù)性。

目前“小容積體積管+標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)法”是液體超聲波流量計(jì)的主要檢定方法，國外主要的技術(shù)機(jī)構(gòu)都采用本方法，并且主流的流量計(jì)算機(jī)，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(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的檢定方法符合JJG1030-2007超聲波流量計(jì)檢定規(guī)程中關(guān)于現(xiàn)場在線檢定的技術(shù)要求，可以對使用中的超聲波流量計(jì)的進(jìn)行檢定和檢驗(yàn)。

四、管道式液體超聲波流量計(jì)在中海油貿(mào)易交接的應(yīng)用

中海石油旅大32-2/27-2油田項(xiàng)目中第一次應(yīng)用液體超聲波流量計(jì)作為貿(mào)易交接的應(yīng)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(jì)，采用一臺18in活塞式體積管（容積值約120L）及一臺渦輪流量計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)表。應(yīng)用本文提出的方法進(jìn)行標(biāo)定后得到新的流量計(jì)系數(shù)。外輸作業(yè)結(jié)束后，通過對比流量計(jì)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(xiàng)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(xiàng)目采用了三套DN150的液體超聲波流量計(jì)，同樣配用18in活塞式體積管及一臺渦輪流量計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)表，目前已經(jīng)為中海油與伊拉克油田方提供貿(mào)易計(jì)量的服務(wù)。
此外，液體超聲波流量計(jì)+球形體積管方式應(yīng)用于中海石油-新田石油合作平臺LF7-2原油的外輸計(jì)量中。

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

五、本文結(jié)語

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

隨著技術(shù)的更新發(fā)展和計(jì)量規(guī)范的完善，管道式液體超聲波流量計(jì)將會(huì)在中海油的測量和計(jì)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(hù)，將為中海油低碳綠色業(yè)務(wù)的拓展提供更大的支持