超声波流量计在原油精密配输中的计量误差

摘 要：临邑输油站2008年建成的原油精密配输系统采用超声波流量计UFM3030，计量精确度极高，给临邑站的精密配输带来了极大便利，但对大管径、高输量的胜利油的计量精度较低。根据原油精密配输系统的工艺流程，介绍了超声波流量计的组成与测量原理，分析了在原油精密配输系统使用中超声波流量计UFM3030出现计量误差的原因。结果表明：UFM3030超声波流量计的精度与管输油品雷诺数有关，即超声波流量计的误差主要是油品、温度和输量（或管径）不同引起的。建议将胜利油给油泵出口汇管和鲁宁管道外输支管上换成完全不受雷诺数影响的五声道超声波流量计，以最大限度地避免当前的计量误差。（图3，表7，参8）

关键字：精密配输 超声波流量计 UFM3030 误差 雷诺数

    由于各炼油企业对于油品物性要求不同，需要将不同品种的原油按照一定比例混合。临邑输油站主要接收东临线、东临复线输来的进口油和胜利油，再分别向鲁宁线、临沧线、临济线和临濮线输送进口原油和胜利原油的混合油。临邑站原混油方式为罐混，即胜利原油与进口原油按照预定计划比例进入同一储罐，在罐中混合后再由外输泵加压输送。这种混油方式存在罐容占用较多、原油混合不均匀、混合配比方案较少以及混合比例受进口原油来油的影响较大等诸多不足之处。2008年临邑站建成了原油精密配输系统，缓解了临邑站库容不足的矛盾，提高了原油混合的均匀度、灵活性，简化了工艺流程操作方式，既降低了因操作频繁造成的设备磨损率、生产一线操作人员的劳动强度，又提高了系统的自动化水平，对于稳定原油质量，减少炼化企业加工装置波动，确保安全生产，提高管输效率具有重要意义。该技术为中国石化内部首家采用流量计控制原油混合精度的方式，在国内外均处于领先水平。

    原油精密配输系统采用的超声波流量计UFM3030具有极高的精确度，给临邑站的精密配输带来了极大的便利，但对大管径、高输量的胜利油的计量精度却很不理想。通过对超声波流量计应用于原油精密配输系统的误差问题的分析，找出了影响超声波流量计精度的因素，并提出了改进措施。

    1 精密配输系统工艺流程

    临邑站精密配输系统主要设备包括：4台给油泵机组（两用两备），分别将胜利和进口原油抽至外输泵的进口汇管内进行混合；4台气动调节阀，用于各线小流量油品的调节；10台超声波流量计，其中给油泵出口汇管2台（仅用于计量），各线胜利油和进口油各1台（计量和调节作用）；在线含硫分析仪2台，用于实时检测进口油和胜利油含硫量；变频调节装置3套，其中大泵配套1套，小泵各配套1套，用于平衡、调节给油泵压力、流量。

    临邑站原油精密配输工艺（图1）功能齐全、流程简单，其中东临线来油是纯进口油，东临复线来油是胜利油田油。该流程既可以满足来油先储存、后外输的需要，也可以实现边进边输的旁接罐运行方式，满足多出口不同比例原油混合外输的需要。

图1 临邑站配输流程示意图

    2 超声波流量计的组成与计量原理

    2.1 UFM3030超声波流量计的组成

    临邑站精密配输系统的超声波流量计选用德国科隆公司生产的管道式三声道超声波流量计UFM3030，其主要由信号转换器UFC030和流量传感器UFS3000组成（图2）：信号转换器UFC030的作用是放大、过滤测量信号（分辨噪音），将测得的信号转变为流速、体积流量、质量流量、累计流量、声速等；流量传感器UFS3000采用石英材料制成的压电原件作为换能器，传感器的测量管没有插入部件和可动部件，内径与原油管道相同。超声波流量计UFM3030的优点是无堵塞、无压损、无磨损、无需重新校验、双向测量、寿命长以及可靠性高。

图2 UFM3030超声波流量计组成示意图

    2.2 时差法测量原理

    UFM3030超声波流量计的测量原理（图3，其中D为原油管道管径，mm；V为介质流速，m/s；a为声道角；L为声程长度，m；C为介质中的声速，m/s）是基于时差法来测量：在被测管道上、下游安装有超声换能器A和B，这2个换能器交替发射和接收超声波信号[4]；声波在一个斜对角的路径上发射和接收，顺流而下的声波比逆流而上的声波速度要快。

图3 UFM3030超声波流量计的时差法测量原理

    声波顺流而下（换能器A到B）的传输时间：

    

    声波逆流而上时（换能器B到A）的传输时间：

    

    由于声速远远大于液体流速（C＞＞V），因此，声波顺流、逆流的时间差为：

    

    可见，当声速C确定，只需求得时间差，就可以得到介质的流速：

    

    原油管道内流体的流态可以分为层流和紊流，而单声道测量求出的是声路上的平均线速度。为了求出流量，仅有平均速度是不够的，必须知道流速在横截面上的分布曲线，为此可以在管壁上安装多对换能器，每对换能器声束所在平面与管道轴线相互平行，且每对换能器的测量原理和单通道基本相同，利用每个声道测得的数据近似求出横截面上的分布曲线，进而求出平均每面的速度和流量。与单声道相比，由于三声道每一路超声波都是经过管壁的3次反射回到同侧的探头，这样不仅可以延长声程，而且可以得到三个声道测量的平均值，使测量更精确（表1）。为了更准确地确定流速的分布情况，还可以采用四、五声道等。

表1 不同声道超声波流量计计量结果的对比

    3 计量误差及其原因

    临邑站精密配输系统共有10台超声波流量计UFM3030，其中胜利油和进口油给油泵出口汇管各1台，分别用于外输胜利油和进口油的计量；鲁宁、临济、临濮、临沧胜利油和进口油支管各1台，用于计量和调节。所有流量计均按照说明书进行了正确的安装，为了达到指定的精度，安装入口段直管段长度远远大于10DN（DN为流量计尺寸），出口段直管段长度远远大于5DN。临邑站精密配输系统自2008年6月26日投产以来，进口油所在各支管、临济胜利油支管、临濮胜利油支管、临沧胜利油支管和进口油给油泵出口汇管的超声波流量计（共8台）基本达到了预定的精度，平均误差在±0.5%之内，给精密配输系统的计量和调节带来了很大便利。但是，胜利油给油泵出口汇管和鲁宁胜利油支管的超声波流量计却表现出了较大误差，且计量精度极不稳定，尤其是随着胜利油温度不同，其计量差异更大。当胜利油边进边输（管道油温一般超过38℃）时误差较小；东临复线（胜利油田来油）停输，完全从罐中抽油（罐中油温远低于38℃）时，误差大到无参考价值，有时胜利油汇管流量直接无法显示；东临复线停输，冬季站内管道启用蒸汽伴热时误差较不伴热时小得多。由此，可得出其计量误差的基本规律：油温高时误差较小，油温低时误差变大，其中油温低于37℃时，误差最大，且不稳定。

    选取某一时刻精密配输参数动态数据（表2，当天化验胜利来油温度为39.5℃，鲁宁外输油温为39℃），该时刻临沧线停输，临濮线输纯进口油，鲁宁线外输胜利油与进口油的体积分数之比为8.40：1，临济线外输胜利油与进口油的体积分数之比为0.23：1。根据表2，计算得出：各支管进口油计量误差和进口油汇管流量计量误差平均为0.45%，各支管进口油总流量误差和进口油汇管总流量误差平均为0.41%，均小于超声波流量计的指定误差±0.5%，精确度很高；各支管胜利油流量之和与胜利油汇管流量之比为0.9501，误差为4.99%。

表2 精密配输参数动态表

    不同批次油品黏度稍有差异，但总体上进口原油黏度都很低（表3）；胜利原油黏度都较大，且油品黏度随温度降低增加很快（表4）。进口油在正常输送条件下的计量都很精确，与温度和输量关系不大；小管径输送的胜利油计量误差也比较小；但是，大管径输送的胜利油低于38℃时，计量误差非常严重。由于雷诺数是流体流动中惯性力与黏性力比值的量度，所以通过雷诺数来寻找超声波流量计误差的原因。

表3 不同油温时进口原油流变性测试数据（密度863kg/m³）

表4 不同温度时胜利原油流变性测试数据（密度925.3kg/m³）

    根据表2～表5，由Re=4Q/（πdν）（其中ν为油品的运动黏度，m²/s；Q为油品在管路中的流量，m³/s；d为管道内径，m）可计算求得各管道的雷诺数（表6）。如果胜利油温低于38℃很多（如32℃），计算求得鲁宁胜利油支管和胜利油汇管的雷诺数（表7）。一般来说，当Re＜2000，为层流区；当2000＜Re＜4000，为过渡区（不确定区）；当Re＞4000，为紊流区。由此可知，进口油汇管和支管油流基本呈紊流状态；胜利油低输量、小管径的如临济支管油流，基本呈层流状态；胜利油高输量、大管径管道如胜利油汇管和鲁宁胜利油支管，基本处于过渡区。可见，三声道的超声波流量计是受流态影响的，尤其是过渡流态对其影响很大。由于不同批次的原油黏度、温度、密度等参数不同，雷诺数不同，超声波流量计的计量精度也会有很大不同。因此，超声波流量计的计量误差主要与油品种类、温度和输量（或管径）有关。

表5 UFM3030超声波流量计所在管道的相关参数

表6 超声波流量计所在管道油品雷诺数

表7 32℃胜利油管道油品雷诺数

    4 结束语

    目前临邑站针对鲁宁线外输量计量误差大的问题，以减小误差利用管道来油量与库存量进行反复估算，工作量大，而且估算也存在一定的误差。由于德国科隆公司生产的五声道超声波流量计的计量精度完全不受雷诺数的影响，因此，如果条件许可，建议将胜利油给油泵出口汇管、鲁宁线外输支管上的超声波流量计换成五声道超声波流量计。