摘要:流量?jī)x表在有些使用場(chǎng)所不能離線校準(zhǔn)定期檢定,如大型輸水管不允許停役,為探知現(xiàn)場(chǎng)使用條件下流量測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性,必須在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施在線校準(zhǔn)、比對(duì)或驗(yàn)證等三個(gè)不同層次的運(yùn)作。簡(jiǎn)要回顧了當(dāng)前實(shí)行的這些在線校準(zhǔn)和在線比對(duì),著重闡述了電磁流量計(jì)和超聲流量計(jì)所采用的評(píng)估驗(yàn)證流量?jī)x表運(yùn)行狀況的方法。
0引言
電磁流量計(jì)和超聲流量計(jì)的流量量值通常在制造廠流量實(shí)驗(yàn)室的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上實(shí)流校準(zhǔn),傳遞量值。然而在現(xiàn)場(chǎng)流動(dòng)和使用條件偏離校準(zhǔn)時(shí)的參比工作條件下,為探知現(xiàn)場(chǎng)條件也就是對(duì)測(cè)量系統(tǒng)(包括流量?jī)x表、前后連接管、介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)等)的測(cè)量準(zhǔn)確度,或者貿(mào)易交接計(jì)量要求短間隔周期檢定,以及不容許停役管線離線校準(zhǔn)的場(chǎng)所,需要在線校準(zhǔn)。
流量?jī)x表的在線校準(zhǔn)是在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量條件下將流經(jīng)待校準(zhǔn)儀表的流體臨時(shí)接入固定式(或移動(dòng)式)流量標(biāo)準(zhǔn)裝置或標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量器具進(jìn)行比較。除在線校準(zhǔn)最高層次外,還有在線比對(duì)和在線驗(yàn)證兩個(gè)層次。
流量?jī)x表在線比對(duì)的工作方法和“校準(zhǔn)”相似,只是在某些方面達(dá)不到“校準(zhǔn)”規(guī)定,要求相對(duì)低些,如只與精度等級(jí)相近的參比測(cè)量計(jì)相比。流量?jī)x表在線驗(yàn)證是采用間接檢查(驗(yàn))的方法,評(píng)估或驗(yàn)證儀表的流量測(cè)量值等性能仍保持或超過(guò)原校準(zhǔn)性能的范圍,為是否仍可繼續(xù)使用或需進(jìn)一步檢查提供依據(jù)。
1在線校準(zhǔn)和在線比對(duì)
流量?jī)x表的在線標(biāo)準(zhǔn),其校準(zhǔn)條件(即流體物性、操作條件、安裝和環(huán)境條件)通常是在與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用條件充分一致的情況下進(jìn)行的。常用方法如圖1所示。
1.1流量標(biāo)準(zhǔn)裝置法
本方法首先在能源工業(yè)探索實(shí)踐,當(dāng)前已在原油和天燃?xì)獾馁Q(mào)易交接計(jì)量中普遍應(yīng)用,例如原油交接計(jì)量基本上實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)用基地式或移動(dòng)式標(biāo)準(zhǔn)體積管校準(zhǔn);天然氣交接計(jì)量采用臨界流文丘里噴嘴(音速噴嘴)在線校準(zhǔn),實(shí)例請(qǐng)參閱文獻(xiàn)[1]。
流量?jī)x表在線比對(duì)所采用的方法,大體上和流量標(biāo)準(zhǔn)裝置法在線校準(zhǔn)相似,有容器衡器比對(duì)法、參比流量計(jì)比對(duì)法和外夾裝換能器超聲流量計(jì)比對(duì)法等,文獻(xiàn)[1]也有扼要說(shuō)明。
1.2示蹤法
示蹤法在線校準(zhǔn)流量?jī)x表技術(shù)在國(guó)際上已相當(dāng)成熟,早在上世紀(jì)70年代就頒發(fā)了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO2975—(1～7)《封閉管道中水流量測(cè)量———示蹤法》和ISO4053—(1、4)《封閉管道中氣體流量測(cè)量———示蹤法》,其工作原理有兩類(lèi):一是恒速注入法(也稱(chēng)稀釋法);二是瞬時(shí)注入示蹤劑的傳輸時(shí)間法。傳輸時(shí)間示蹤法也可使用在明渠流、非滿管流或疑有沉淀物滿管流的流量校準(zhǔn)。傳輸法測(cè)量滿管流液體,在良好條件下有望得到0.5%的測(cè)量準(zhǔn)確度,測(cè)量氣體為0.7%。
上世紀(jì)80年代,江都水利工程管理處和武漢水利電力學(xué)院利用稀釋法(食鹽濃度)校準(zhǔn)DN1.6～3m水泵進(jìn)水流道差壓流量測(cè)量的系數(shù)。四個(gè)泵站實(shí)測(cè)結(jié)果表明流量極限誤差一般在2.5%～4%之間[2]。
芬蘭OyIndmeasAb公司發(fā)布用傳輸時(shí)間示蹤法校準(zhǔn)700余臺(tái)測(cè)量污水滿管和非滿管電磁流量計(jì)、明渠文丘里流槽的報(bào)告[4]。美國(guó)Kurz公司在技術(shù)交流會(huì)上稱(chēng):用SF6示蹤劑校準(zhǔn)測(cè)量煙道排放氣的金氏定律熱式流量計(jì)的流量[5]。
1.3速度面積法
本法也是在線校準(zhǔn)的經(jīng)典方法,亦有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)可咨遵循,有ISO3354《封閉管道中清潔水流量測(cè)量———在滿道中和規(guī)則流動(dòng)條件下采用流速計(jì)的速度面積法》和ISO3966《封閉管道中流體流量測(cè)量———采用皮托靜壓管的速度-面積法》。
上世紀(jì)60年代日本就曾在水電站現(xiàn)場(chǎng)用流速儀13個(gè)測(cè)量點(diǎn),校準(zhǔn)DN1000大管徑電磁流量計(jì)。日本當(dāng)時(shí)還沒(méi)有具備符合要求的大型水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。
江都泵站曾按ISO標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定位置布置26臺(tái)流速計(jì),測(cè)量大型水泵3.5m×1.5m矩形出水流道平均流速,以校準(zhǔn)用差壓法測(cè)量泵進(jìn)水道差壓的流出系數(shù),測(cè)量流速在1.2～1.3m/s之間。期間還用食鹽濃度法校準(zhǔn)流速計(jì)面積法,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中再用食鹽濃度法復(fù)核流速計(jì)面積法的數(shù)據(jù)[3]。量值傳遞流程如圖2所示。
2在線驗(yàn)證
當(dāng)在線校準(zhǔn)和比對(duì)兩種方法都不能實(shí)施時(shí),只能退而采用在線驗(yàn)證,其方法大體上有:物料平衡法、熱量平衡法、設(shè)備能力估算法和其他參量評(píng)估法等。
2.1物料平衡法
本方法是利用測(cè)量系統(tǒng)中流入系統(tǒng)各流量計(jì)所測(cè)流量值的總和與流出系統(tǒng)各流量計(jì)測(cè)量值的總和相等,或其差值在合理范圍內(nèi)。例如應(yīng)用于工程交工驗(yàn)收時(shí)驗(yàn)證相關(guān)流量計(jì)測(cè)量結(jié)果,水廠出水總管流量和各輸送分管總和之間的驗(yàn)證。
2.2熱量平衡法
將與被測(cè)流量相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)代入熱量平衡方程式,計(jì)算出流量理論值,以驗(yàn)證流量測(cè)量值。例如鍋爐除氧器蒸汽消耗量以進(jìn)水流量和水升高溫度,以熱量平衡計(jì)算驗(yàn)之[6]。
2.3設(shè)備能力估算法
根據(jù)相關(guān)設(shè)備能力估算流量的一種方法。例如供水企業(yè)測(cè)量輸水泵揚(yáng)程,按泵的揚(yáng)程-流量(h-q)特征估算輸水量。
2.4其他參量評(píng)估法
本方法是在檢驗(yàn)流量計(jì)流量信號(hào)以外其他流量測(cè)量要素的參量,是否仍保持在原校準(zhǔn)流量時(shí)的允許范圍內(nèi),評(píng)估驗(yàn)證所測(cè)流量的準(zhǔn)確性。如下文兩節(jié)所述檢驗(yàn)電磁流量計(jì)的磁場(chǎng)強(qiáng)度和測(cè)量超聲流量計(jì)的聲速。
3電磁流量計(jì)在線驗(yàn)證
電磁流量計(jì)是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律測(cè)量導(dǎo)電流體流量的儀表,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E即流量信號(hào)正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度B和被測(cè)平均流速V,
即E=KBDV(1)
式中:K為系數(shù);D為測(cè)量管內(nèi)徑,均為常值。
若能證明測(cè)量要素B仍保持在原校準(zhǔn)流量時(shí)的允差范圍內(nèi),且證明沒(méi)有影響流量信號(hào)的其他不利因素(如信號(hào)回路絕緣電阻下降),就可確認(rèn)所測(cè)流量值仍保持原有性能的值。為證明B維持原值,應(yīng)檢驗(yàn)勵(lì)磁線圈電阻/絕緣以及勵(lì)磁電流,評(píng)估B;檢查電極信號(hào)電路絕緣良好,證明流量信號(hào)沒(méi)有被分流;測(cè)量電極接液電阻,評(píng)估電極表面狀況是否妨礙正常測(cè)量;檢查測(cè)量各部件絕緣電阻以判斷零部件劣化程度;再以模擬信號(hào)器及其他通用儀器檢查轉(zhuǎn)換器完好性。這些檢查項(xiàng)目如表1所示,文獻(xiàn)[7]有詳細(xì)的論述。
基于這些由制造廠售后服務(wù)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用維修工程師們積累的檢查和驗(yàn)證方法,上世紀(jì)90年代中期國(guó)外開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用儀器和軟件,實(shí)施電磁流量計(jì)的在線檢查驗(yàn)證,如商業(yè)名Calmaster(ABB公司),Magcheck(Krohne公司)的儀器,但只能用于本企業(yè)儀表。國(guó)內(nèi)也有電磁流量計(jì)制造廠正在開(kāi)發(fā)這類(lèi)儀器。
4超聲流量計(jì)的在線驗(yàn)證
超聲流量計(jì)是利用向流動(dòng)的流體發(fā)射超聲波,傳播時(shí)承載上流體流速的信息,予以接收并檢測(cè)流體流速的儀表。應(yīng)用于石油和天然氣業(yè)儲(chǔ)運(yùn)交接的超聲流量計(jì)是以超聲波在流體內(nèi)順逆兩個(gè)方向傳播,利用傳播速度差與流體流速之間的關(guān)系,求取流體流量。如何在線判定運(yùn)行中超聲流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確性,在天然氣應(yīng)用中人們利用實(shí)測(cè)聲速這一參量與從測(cè)量氣體或成分計(jì)算所得聲速(即從超聲流量計(jì)外獲得的參比量)進(jìn)行比較,驗(yàn)證超聲流量計(jì);在海上FPSO(floatingproductionstorageandoffloading)平臺(tái)上利用兩臺(tái)串接超聲流量計(jì),分析所測(cè)流量和聲速的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),判析儀表的運(yùn)行狀況。
4.1計(jì)算聲速和實(shí)測(cè)聲速比較、驗(yàn)證[8]
自1998年美國(guó)燃?xì)鈪f(xié)會(huì)提出AGA第9號(hào)報(bào)告《多聲道超聲流量計(jì)測(cè)量燃?xì)狻芬詠?lái),多聲道超聲流量計(jì)應(yīng)用于天然氣交接計(jì)量日益增加。交接計(jì)量要求經(jīng)常檢查測(cè)量準(zhǔn)確性。
Daniel多聲道超聲流量計(jì)的用戶超聲接口CUI(customerultrasonicinterface)軟件對(duì)儀表作內(nèi)部診斷,保證運(yùn)行良好。然而這些檢查診斷還沒(méi)有與外界任何一個(gè)參比量比較;還不能判斷是否測(cè)量準(zhǔn)確,還需要一個(gè)外界參比量。超聲在流體中傳播時(shí)間是儀表求取流速的原始測(cè)量,傳播時(shí)間和儀表輸出以及所測(cè)聲速也不準(zhǔn)確,因此周期性地用外界獨(dú)立的參比聲速與超聲流量聲速比較,以檢驗(yàn)超聲流量計(jì)性能。
這一參比聲速是以氣相色譜儀所測(cè)天然氣成分和實(shí)時(shí)壓力/溫度按AGA第10號(hào)報(bào)告《天然氣和其他相關(guān)氣相烴的聲速》經(jīng)流量計(jì)算機(jī)計(jì)算獲得,與超聲測(cè)量計(jì)所測(cè)聲速連續(xù)地比較。
圖3所示是由流量計(jì)算機(jī)分別計(jì)算每隔10min實(shí)測(cè)聲速和計(jì)算聲速平均值的記錄例。若兩者偏差超過(guò)設(shè)定值將發(fā)出信號(hào),以引起注視。
4.2分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)
巴西IPT技術(shù)研究所發(fā)表文章,報(bào)道分析串接在FPSO平臺(tái)上兩臺(tái)相同型號(hào)DN600五聲道超聲流量計(jì)發(fā)送石油的流量和聲速統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),以驗(yàn)證交接計(jì)量的運(yùn)行狀況[9]。
兩臺(tái)儀表中一臺(tái)日常貿(mào)易交接計(jì)量?jī)x表由另一臺(tái)參比表(mastermeter)核查和校驗(yàn)。圖4所示是貿(mào)易計(jì)量?jī)x表流量在4000～5500m3/h時(shí)的校驗(yàn)記錄,變化在原校準(zhǔn)儀表系數(shù)的±0.180%范圍內(nèi),最大變化為0.090%,標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.045%。
用兩臺(tái)相同型號(hào)超聲流量計(jì)核查校驗(yàn),結(jié)果顯示儀表系數(shù)在1.000附近變化很小,可解釋為兩種可能性:
①計(jì)量?jī)x表和參比表兩者均沒(méi)有漂移,這是大多數(shù)的可能事件;
②計(jì)量?jī)x表和參比表以相同方式和相同方向漂移,這在測(cè)量系統(tǒng)短時(shí)工作儀表系數(shù)變化0.090%的條件下,是小概率事件,或視為不可能事件。
再?gòu)挠?jì)量?jī)x表與參比表五個(gè)聲道的各聲道間,求取聲速比值考察儀表的穩(wěn)定性,表2摘錄流量在5500m3/h時(shí)的聲速比,五個(gè)聲道兩儀表聲速比變化最大為0.006%。
從上述統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析說(shuō)明,在2003年10月31日到2004年1月26日期間兩臺(tái)儀表運(yùn)行是十分穩(wěn)定的,重復(fù)性和再現(xiàn)性也沒(méi)有明顯變化。
4.3國(guó)家檢定規(guī)程中的規(guī)定
我國(guó)正在制訂《超聲流量計(jì)檢定規(guī)程》的“附錄D超聲流量計(jì)的使用中檢測(cè)”也規(guī)定用聲速?gòu)?fù)核和驗(yàn)證在線使用中的儀表,規(guī)定每次實(shí)驗(yàn)流量點(diǎn)每條聲道的計(jì)算值與前一次計(jì)算一致,偏差不得大于3%。
5結(jié)束語(yǔ)
流量?jī)x表可以行之有效地實(shí)行在線校準(zhǔn)比對(duì),電磁流量計(jì)和超聲流量計(jì)的實(shí)踐說(shuō)明,流量?jī)x表還可以通過(guò)檢查流量信號(hào)以外的相關(guān)參量,評(píng)估或驗(yàn)證在檢定周期間的運(yùn)行狀況,或據(jù)此延長(zhǎng)儀表的檢定周期。國(guó)外已有若干企業(yè)專(zhuān)業(yè)為客戶在線校準(zhǔn)或驗(yàn)證流量?jī)x表;國(guó)內(nèi)也有若干單位正在開(kāi)展這類(lèi)業(yè)務(wù),我們相信此業(yè)務(wù)今后將會(huì)得到更好的發(fā)展。
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