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電磁流量計和超聲流量計在線驗證 
發布時間:2018-08-23

摘要:流量儀表在有些使用場所不能離線校準定期檢定,如大型輸水管不允許停役,為探知現場使用條件下流量測量系統的準確性,必須在現場實施在線校準、比對或驗證等三個不同層次的運作。簡要回顧了當前實行的這些在線校準和在線比對,著重闡述了電磁流量計和超聲流量計所采用的評估驗證流量儀表運行狀況的方法。
0引言
  電磁流量計超聲流量計的流量量值通常在制造廠流量實驗室的流量標準裝置上實流校準,傳遞量值。然而在現場流動和使用條件偏離校準時的參比工作條件下,為探知現場條件也就是對測量系統(包括流量儀表、前后連接管、介質流動狀態等)的測量準確度,或者貿易交接計量要求短間隔周期檢定,以及不容許停役管線離線校準的場所,需要在線校準。
  流量儀表的在線校準是在現場測量條件下將流經待校準儀表的流體臨時接入固定式(或移動式)流量標準裝置或標準計量器具進行比較。除在線校準最高層次外,還有在線比對和在線驗證兩個層次。
  流量儀表在線比對的工作方法和“校準”相似,只是在某些方面達不到“校準”規定,要求相對低些,如只與精度等級相近的參比測量計相比。流量儀表在線驗證是采用間接檢查(驗)的方法,評估或驗證儀表的流量測量值等性能仍保持或超過原校準性能的范圍,為是否仍可繼續使用或需進一步檢查提供依據。
1在線校準和在線比對
  流量儀表的在線標準,其校準條件(即流體物性、操作條件、安裝和環境條件)通常是在與現場實際使用條件充分一致的情況下進行的。常用方法如圖1所示。
電磁流量計在線校準方法示意圖
1.1流量標準裝置法
  本方法首先在能源工業探索實踐,當前已在原油和天燃氣的貿易交接計量中普遍應用,例如原油交接計量基本上實現在現場用基地式或移動式標準體積管校準;天然氣交接計量采用臨界流文丘里噴嘴(音速噴嘴)在線校準,實例請參閱文獻[1]。
  流量儀表在線比對所采用的方法,大體上和流量標準裝置法在線校準相似,有容器衡器比對法、參比流量計比對法和外夾裝換能器超聲流量計比對法等,文獻[1]也有扼要說明。
1.2示蹤法
  示蹤法在線校準流量儀表技術在國際上已相當成熟,早在上世紀70年代就頒發了國際標準ISO2975—(1~7)《封閉管道中水流量測量———示蹤法》和ISO4053—(1、4)《封閉管道中氣體流量測量———示蹤法》,其工作原理有兩類:一是恒速注入法(也稱稀釋法);二是瞬時注入示蹤劑的傳輸時間法。傳輸時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。傳輸法測量滿管流液體,在良好條件下有望得到0.5%的測量準確度,測量氣體為0.7%。
  上世紀80年代,江都水利工程管理處和武漢水利電力學院利用稀釋法(食鹽濃度)校準DN1.6~3m水泵進水流道差壓流量測量的系數。四個泵站實測結果表明流量極限誤差一般在2.5%~4%之間[2]。
  芬蘭OyIndmeasAb公司發布用傳輸時間示蹤法校準700余臺測量污水滿管和非滿管電磁流量計、明渠文丘里流槽的報告[4]。美國Kurz公司在技術交流會上稱:用SF6示蹤劑校準測量煙道排放氣的金氏定律熱式流量計的流量[5]。
1.3速度面積法
  本法也是在線校準的經典方法,亦有國際標準可咨遵循,有ISO3354《封閉管道中清潔水流量測量———在滿道中和規則流動條件下采用流速計的速度面積法》和ISO3966《封閉管道中流體流量測量———采用皮托靜壓管的速度-面積法》。
上世紀60年代日本就曾在水電站現場用流速儀13個測量點,校準DN1000大管徑電磁流量計。日本當時還沒有具備符合要求的大型水流量標準裝置。
  江都泵站曾按ISO標準規定位置布置26臺流速計,測量大型水泵3.5m×1.5m矩形出水流道平均流速,以校準用差壓法測量泵進水道差壓的流出系數,測量流速在1.2~1.3m/s之間。期間還用食鹽濃度法校準流速計面積法,在實驗過程中再用食鹽濃度法復核流速計面積法的數據[3]。量值傳遞流程如圖2所示。

2在線驗證
  當在線校準和比對兩種方法都不能實施時,只能退而采用在線驗證,其方法大體上有:物料平衡法、熱量平衡法、設備能力估算法和其他參量評估法等。
2.1物料平衡法
  本方法是利用測量系統中流入系統各流量計所測流量值的總和與流出系統各流量計測量值的總和相等,或其差值在合理范圍內。例如應用于工程交工驗收時驗證相關流量計測量結果,水廠出水總管流量和各輸送分管總和之間的驗證。
2.2熱量平衡法
  將與被測流量相關聯的數據代入熱量平衡方程式,計算出流量理論值,以驗證流量測量值。例如鍋爐除氧器蒸汽消耗量以進水流量和水升高溫度,以熱量平衡計算驗之[6]。
2.3設備能力估算法
  根據相關設備能力估算流量的一種方法。例如供水企業測量輸水泵揚程,按泵的揚程-流量(h-q)特征估算輸水量。
2.4其他參量評估法
  本方法是在檢驗流量計流量信號以外其他流量測量要素的參量,是否仍保持在原校準流量時的允許范圍內,評估驗證所測流量的準確性。如下文兩節所述檢驗電磁流量計的磁場強度和測量超聲流量計的聲速。
3電磁流量計在線驗證
  電磁流量計是根據法拉第電磁感應定律測量導電流體流量的儀表,感應電動勢E即流量信號正比于磁感應強度B和被測平均流速V,
即E=KBDV(1)
式中:K為系數;D為測量管內徑,均為常值。
  若能證明測量要素B仍保持在原校準流量時的允差范圍內,且證明沒有影響流量信號的其他不利因素(如信號回路絕緣電阻下降),就可確認所測流量值仍保持原有性能的值。為證明B維持原值,應檢驗勵磁線圈電阻/絕緣以及勵磁電流,評估B;檢查電極信號電路絕緣良好,證明流量信號沒有被分流;測量電極接液電阻,評估電極表面狀況是否妨礙正常測量;檢查測量各部件絕緣電阻以判斷零部件劣化程度;再以模擬信號器及其他通用儀器檢查轉換器完好性。這些檢查項目如表1所示,文獻[7]有詳細的論述。
  基于這些由制造廠售后服務和現場應用維修工程師們積累的檢查和驗證方法,上世紀90年代中期國外開發了專用儀器和軟件,實施電磁流量計的在線檢查驗證,如商業名Calmaster(ABB公司),Magcheck(Krohne公司)的儀器,但只能用于本企業儀表。國內也有電磁流量計制造廠正在開發這類儀器。

4超聲流量計的在線驗證
  超聲流量計是利用向流動的流體發射超聲波,傳播時承載上流體流速的信息,予以接收并檢測流體流速的儀表。應用于石油和天然氣業儲運交接的超聲流量計是以超聲波在流體內順逆兩個方向傳播,利用傳播速度差與流體流速之間的關系,求取流體流量。如何在線判定運行中超聲流量計的測量準確性,在天然氣應用中人們利用實測聲速這一參量與從測量氣體或成分計算所得聲速(即從超聲流量計外獲得的參比量)進行比較,驗證超聲流量計;在海上FPSO(floatingproductionstorageandoffloading)平臺上利用兩臺串接超聲流量計,分析所測流量和聲速的統計數據,判析儀表的運行狀況。
4.1計算聲速和實測聲速比較、驗證[8]
  自1998年美國燃氣協會提出AGA第9號報告《多聲道超聲流量計測量燃氣》以來,多聲道超聲流量計應用于天然氣交接計量日益增加。交接計量要求經常檢查測量準確性。
  Daniel多聲道超聲流量計的用戶超聲接口CUI(customerultrasonicinterface)軟件對儀表作內部診斷,保證運行良好。然而這些檢查診斷還沒有與外界任何一個參比量比較;還不能判斷是否測量準確,還需要一個外界參比量。超聲在流體中傳播時間是儀表求取流速的原始測量,傳播時間和儀表輸出以及所測聲速也不準確,因此周期性地用外界獨立的參比聲速與超聲流量聲速比較,以檢驗超聲流量計性能。
  這一參比聲速是以氣相色譜儀所測天然氣成分和實時壓力/溫度按AGA第10號報告《天然氣和其他相關氣相烴的聲速》經流量計算機計算獲得,與超聲測量計所測聲速連續地比較。
  圖3所示是由流量計算機分別計算每隔10min實測聲速和計算聲速平均值的記錄例。若兩者偏差超過設定值將發出信號,以引起注視。
電磁流量計實測聲速與計算聲速比較圖示
4.2分析統計數據
  巴西IPT技術研究所發表文章,報道分析串接在FPSO平臺上兩臺相同型號DN600五聲道超聲流量計發送石油的流量和聲速統計數據,以驗證交接計量的運行狀況[9]。
  兩臺儀表中一臺日常貿易交接計量儀表由另一臺參比表(mastermeter)核查和校驗。圖4所示是貿易計量儀表流量在4000~5500m3/h時的校驗記錄,變化在原校準儀表系數的±0.180%范圍內,最大變化為0.090%,標準偏差為0.045%。
電磁流量計貿易系數校驗記錄
用兩臺相同型號超聲流量計核查校驗,結果顯示儀表系數在1.000附近變化很小,可解釋為兩種可能性:
①計量儀表和參比表兩者均沒有漂移,這是大多數的可能事件;
②計量儀表和參比表以相同方式和相同方向漂移,這在測量系統短時工作儀表系數變化0.090%的條件下,是小概率事件,或視為不可能事件。
  再從計量儀表與參比表五個聲道的各聲道間,求取聲速比值考察儀表的穩定性,表2摘錄流量在5500m3/h時的聲速比,五個聲道兩儀表聲速比變化最大為0.006%。
  從上述統計數據分析說明,在2003年10月31日到2004年1月26日期間兩臺儀表運行是十分穩定的,重復性和再現性也沒有明顯變化。

4.3國家檢定規程中的規定
  我國正在制訂《超聲流量計檢定規程》的“附錄D超聲流量計的使用中檢測”也規定用聲速復核和驗證在線使用中的儀表,規定每次實驗流量點每條聲道的計算值與前一次計算一致,偏差不得大于3%。
5結束語
  流量儀表可以行之有效地實行在線校準比對,電磁流量計和超聲流量計的實踐說明,流量儀表還可以通過檢查流量信號以外的相關參量,評估或驗證在檢定周期間的運行狀況,或據此延長儀表的檢定周期。國外已有若干企業專業為客戶在線校準或驗證流量儀表;國內也有若干單位正在開展這類業務,我們相信此業務今后將會得到更好的發展。

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