成品油管道貿(mào)易計(jì)量中超聲波流量計(jì)的應(yīng)用及在線標(biāo)定，超聲波流量計(jì)目前多應(yīng)用于天然氣長(zhǎng)輸管道工程中，但在成品油長(zhǎng)輸管道貿(mào)易交接計(jì)量中，國(guó)內(nèi)實(shí)際應(yīng)用 相對(duì)較少。本文基于超聲波流量計(jì)的基本原理并結(jié)合肯尼亞西部成品油管道工程，對(duì)超聲波流量計(jì)在成品油管道中 的應(yīng)用及在線標(biāo)定等相關(guān)注意事項(xiàng)進(jìn)行論述，以期為相關(guān)設(shè)計(jì)工作提供參考。

原油及成品油長(zhǎng)輸管道在國(guó)家經(jīng)濟(jì)中的地位舉足輕 重，計(jì)量系統(tǒng)作為長(zhǎng)輸管道經(jīng)濟(jì)效益的直接基礎(chǔ)，也就成 為各方關(guān)注的重點(diǎn)。油品貿(mào)易結(jié)算依據(jù)分為空氣中的重量 和體積量?jī)煞N方式，各有一定的適用范圍。目前，國(guó)內(nèi)以 油品在空氣中的重量作為貿(mào)易結(jié)算依據(jù)[1]，而上通常則 是采用體積量進(jìn)行交接。因此，隨著與接軌，近年來(lái) 國(guó)內(nèi)成品油交接計(jì)量已經(jīng)開(kāi)始有從“質(zhì)量”和“體積”并 存，逐漸向“體積”量交接過(guò)渡的趨勢(shì)[2]。 渦輪流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)以及傳統(tǒng)的容積式流量計(jì)是 目前國(guó)內(nèi)原油、成品油管道常用的流量計(jì)形式。液體超聲 波流量計(jì)用于原油、成品油的計(jì)量還處于起步推廣階段， 國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)尚不健全，同時(shí)實(shí)際應(yīng)用也相對(duì)較少。隨著 計(jì)量方式的轉(zhuǎn)變，參考進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，超聲波流量計(jì)用于原油、成品油交接計(jì)量具有廣闊的前景。
1 超聲波流量計(jì)基本原理
超聲流量計(jì)作為新型的高精度的流量測(cè)量?jī)x表，具有 測(cè)量范圍寬、**度高、無(wú)可動(dòng)部件、無(wú)壓損、安裝使用 費(fèi)低、具備自診斷功能等優(yōu)點(diǎn)。因此，在20世紀(jì)末期開(kāi)始 在天然氣計(jì)量領(lǐng)域中被廣泛采用，并逐漸在越來(lái)越多的工 程應(yīng)用中取代傳統(tǒng)的渦輪和孔板流量計(jì)。超聲波流量測(cè)量 法有多種，依據(jù)信號(hào)檢測(cè)原理的不同可以劃分為：多普勒 效應(yīng)法、傳播時(shí)間法（時(shí)差法）、波束偏移法、噪聲法和 互相關(guān)法等幾種。其中，多普勒效應(yīng)法和傳播時(shí)間法是目 前超聲波流量計(jì)通常采用的方式，以下是對(duì)這兩種方法的 論述。
1.1 多普勒效應(yīng)法
多普勒型超聲流量計(jì)對(duì)介質(zhì)流速的檢測(cè)主要是利用相 位差法，其測(cè)量原理為：當(dāng)某一已知頻率的聲波在運(yùn)動(dòng)流 體中傳播時(shí)，在流體自身運(yùn)動(dòng)的影響下，聲波在兩發(fā)射器/ 接收器間的頻率和相位會(huì)出現(xiàn)一定程度的差異，通過(guò)檢測(cè) 此差異就可以確定出流體的速度。 采用多普勒效應(yīng)法的超聲波流量計(jì)也有一定的應(yīng)用局 限性，其對(duì)被測(cè)介質(zhì)的要求較高，需要被測(cè)介質(zhì)可以適量 反射超聲波信號(hào)，且其中的雜質(zhì)含量也需要處于相對(duì)穩(wěn)定 的水平。此外，不同廠家生產(chǎn)的流量計(jì)由于儀表性能的差 異，對(duì)被測(cè)介質(zhì)的要求也不同。
1.2 傳播時(shí)間法
傳播時(shí)間法（時(shí)差式）超聲波流量計(jì)主要是依據(jù)超聲 波在流體中順向和逆向傳播的時(shí)間差與流體流速存在正比 例關(guān)系這一原理進(jìn)行測(cè)量。即某一特定速度的聲波由于流 體流動(dòng)而在發(fā)射器和接收器間的傳播時(shí)間出現(xiàn)變化，依據(jù) 此相對(duì)變化量就可以確定出流體的流速。 時(shí)差式超聲波流量計(jì)是目前生產(chǎn)*多、應(yīng)用范圍*廣 泛的，主要用來(lái)測(cè)量潔凈的液體、氣體和雜質(zhì)含量不高的 均質(zhì)流體的流量。在天然氣長(zhǎng)輸管道、自來(lái)水公司和工業(yè) 用水領(lǐng)域，均得到廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)有的工程案例表明，在原 油和成品油交接計(jì)量中選用時(shí)差式超聲波流量計(jì)，大多數(shù) 情況下可以獲得滿意的效果。
2 典型配置
API MPMS 5.8 中給出了液體超聲波流量計(jì)上下游管路 的推薦配置，即上游10D，下游5D。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明， 只有合理的上下游管路配置才可以有效地減少流體擾動(dòng)造 成的影響，確保超聲波流量計(jì)的性能被良好地發(fā)揮出來(lái)。 具體的管路配置如圖1所示，其中的計(jì)量支路主要由超 聲波流量計(jì)本體、直管段（分前/后直管段）、整流器、補(bǔ) 償用溫度和壓力變送器等幾部分構(gòu)成。其中，前直管段分 為兩部分，整流器處于這兩部分直管段之間。
超聲波流量計(jì)典型管路配置
2.1 超聲波流量計(jì)
近年來(lái)，隨著超聲波流量計(jì)測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展，德國(guó)科?。↘ROHNE)的ALTOSONIC系列、美國(guó)Daniel的Model 3804/3814以及CAMERON的Caldon LEFM等多聲道液 體超聲波流量計(jì)開(kāi)始在原油和成品油貿(mào)易計(jì)量中得到廣泛 應(yīng)用。目前，用于液體交接計(jì)量的超聲波流量計(jì)多為三聲 道及以上，且均為時(shí)差式超聲波流量計(jì)。
2.2 前后直管段
參照交接計(jì)量用氣體超聲波流量計(jì)的安裝要求，為盡 可能減小由于管道和流量計(jì)本體內(nèi)徑差異而導(dǎo)致的液體流 型擾動(dòng)，進(jìn)而影響到檢測(cè)結(jié)果，應(yīng)該盡可能的控制流量計(jì) 本體和上游管道的內(nèi)徑偏差不超過(guò)±1%。同時(shí)，直管段應(yīng) 滿足一定的清潔性要求[3]。而依據(jù)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定，節(jié) 流裝置的前/后直管段必須是光管，但在很多實(shí)際工程應(yīng)用 中，往往忽視此問(wèn)題而采用無(wú)縫鋼管代替，這就會(huì)對(duì)計(jì)量 結(jié)果產(chǎn)生一定程度的影響，且此偏差一般難以得到補(bǔ)償和 消除。因此，建議由流量計(jì)廠家配套提供前/后直管段。
2.3 整流盤(pán)/多管束整流器
雖然與其他儀表相比，多聲道超聲波流量計(jì)能夠在一 定程度上容忍更多的流量擾動(dòng)，但在好的流型下，流量計(jì) 會(huì)表現(xiàn)的更加穩(wěn)定、**。整流盤(pán)/多管束整流器可以消除 中等級(jí)別以下的渦流，且得到一個(gè)滿足速度分布要求的流 型，從而使超聲波流量計(jì)檢測(cè)結(jié)果的精度顯著提高。這點(diǎn) 與氣體超聲波流量計(jì)類(lèi)似。
2.4 相關(guān)儀表
下游直管段上開(kāi)孔用于安裝溫度變送器、壓力變送 器。全部的儀器在安裝時(shí)，都應(yīng)該依據(jù)如下原則：儀表測(cè) 量所得的數(shù)值與流量計(jì)本體內(nèi)的數(shù)值應(yīng)保持一致性。壓力 檢測(cè)儀表安裝在流量計(jì)下游距法蘭端面2D～5D之間，以確 保能準(zhǔn)確反應(yīng)被測(cè)介質(zhì)流經(jīng)超聲波流量計(jì)本體時(shí)的壓力和 溫度值。
3 液體超聲波流量計(jì)的在線標(biāo)定
相對(duì)其他傳統(tǒng)的流量計(jì)，由于超聲波流量計(jì)計(jì)量液態(tài) 烴發(fā)展較晚，國(guó)內(nèi)尚未頒布關(guān)于液體超聲波流量計(jì)計(jì)量液 態(tài)烴的專(zhuān)項(xiàng)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，而上也缺少此方面的標(biāo)準(zhǔn)。目 前的設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用主要依據(jù)美國(guó)石油協(xié)會(huì)API給出的關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，諸如API MPMS 4.8和5.8。我國(guó)此方面的標(biāo)準(zhǔn) 亦不完善，只是在2007年發(fā)布了《超聲波流量計(jì)的檢定規(guī) 程》，其此規(guī)程僅屬于一個(gè)通用的標(biāo)準(zhǔn)，缺乏明確規(guī)定， 且側(cè)重于氣體超聲波流量計(jì)的檢定，而關(guān)于液體超聲波流 量計(jì)則沒(méi)有過(guò)多的涉及。
3.1 存在的問(wèn)題及難點(diǎn)
與傳統(tǒng)的容積式流量計(jì)（刮板、雙轉(zhuǎn)子流量計(jì)）以及渦 輪流量計(jì)根據(jù)脈沖當(dāng)量直接計(jì)算不同，超聲波流量計(jì)是通過(guò) 儀表內(nèi)部芯片間接測(cè)量后對(duì)外發(fā)出計(jì)算脈沖，即超聲波流量 計(jì)產(chǎn)生的與流量相關(guān)的脈沖頻率是經(jīng)加工處理后產(chǎn)生的， 經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理后，會(huì)導(dǎo)致輸出的信號(hào)對(duì)流體特性的反 應(yīng)存在一定的滯后，即輸出的脈沖信號(hào)會(huì)有一定延遲[4]。 此外，超聲波流量計(jì)在工作過(guò)程中，其本體內(nèi)部的各 條聲道上都在進(jìn)行著高頻率的時(shí)間差測(cè)量和采集，而在流 體湍流作用影響下，測(cè)量過(guò)程容易受到流體的不穩(wěn)定性的 影響。且很小的流量擾動(dòng)都可能被流量計(jì)檢測(cè)到，從而使 流量計(jì)產(chǎn)生不均勻的脈沖輸出，這種伴隨湍流擾動(dòng)產(chǎn)生的 不均勻脈沖輸出特性是傳統(tǒng)的流量計(jì)所無(wú)法體現(xiàn)出來(lái)的。
3.2 標(biāo)定裝置的選擇
目前，*為常用的流量計(jì)在線標(biāo)定方式有兩種，即球 式體積管（單向球和雙向球體積管）和活塞式體積管標(biāo)定 法。兩種標(biāo)定方式根據(jù)其工作原理及設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)具有 不同的優(yōu)缺點(diǎn)，具體如表1所示。
1）球式體積管
由于超聲波流量計(jì)輸出的脈沖信號(hào)有一定的延遲現(xiàn)象， 只有采用更大的體積管才能達(dá)到理想的檢定效果，單純地 延長(zhǎng)檢定時(shí)間并不會(huì)對(duì)流量計(jì)的重復(fù)性有本質(zhì)上的改善。 GB / T 9109.3 - 2014中引用了2005年第1版 API MPMS 5.8 中 給出的檢定液體超聲波流量計(jì)的體積管的推薦容積值（見(jiàn) 表2），由于球式體積管標(biāo)準(zhǔn)段容積可達(dá)15m3，因此實(shí)際 應(yīng)用時(shí)可以根據(jù)API推薦的容積值對(duì)超聲波流量計(jì)進(jìn)行直 接標(biāo)定。需要說(shuō)明的是，該容積推薦表在2011年第2版APIMPMS 5.8中被刪除[6]，移至2013年第2版API MPMS 4.8中。 目前，常用的進(jìn)口球式體積管主要是Daniel和Smith的產(chǎn) 品，而綜合考慮價(jià)格及供貨周期，國(guó)產(chǎn)開(kāi)封儀表廠的體積管也有大量的應(yīng)用案例。
API MPMS4.8中給出的推薦容積值
2）活塞式體積管
活塞式體積管不能直接用于標(biāo)定液體超聲波流量計(jì)， 主要原因有以下兩點(diǎn)：一是活塞式體積管受生產(chǎn)工藝的 限制，其*大容積（現(xiàn)有的產(chǎn)品中*大的標(biāo)準(zhǔn)容積約為 650L，且此種條件下造價(jià)高昂）仍遠(yuǎn)小于API的容積推薦 值；二是在標(biāo)定過(guò)程中，這種類(lèi)型的體積管的活塞運(yùn)動(dòng)會(huì) 對(duì)流量檢測(cè)造成擾動(dòng)。
但是根據(jù)精度傳遞理論，即在流量計(jì)使用或檢定期 間，若流量檢測(cè)點(diǎn)、介質(zhì)、流量計(jì)使用時(shí)的物理特性和對(duì) 應(yīng)的操作過(guò)程均保持一致，則流量基準(zhǔn)所復(fù)現(xiàn)的流量單位 制將會(huì)同等精度傳遞給工作流量計(jì)。因此，為了解決標(biāo)定 中遇到的體積管所需容積過(guò)大的問(wèn)題，可以通過(guò)應(yīng)用“活 塞式體積管+標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)”的方法來(lái)解決。其對(duì)應(yīng)的檢定流程如下：
（1）先利用活塞式體積管對(duì)做為中間量值傳遞的標(biāo)準(zhǔn) 流量計(jì)進(jìn)行檢定：在選定的流量檢定點(diǎn)逐點(diǎn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì) 進(jìn)行重復(fù)多次檢定（每個(gè)點(diǎn)的測(cè)量次數(shù)應(yīng)≥5次），在對(duì)溫 度、壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償修正后，確定出標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)在不同 測(cè)定點(diǎn)下的重復(fù)性，并確保此重復(fù)性不超過(guò)0.02%。
（2）在同樣的檢定條件下，在一定的時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)表 脈沖數(shù)（根據(jù)API MPMS 4.8的規(guī)定[7]，應(yīng)控制脈沖數(shù)量超過(guò) 10000個(gè)）內(nèi)，同時(shí)記錄標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)和被測(cè)流量計(jì)（液體超 聲波流量計(jì)）的脈沖數(shù)和對(duì)應(yīng)的溫度、壓力等相關(guān)參數(shù)。
（3）依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)檢測(cè)到的脈沖數(shù)、儀表系數(shù)和標(biāo) 定時(shí)的溫度壓力等相關(guān)數(shù)據(jù)，確定出流過(guò)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的流 體體積。
（4）依據(jù)此體積數(shù)據(jù)和超聲波流量計(jì)處的溫度壓力等 相關(guān)參數(shù)，即可確定出超聲波流量計(jì)在各檢測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的平 均儀表系數(shù)和重復(fù)性。 實(shí)際工程應(yīng)用中，常用的活塞式體積管主要為Daniel和 加利布朗的產(chǎn)品。國(guó)產(chǎn)的開(kāi)封儀表廠也有相應(yīng)的型號(hào)，但 主要用于行業(yè)，工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用案例相對(duì)較少。在液體 超聲流量計(jì)的檢定中，“活塞式體積管+標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)”也是 目前主要的檢定方法[8]，且市面上常見(jiàn)的流量計(jì)算機(jī)在控制 程序中也大多支持這種流量計(jì)檢定方式。同時(shí)，此檢定方法 也符合我國(guó)《超聲波流量計(jì)的檢定規(guī)程》中的相關(guān)規(guī)定。 此外，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的選擇，考慮到量程范圍及達(dá) 到需要的脈沖數(shù)所需的時(shí)間等相關(guān)因素要求，目前的主流 做法是采用渦輪流量計(jì)。
4 應(yīng)用實(shí)例
肯尼亞西部成品油管道擴(kuò)建工程?hào)|起肯尼亞首都內(nèi)羅畢，途徑納庫(kù)魯至西部城市埃爾多雷特，全長(zhǎng)326km。共設(shè) 置7座輸油站場(chǎng)，設(shè)計(jì)數(shù)量 788×104 m3/a。首站 PS21位于首 都內(nèi)羅畢，站內(nèi)設(shè)兩路8"液體超聲波流量計(jì)（一用一備）。
1）采用Daniel的Model 3804四聲道液體超聲波流量計(jì)， 精度±0.15%，可重復(fù)性±0.02%，符合成品油交易要 求。并由廠家配套D后5D直管段、整流盤(pán)、相關(guān)儀表 （溫變、壓變）及儀表閥。
2）流量計(jì)進(jìn)口設(shè)電動(dòng)球閥，出口采用具有雙關(guān)斷雙泄 放功能的DBB閥。計(jì)量系統(tǒng)標(biāo)定時(shí)，先關(guān)閉一路超聲波流 量計(jì)，根據(jù)等精度傳遞理論，通過(guò)“活塞式體積管+標(biāo)準(zhǔn) 表”法對(duì)超聲波流量計(jì)進(jìn)行檢定。檢定時(shí)，DBB閥下部的 排污口通過(guò)管線接入專(zhuān)用的泄漏檢測(cè)罐，當(dāng)處于關(guān)閉狀態(tài) 的DDB閥出現(xiàn)泄漏時(shí)，油品會(huì)進(jìn)入泄漏檢測(cè)罐觸發(fā)液位開(kāi) 關(guān)報(bào)警。
3）每臺(tái)流量計(jì)對(duì)應(yīng)一臺(tái)流量計(jì)算機(jī)，安裝于控制室內(nèi) 的計(jì)量機(jī)柜上，采用 FlowBoss S600 流量計(jì)算機(jī)。數(shù)據(jù)接口 為RS485（遵循MODBUS RTU通信協(xié)議）。
4）本工程由于是在已有征地范圍內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)建，受空間 的限制，綜合業(yè)主的使用經(jīng)驗(yàn)，在首站PS21和終端站PS27 均采用了“活塞式體積管+標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)法”的標(biāo)定方式，現(xiàn) 場(chǎng)使用效果良好。
5 結(jié)論
通過(guò)以上論述，液體超聲波流量計(jì)量系統(tǒng)在原油、成 品油管道設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題歸結(jié)如下：
1）交接計(jì)量用的超聲波流量計(jì)應(yīng)為采用傳播時(shí)間法的 多聲道、插入式。
2）流量計(jì)在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該確保其直管段長(zhǎng)度在合理的 范圍內(nèi)，同時(shí)配套整流裝置，且建議直管段和整流裝置均由流量計(jì)廠家配套提供。
3）儀表的安裝位置必須符合相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，以保證 測(cè)量參數(shù)的一致性。
4）儀表的精度應(yīng)在合理范圍內(nèi)，并滿足系統(tǒng)的整體計(jì) 量要求。
5）采用“活塞式體積管+標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)”的標(biāo)定方式 時(shí)，應(yīng)考慮對(duì)體積管缸體的保護(hù)，當(dāng)介質(zhì)潔凈程度不理想 時(shí)，建議在體積管進(jìn)口處增設(shè)過(guò)濾器。 隨著相關(guān)計(jì)量技術(shù)的迅猛發(fā)展以及計(jì)量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范 的日益完善，液體超聲波流量計(jì)的性能和適用范圍不斷提 高，在原油成品油貿(mào)易計(jì)量中的應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越廣泛。超 聲波流量計(jì)所表現(xiàn)出的大量程、零壓損、自診斷功能及相 對(duì)較低的全壽命周期維護(hù)成本等方面的優(yōu)勢(shì)，將為原油、 成品油交接計(jì)量提供更大的便利和支持。