选购国产与国外质量流量计在成品油管道中对比

  科里奥利质量流量计（Coriolis Mass Flowmeter，以下简称质量流量计）可以直接测量流体质量，鉴于其精度高、应用性广等优点，已经在工业领域中获得了广泛应用[1-5]。欧美和日本对于质量流量计的研究处于地位，出现了一批质量流量计研发和生产企业，占据着全球绝大部分市场份额。中国质量流量计的研究起步较晚，技术相对落后，产品需求长期依赖于进口。近年来，中国加快了科氏质量流量计的研究和应用，合肥工业大学、北京航天航空大学等高校对质量流量计的相关理论进行了较为深入的研究，开发了多种不同结构形式的质量流量计[6-9]；西安东风机电有限公司和太原太航电子科技有限公司等是国内较早开发质量流量计的厂家，进行了多年的应用研究[10-12]。

  目前，成品油管道贸易交接计量使用的质量流量计多数为国外产品，其中美国爱默生公司和德国E+H公司的产品应用***广泛[13-16]。鉴于国外产品价格昂贵、供货周期较长、售后服务不及时等问题，中国石油开展了大规模的管道设备国产化工作，取得了一定成果[17-19]，为质量流量计的国产化工作奠定了良好基础。

  质量流量计是利用流体在直线运动的同时处于一个旋转系中，产生与质量流量成正比的科里奥利力原理制成的直接式质量流量仪表。以U形管质量流量计为例，在外力驱动下，U形测量管绕中心轴按其自然频率振动。当流体以匀速流过U形管时，根据质点动力学原理，U形管向上运动时，入口一侧产生向上的科氏加速度，相应的科氏力向下作用在管壁上；出口一侧产生向下的科氏加速度，相应的科氏力向上作用在管壁上，入口一侧与出口一侧科氏力大小相等，方向相反。因此，直接或间接测量旋转管道中流动的流体产生的科氏力即可以测得质量流量（图1）。

图1　质量流量计工作原理图 

质量流量计包括一次仪表和二次仪表。一次仪表包括激振器、传感器（速度传感器和温度传感器Pt100）、测量管（包括平衡管）。测量管有U形、Ω形、B形、直管形及微弯形等[20]，其中U形管较为常见。二次仪表即变送器，包括驱动模块、信号处理模块及人机接口模块等，主要任务是驱动测量管稳幅振荡，采集传感器信号并进行处理，测量结果的传输与显示。

质量流量计具有以下优点：可以直接测量流体的质量流量，测量度高；可测量流体范围广泛，包括高黏度的各种液体、含有固形物的浆液、含有微量气体的液体、有足够密度的中高压气体；流量管的振动幅度小，可视作非活动件，流量管内无阻碍件和活动件，故障因素少，便于清洗、维护及保养；对流速分布不敏感，因而无上下游直管段要求；测量值对流体黏度不敏感，流体密度变化对测量值的影响很小；可完成多参数测量，测量质量流量的同时可以获取流体的体积流量、温度及密度等。

主要参考API MPMS 5.6-2002 《液态烃用科里奥利仪的测量》和JJG 1038-2008《科里奥利质量流量计检定规程》等标准，制定了质量流量计的技术要求（表1）。

表1　国产化质量流量计主要技术要求 导出到EXCEL

国产化质量流量计（图2）在设计和制造方面采用了独特的专有技术，保障了产品的稳定性和可靠性。

图2　国产化质量流量计传感器和变送器实物图

质量流量计的关键技术在于测量振动的频率和两路信号的相位差或时间差，国产化质量流量计采用全数字解算技术，对短时间的数字信号进行处理，以得到确定流体质量流量和密度所需要的瞬时相位差及瞬时频率，***大限度地抑制噪声，提取信号携带的有用信息，保证微弱信号的测量准确性，极大程度地扩大信号的测量范围。

国产化质量流量计在弯管设备的制造要求、模轮结构、防皱设计、内外部划伤防护等方面形成了特有方法，保障了传感器的稳定性。

参考JJG 1038-2008《科里奥利质量流量计检定规程》等标准，结合成品油管道现场实际情况，制定了质量流量计工厂试验大纲。按照试验大纲，委托流量计制造厂家（图3、表2）和西北计量测试中心对质量流量计进行了出厂性能测试。西北计量测试中心的测试结果为：质量流量误差小于0.1%，重复性小于0.05%，产品主要性能指标达到国际先进水平。

图3　质量流量计厂家试验测试装置示意图

表2　国产化质量流量计出厂测试主要结果 导出到EXCEL

现场试验采用国产化质量流量计与进口质量流量计串联运行，能够满足交接计量精度需要，也便于验证国产化质量流量计的运行稳定性。一台国产化质量流量计成橇安装在现有分输站流量计橇座的标定进、出口管道接口上，与运行的进口艾默生流量计橇座进行串联比对。

2016年，石油天然气大流量计量站对流量计进行了体积法标定，测试结果表明流量计误差为0.04%，重复性为0.03%，运行一年后，进行复检，测试结果表明流量计误差为0.13%，重复性为0.035%（表３）。

表3　石油天然气大流量计量站对流量计的首次检定与复检结果 导出到EXCEL

通过12个批次油品的国产化流量计与进口流量计偏差对比，两者偏差小于0.2%（表4）。

表4　国产化流量计与进口流量计偏差对比 导出到EXCEL

选取3个典型油品输送批次，在此期间国产化流量计与进口流量计累计量偏差分别为0.13%、0.10%和0.19%，将3个批次油品输送过程中的瞬时流量数据进行对比（图4）可见：国产化流量计与进口流量计瞬时流量趋势一致，数据非常接近。

图4　3个典型批次油品输送瞬时流量数据对比情况

（1）联合国内质量流量计生产厂家，成功研制了一套质量流量计样机，采用具有自主知识产权的全数字解算技术和稳定的传感器制造技术，满足现场电磁干扰、射频干扰、工频干扰等技术要求，经第三方测试平台测试，质量流量误差为0.10%，重复性为0.05%。

（2）在成品油管道进行现场试验，采用串联方式与进口质量流量计进行对比，期间由石油天然气大流量计量站两次进行检定，均合格，经过一年的比对试验，国产化质量流量计运行稳定，与进口流量计相比偏差小于0.2%，满足相关标准要求。

创新点名称1：成品油质量流量计的研制

创新点内容1：针对成品油管道特点，研制成功质量流量计样机一套，采用具有自主知识产权的全数字解算技术和稳定的传感器制造技术，经过第三方测试，质量流量误差0.1%，重复性0.05%，达到国际先进水平。