超聲波流量計目前多應(yīng)用于天然氣長輸管道工程中，但在成品油長輸管道貿(mào)易交接計量中，國內(nèi)實(shí)際應(yīng)用 相對較少。本文基于超聲波流量計的基本原理并結(jié)合肯尼亞西部成品油管道工程，對超聲波流量計在成品油管道中 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)計工作提供參考。

0.引言

原油及成品油長輸管道在國家經(jīng)濟(jì)中的地位舉足輕 重，計量系統(tǒng)作為長輸管道經(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 和體積量兩種方式，各有一定的適用范圍。目前，國內(nèi)以 油品在空氣中的重量作為貿(mào)易結(jié)算依據(jù)，而國際上通常則 是采用體積量進(jìn)行交接。因此，隨著與國際接軌，近年來 國內(nèi)成品油交接計量巳經(jīng)開始有從“質(zhì)量”和“體積”并 存，逐漸向“體積”量交接過渡的趨勢。

渦輪流量計、質(zhì)量流量計以及傳統(tǒng)的容積式流量計是 目前國內(nèi)原油、成品油管道常用的流量計形式。液體超聲 波流量計用于原油、成品油的計量還處于起步推廣階段， 國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)尚不健全，同時實(shí)際應(yīng)用也相對較少。隨著 計量方式的轉(zhuǎn)變，參考國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，超聲波流量計用于原油、成品油交接計量具有廣闊的前景。

1.超聲波流量計基本原理

超聲流量計作為新型的高精度的流量測量儀表，具有 測量范圍寬、精確度高、無可動部件、無壓損、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)末期開始 在天然氣計量領(lǐng)域中被廣泛采用，并逐漸在越來越多的工 程應(yīng)用中取代傳統(tǒng)的渦輪和孔板流量計。超聲波流量測量 法有多種，依據(jù)信號檢測原理的不同可以劃分為：多普勒 效應(yīng)法、傳播時間法（時差法）、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)法和傳播時間法是目 前超聲波流量計通常采用的方式，以下是對這兩種方法的 論述.

1.1多普勒效應(yīng)法

多普勒型超聲流量計對介質(zhì)流速的檢測主要是利用相 位差法，其測量原理為：當(dāng)某一已知頻率的聲波在運(yùn)動流 體中傳播時，在流體自身運(yùn)動的影響下，聲波在兩發(fā)射器/ 接收器間的頻率和相位會出現(xiàn)一定程度的差異，通過檢測 此差異就可以確定出流體的速度。

采用多普勒效應(yīng)法的超聲波流量計也有一定的應(yīng)用局 限性，其對被測介質(zhì)的要求較高，需要被測介質(zhì)可以適量 反射超聲波信號，且其中的雜質(zhì)含量也需要處于相對穩(wěn)定 的水平。此外，不同廠家生產(chǎn)的流量計由于儀表性能的差 異，對被測介質(zhì)的要求也不同。

1.2傳播時間法

傳播時間法（時差式）超聲波流量計主要是依據(jù)超聲 波在流體中順向和逆向傳播的時間差與流體流速存在正比 例關(guān)系這一原理進(jìn)行測量。即某一特定速度的聲波由于流 體流動而在發(fā)射器和接收器間的傳播時間出現(xiàn)變化，依據(jù) 此相對變化量就可以確定出流體的流速。

時差式超聲波流量計是目前生產(chǎn)最多、應(yīng)用范圍最廣 泛的，主要用來測量潔凈的液體、氣體和雜質(zhì)含量不高的 均質(zhì)流體的流量。在天然氣長輸管道、自來水公司和工業(yè) 用水領(lǐng)域，均得到廣泛應(yīng)用。現(xiàn)有的工程案例表明，在原 油和成品油交接計量中選用時差式超聲波流量計，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造 成的影響，確保超聲波流量計的性能被良好地發(fā)揮出來。

具體的管路配置如圖1所示，其中的計量支路主要由超 聲波流量計本體、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。

2.1超聲波流量計

近年來，隨著超聲波流量計測量技術(shù)的不斷發(fā)展， 德國（KROHNE)的ALTOSONIC系列、美國Daniel的 Model 3804/3814以及CAMERON的Caldon LEFM等多聲道液

體超聲波流量計開始在原油和成品油貿(mào)易計量中得到廣泛 應(yīng)用。目前，用于液體交接計量的超聲波流量計多為三聲 道及以上，且均為時差式超聲波流量計。

2.2前后直管段

參照交接計量用氣體超聲波流量計的安裝要求，為盡 可能減小由于管道和流量計本體內(nèi)徑差異而導(dǎo)致的液體流 型擾動，進(jìn)而影響到檢測結(jié)果，應(yīng)該盡可能的控制流量計 本體和上游管道的內(nèi)徑偏差不超過±1%。同時，直管段應(yīng) 滿足一定的清潔性要求。而依據(jù)計量標(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，往往忽視此問題而采用無縫鋼管代替，這就會對計量 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，建議由流量計廠家配套提供前/后直管段。

2.3整流盤/多管束整流器

雖然與其他儀表相比，多聲道超聲波流量計能夠在一 定程度上容忍更多的流量擾動，但在好的流型下，流量計 會表現(xiàn)的更加穩(wěn)定、精確。整流盤/多管束整流器可以消除 中等級別以下的渦流，且得到一個滿足速度分布要求的流 型，從而使超聲波流量計檢測結(jié)果的精度顯著提高。這點(diǎn) 與氣體超聲波流量計類似。

2.4相關(guān)儀表

下游直管段上開孔用于安裝溫度變送器、壓力變送 器。全部的儀器在安裝時，都應(yīng)該依據(jù)如下原則：儀表測 量所得的數(shù)值與流量計本體內(nèi)的數(shù)值應(yīng)保持一致性。壓力 檢測儀表安裝在流量計下游距法蘭端面2D~5D之間，以確 保能準(zhǔn)確反應(yīng)被測介質(zhì)流經(jīng)超聲波流量計本體時的壓力和 溫度值。

3.液體超聲波流量計的在線標(biāo)定

相對其他傳統(tǒng)的流量計，由于超聲波流量計計量液態(tài) 烴發(fā)展較晚，國內(nèi)尚未頒布關(guān)于液體超聲波流量計計量液 態(tài)烴的專項(xiàng)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，而國際上也缺少此方面的標(biāo)準(zhǔn)。目 前的設(shè)計和工程應(yīng)用主要依據(jù)美國石油協(xié)會API給出的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，諸如API MPMS 4.8和5.8。我國此方面的標(biāo)準(zhǔn)亦不完善，只是在2007年發(fā)布了《超聲波流量計的檢定規(guī) 程》，其此規(guī)程僅屬于一個通用的標(biāo)準(zhǔn)，缺乏明確規(guī)定， 且側(cè)重于氣體超聲波流量計的檢定，而關(guān)于液體超聲波流 量計則沒有過多的涉及。

3.1存在的問題及難點(diǎn)

與傳統(tǒng)的容積式流量計（刮板、雙轉(zhuǎn)子流量計）以及渦 輪流量計根據(jù)脈沖當(dāng)量直接計算不同，超聲波流量計是通過 儀表內(nèi)部芯片間接測量后對外發(fā)出計算脈沖，即超聲波流量 計產(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)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理后，會導(dǎo)致輸出的信號對流體特性的反 應(yīng)存在一定的滯后，即輸出的脈沖信號會有一定延遲。

此外，超聲波流量計在工作過程中，其本體內(nèi)部的各 條聲道上都在進(jìn)行著高頻率的時間差測量和采集，而在流 體湍流作用影響下，測量過程容易受到流體的不穩(wěn)定性的 影響。且很小的流量擾動都可能被流量計檢測到，從而使 流量計產(chǎn)生不均勻的脈沖輸出，這種伴隨湍流擾動產(chǎn)生的 不均勻脈沖輸出特性是傳統(tǒng)的流量計所無法體現(xiàn)出來的。

3.2標(biāo)定裝置的選擇

目前，最為常用的流量計在線標(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

由于超聲波流量計輸出的脈沖信號有一定的延遲現(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 延長檢定時間并不會對流量計的重復(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的體積管的推薦容積值（見 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)用時可以根據(jù)API推薦的容積值對超聲波流量計進(jìn)行直 接標(biāo)定。需要說明的是，該容積推薦表在2011年第2版API

MPMS 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，而綜合考慮價格及供貨周期，國產(chǎn)開封儀表廠的體積 管也有大量的應(yīng)用案例。

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， 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，其最大容積（現(xiàn)有的產(chǎn)品中最大的標(biāo)準(zhǔn)容積約為 650L，且此種條件下造價高昂）仍遠(yuǎn)小于API的容積推薦 值；二是在標(biāo)定過程中，這種類型的體積管的活塞運(yùn)動會 對流量檢測造成擾動。

但是根據(jù)精度傳遞理論，即在流量計使用或檢定期 間，若流量檢測點(diǎn)、介質(zhì)、流量計使用時的物理特性和對 應(yīng)的操作過程均保持一致，則流量基準(zhǔn)所復(fù)現(xiàn)的流量單位 制將會同等精度傳遞給工作流量計。因此，為了解決標(biāo)定 中遇到的體積管所需容積過大的問題，可以通過應(yīng)用“活 塞式體積管+標(biāo)準(zhǔn)流量計”的方法來解決。其對應(yīng)的檢定流程如下：

（1）先利用活塞式體積管對做為中間量值傳遞的標(biāo)準(zhǔn) 流量計進(jìn)行檢定：在選定的流量檢定點(diǎn)逐點(diǎn)對標(biāo)準(zhǔn)流量計 進(jìn)行重復(fù)多次檢定（每個點(diǎn)的測量次數(shù)應(yīng)多5次），在對溫 度、壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償修正后，確定出標(biāo)準(zhǔn)流量計在不同 測定點(diǎn)下的重復(fù)性，并確保此重復(fù)性不超過0.02%。

（2）在同樣的檢定條件下，在一定的時間和標(biāo)準(zhǔn)表 脈沖數(shù)（根據(jù)API MPMS 4.8的規(guī)定，應(yīng)控制脈沖數(shù)量超過 10000個）內(nèi)，同時記錄標(biāo)準(zhǔn)流量計和被測流量計（液體超 聲波流量計）的脈沖數(shù)和對應(yīng)的溫度、壓力等相關(guān)參數(shù)。

（3）依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)流量計檢測到的脈沖數(shù)、儀表系數(shù)和標(biāo) 定時的溫度壓力等相關(guān)數(shù)據(jù)，確定出流過標(biāo)準(zhǔn)流量計的流 體體積。

（4）依據(jù)此體積數(shù)據(jù)和超聲波流量計處的溫度壓力等 相關(guān)參數(shù)，即可確定出超聲波流量計在各檢測點(diǎn)對應(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。國產(chǎn)的開封儀表廠也有相應(yīng)的型號，但 主要用于軍工行業(yè)，工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用案例相對較少。在液體 超聲流量計的檢定中，“活塞式體積管+標(biāo)準(zhǔn)流量計”也是 目前主要的檢定方法，且市面上常見的流量計算機(jī)在控制 程序中也大多支持這種流量計檢定方式。同時，此檢定方法 也符合我國《超聲波流量計的檢定規(guī)程》中的相關(guān)規(guī)定。

此外，對于標(biāo)準(zhǔn)流量計的選擇，考慮到量程范圍及達(dá) 到需要的脈沖數(shù)所需的時間等相關(guān)因素要求，目前的主流 做法是采用渦輪流量計。

4.應(yīng)用實(shí)例

肯尼亞西部成品油管道擴(kuò)建工程東起肯尼亞首都內(nèi)羅 畢，途徑納庫魯至西部城市埃爾多雷特，全長326km。共設(shè) 置7座輸油站場，設(shè)計數(shù)量788X 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（一用一備）。

采用Daniel的Model 3804四聲道液體超聲波流量計， 精度±0.15%，可重復(fù)性±0.02%，符合國際成品油交易要 求。并由廠家配套前10D后5D直管段、整流盤、相關(guān)儀表(溫變、壓變）及儀表閥。

流量計進(jìn)口設(shè)電動球閥，出口采用具有雙關(guān)斷雙泄 放功能的DBB閥。計量系統(tǒng)標(biāo)定時，先關(guān)閉一路超聲波流 量計，根據(jù)等精度傳遞理論，通過“活塞式體積管+標(biāo)準(zhǔn) 表”法對超聲波流量計進(jìn)行檢定。檢定時，DBB閥下部的 排污口通過管線接人專用的泄漏檢測罐，當(dāng)處于關(guān)閉狀態(tài) 的DDB閥出現(xiàn)泄漏時，油品會進(jìn)人泄漏檢測罐觸發(fā)液位開 關(guān)報警。

每臺流量計對應(yīng)一臺流量計算機(jī)，安裝于控制室內(nèi) 的計量機(jī)柜上，采用FlowBoss S600流量計算機(jī)。數(shù)據(jù)接口 為RS485 (遵循MODBUS RTU通信協(xié)議）。

本工程由于是在巳有征地范圍內(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)流量計法”的標(biāo)定方式，現(xiàn) 場使用效果良好。

5.結(jié)論

通過以上論述，液體超聲波流量計量系統(tǒng)在原油、成 品油管道設(shè)計中應(yīng)注意的問題歸結(jié)如下：

1）交接計量用的超聲波流量計應(yīng)為采用傳播時間法的 多聲道、插人式。

2）流量計在設(shè)計時，應(yīng)該確保其直管段長度在合理的 范圍內(nèi)，同時配套整流裝置，且建議直管段和整流裝置均由流量計廠家配套提供。

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 量要求。

5）采用“活塞式體積管+標(biāo)準(zhǔn)流量計”的標(biāo)定方式 時，應(yīng)考慮對體積管缸體的保護(hù)，當(dāng)介質(zhì)潔凈程度不理想 時，建議在體積管進(jìn)口處增設(shè)過濾器。

隨著相關(guān)計量技術(shù)的迅猛發(fā)展以及計量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范 的日益完善，液體超聲波流量計的性能和適用范圍不斷提 高，在原油成品油貿(mào)易計量中的應(yīng)用也會越來越廣泛。超 聲波流量計所表現(xiàn)出的大量程、零壓損、自診斷功能及相 對較低的全壽命周期維護(hù)成本等方面的優(yōu)勢，將為原油、 成品油交接計量提供更大的便利和支持。