如何在油气及石化行业中选用合适的大口径科里奥利质量流量计

2018年10月24日

　　概述：

　　在过去的十年间，越来越多的过程仪表厂家在进行大口径科里奥利质量流量计的研发，以满足油气和石化行业中对于大流量油品，气体，以及化工介质贸易交接测量的要求。而高精度的质量流量和密度测量，也使得此技术越来越多的被客户所接受。但由于技术难点的存在，在当下市场上，仍只有不多的过程仪表厂家可以生产较大规格的大口径科里奥利质量流量计。

　　与小口径规格不同，市面上不同厂家对大口径质量流量计的设计方式存在较大差异。在图1中，可以看到的是在2016年之前，市面上的两种常见的大口径设计方式。一种设计方式使用的仍是传统的U型管设计，而另外一种则采用的是圆形(UFO型)设计。U型管设计方式采用分流器将其中的两根测量管从过程连接处分隔开。圆形(UFO型)仪表设计采用了两组双管的设计，在每一侧的双管均使用分流器将其从过程连接处分隔开。由于仪表规格较大，这两种设计方式的立体尺寸和重量均大幅度提升。对于客户，撬装厂以及工程公司来讲，这将带来在安装和管线设计方面的巨大挑战。

　　图1：2016年前的常见大口径质量流量计设计方式

　　安装考虑：

　　简单来说，安装此类仪表不外乎两种安装方式，一是水平安装，测量管需朝向向下。二是垂直安装，如旗帜一般，测量管从管线处向外延伸。

　　对于图1中所示的两种设计方式，让我们来想象一下当对U型管仪表在液体应用中进行安装时的情形。在这种情况下，为了确保仪表测量管满管，且不产生气体堆积的情况，仪表测量管必须垂直向下，测量管底部与地面平行。而由于大多数的工艺管线距离地面距离通常不超过1m，通常没有足够的立体空间来安装这样一台U型管仪表，除非是在地面上为其进行专门的开安装孔，但这不仅会造成施工的成本增加，同时，客户为了保证此安装孔洞的清洁，不积水结冰，需要有更多的顾虑。

　　而当两根平行管线距离较近时，无论是圆形(UFO型)还是U型的设计都会为安装带来巨大挑战，因为两根平行管线间不会有足够的安装空间。在这种情况下，通常客户不得不进行额外的管线布置来安装仪表。对于U型管仪表，如果像旗帜一样安装，会造成安装空间的大幅增加，并使得现场的管线结构极为复杂。同时，此类安装时仪表自身重量被加在仪表过程连接处，会对测量管造成较大机械应力和噪音，从而产生可能的不准确测量。

　　贸易交接：

　　贸易交接应用所使用的流量计需要在现场进行不定期的验证和标定。此类现场验证多数情况下是由小型体积管来完成的。一个小型体积管会推动已知的‘小型’体积通过仪表，并记录仪表的累积量。任意一个丢失的脉冲都会造成额外的不确定度和重复性的偏差。所以，对于标定和验证结果，优异的零点稳定性是最重要的关键。零点稳定性代表了一台质量流量计在充满静态的液体情况下的稳定性能。噪音以及机械应力都会对零点稳定性造成较大影响，从而导致较差的现场验证和标定结果。

　　市场需求：

　　基于市场调研的结果，多数客户均表示其希望所使用的仪表是安装空间较小，且易于进行安装和拆卸的。仪表的安装如果可以与其他管线非常接近，或者不需要进行任何管线上的变动，可以使客户大大优化其对安装平台和装置的空间和管线优化，从而降低成本以及风险。

　　此种设计应该能够通过最简单的方式被安装于任何工艺场合，无论是垂直的还是水平安装方式，抑或任何其他角度的安装，都不会对零点稳定性或精度产生任何影响，同样也不会对测量元件产生噪音和机械应力的影响。

　　其他的要求包括：针对不同应用环境的适用性(例如防爆认证);可溯源的贸易交接级标定;二级压力保护腔体;可通过小型体积管进行现场的贸易交接验证，以及多种通讯方式的选项等。

　　KROHNE解决方案：

　　KROHNE在近期发布了OPTIMASS产品家族的最新成员。该产品是世界上唯一的四直管设计方式的科里奥利质量流量计，具备最小的安装空间。该仪表是世界上最大流通量的质量流量计，其流量上限可达4600t/h。

　　图2：四直管大口径质量流量计

　　在图2及图6中可以看到，其独特的直管型设计方式使得仪表可以被轻易的安装于任何方式的管线中。同时由于其带有二级压力保护腔体的设计，耐压可达到180barg。而由于科里奥利质量流量计的测量原理，其不需要上下游直管段。这使得该仪表即便是被安装在极其紧凑的空间中，仍可实现高精度和可靠的测量。同时，也为客户显著降低了安装以及运输的成本。

　　液体介质通过大口径弯管质量流量计，尤其是被垂直如旗帜一样安装方式的情况下，会产生巨大的压损，从而造成泵和能源的损耗。KROHNE所提供的四直管科里奥利质量流量计使用优化的分流器结构(如图3)降低了泵和能源的损耗。

　　图3：四直管分流器设计

　　免疫安装影响：

　　如在前文中所述，对于大流量贸易交接测量的质量流量计，零点稳定性是非常重要的参数。KROHNE通过专利的节点盘技术将测量系统和过程工艺管道隔离，节点盘技术会衰减并隔绝来自于过程管线的噪音和振动。而由于管线安装扭矩所带来的应力，则一方面通过刚性的二级压力保护腔体衰减，一方面通过KROHNE专利的一体化刚性补偿技术进行补偿，从而保护仪表精度性能不受影响。

　　在图4中所示的‘节点盘技术’被KROHNE首个用在双管技术中，并将其进一步延伸至四直管质量流量计的设计方式中。节点盘所带来的效果如此明显，使得仪表可以被直接支撑于表体上。

　　图4：专利的节点盘技术

　　溯源标定：

　　对于此类最大规格的质量流量计进行溯源标定，需要非常大的标定装置。KROHNE在英国Wellingborough的生产厂，已经投建了世界上最大的质量流量标定装置来迎接这个挑战。

　　为了将质量流量计标定至±0.05%的溯源标定精度，所使用的标定装置不确定度需要3倍精确于此精度。KROHNE所投建的质量流量标定装置已被UKAS(英国皇家认可委员会)进行形式认定，其装置扩展不确定度达到0.017%。据此，KROHNE的最新标定装置可以对OPTIMASS2400-S400 16”科里奥利质量流量计进行高达2000t/h的0.05%精度溯源标定。如图5中所示，该标定装置是世界上最大的单体质量流量标定装置。