超聲波流量計用于原油大流量貿易計量的方案
摘要: 超聲波流量計現階段多應用于天然氣貿易計量上, 對于原油貿易計量國內還沒有相關標準。本文對超聲波流量計用于海上平臺原油大流量外輸貿易計量做了方案的論證:針對海上平臺空間有限的特點, 對比了標準容積法、基準流量計法、標準體積管法等常用方案, 采用標準體積管與基準流量計共同檢定的方案, 保證了計量精度, 減小了流量計的尺寸和重量, 降低了維護、運營成本, 降低了能耗, 滿足國內原油貿易計量的要求。
圖 1 超聲波流量計(UFM)時間差法
按照流動方向 (順流 )傳播的聲波脈沖通過管道的時間為 :
| t = | L | ||
| – | |||
| A>B | |||
| c+Vcosθ | |||
按照流動的反方向 (逆流 )傳播的聲波脈沖通過管道的時間為 :
| t = | L | |
| – | ||
| B>A | c-Vcosθ | |
式中 :L———聲通路長度 ;c———液體中的聲速 ;
| – | |||||
| θ———聲通路與管道軸線所成的角度 ;V———管道 | |||||
| 中的平均軸向速度。 | |||||
| 因此平均速度由下式來確定 : | |||||
| – | L | B>A | A>B | ||
| t -t | |||||
| V= | × | ||||
| 2 | A>B | B>A | |||
| cosθ t | ×t | ||||
| 根據換能器供電方式不同 ,可以分為外貼式、插 | |||||
入式、管段式三種超聲波流量計。管段式超聲波流量計把換能器和測量管組成一體 , 測量精度也比其它超聲波流量計要高。本方案采取了管段式超聲波流量計作為原油外輸計量表 ,在保證精度的同時 ,保留了安裝簡單、使用方便的特點。
3、超聲波流量計的優勢：
液體超聲波技術作為一個較成熟的技術 , 相對于現在常用于原油外輸計量的容積式流量計 , 有著以下幾個方面的優勢 :液體超聲波流量計相對于容積式流量計 , 由于其流通能力大、量程比寬 , 在同等流量工況條件下 , 超聲波流量計的尺寸和重量會小很多 , 對海上平臺的整體布置非常有利。
由于超聲波流量計內部沒有可動部件 ,使用過程中基本無需維護 , 維護成本極低 , 整體運營成本低。而容積式流量計的維修周期一般是三年一大修 ,更換內部軸承和轉子 ,費用和新買一臺差不多。
超聲波流量計不用插入被測流場 , 沒有壓力損失 ,其本身耗能又很小 ,特別是對大流量的計量 ,節能效益更為顯著 ,大大降低了泵的運營成本 ,符合節能環保的要求。
4、計量系統方案：
4.1、超聲波流量計的檢定：
所有用于貿易計量的流量計 , 儀表系數必須在穩定的操作條件下完成檢定 ,檢定條件盡可能與實際條件相一致 ,所以在線檢定通常為實惠 ,因為它顯示了真實工作狀況下的精度。現在已經出臺了超聲波流量計實驗室檢定的相關標準[ 5] ,但對液體超聲波流量計的在線檢定還處于研究階段。
超聲波流量計和其它流量計的檢定是不同的 ,這與它自身的工作原理有關。在實際管道中 ,紊流區情況復雜,并且包含了大量的紊流渦旋和非軸向速度分量。從超聲波的特點來看 ,其獲取的是一個或多個聲道的流速瞬時映像 ,因此不僅可以 “觀測 ”到總的軸向速度 ,而且也可以 “觀測 ”到所有的分流現象,包括管道中因流體動力阻力以及流體混合而產生的紊流渦旋。軸向部分和非軸向部分在內的流場進行了實時合并 ,從而產生了性能不太良好的輸出結果以及固有的、更多的分散情況 ,形成了更大程度上的數據散布。但是 ,由于這種分散情況是隨機的,因此它將均勻分布在流量計校正系數的平均值周圍。比如 5次運轉有 1次的范圍超出了 0.05%,這并不意味著超聲波流量計有故障 ,也不意味著此流量計校正系數無法通過必需的不確定因素進行確定。
利用常規方法能夠驗證超聲波流量計的性能 , 并且符合 APIMPMS標準第 4.8章中的規定。實現這種重復性水平所采取的***保守的方法就是確定一個合格的校準儀容積。表 1中的數據來自于超聲波流量計的實際數據 , 并且該表給出了典型的必需的校準儀容積 ,該容積作為管道尺寸的函數是用來在95%的置信水平上獲得 ±0.027%的流量計校正系數不確定性的[ 1] 。
由于海上平臺空間有限 ,一般采用小容量的標準體積管進行流量計檢定 ,對于超聲波流量計 ,無論10桶 ,還是 521 桶容積的體積管 , 其管道長度將會達到幾十米甚至幾百米的長度 , 顯然是不合理的。在 APIMPMSChapter4.8中提到 ,由于時間、空間、費用等原因不能直接檢定時 ,可采用主表法進行檢定。所謂主表法 ,是指在線采用一臺基準流量計與之進行比較 ,如圖 2 所示。它要求基準流量計應有良好的復現性能 ,且其準確度等級不得低于被檢驗流量計的準確度等級 [ 5] 。但是 , 基準流量計同時也面臨著檢定問題 ,因為實驗室條件下的檢定不能反映實際操作條件 ,只有在線檢定才能顯示在真實工題 ,因為實驗室條件下的檢定不能反映實際操作條件 ,只有在線檢定才能顯示在真實工作狀況下的精度。可以看出 ,常用的標準容積法、標準體積管法、主表法均無法單獨用于海上平臺的超聲波流量計檢定。
| 表 1 | 流量計校正系數不確定性的校準儀容積值 | |||||
| 校準儀容積對流量計尺寸 | ||||||
| 5次操作 | 8次操作 | 10次操作 | ||||
| 流量計尺寸/英寸 | 0.05% | 0.09% | 0.12% | |||
| 校準儀容積 /桶 | ||||||
| 4 | 33 | 15 | 10 | |||
| 6 | 73 | 34 | 22 | |||
| 8 | 130 | 60 | 40 | |||
| 10 | 203 | 94 | 62 | |||
| 12 | 293 | 135 | 89 | |||
| 14 | 399 | 184 | 121 | |||
| 16 | 521 | 241 | 158 | |||
圖 2 典型主表法
注 :①, ②, ③———雙截止泄放閥;④, ⑤———開關閥
4.2、超聲波流量計原油外輸計量方案設計：
綜上所述 ,在以往計量方案的基礎上 ,嘗試采取標準體積管與基準流量計一同使用的方法。
以旅大 32-2海上平臺為例 ,原油外輸計量系統設計方案如圖 3所示。
(1)采用兩臺外夾式 6"超聲波流量計和一臺8"渦輪流量計 , 精度皆為 0.15%, 可重復性為0.02%,符合國際原油交易要求 ,其中渦輪流量計作為備用外輸流量計 ,并作為主表對超聲波流量計進行檢定[ 6] 。
(2)超聲波流量計采用四聲道 (八個換能器 ), 水平安裝 , 其前直管段為 10D,加整流器 ,后直管段為 5D,保證流體流動方向與流量計標志的流體正方向一致[ 5] 。
(3)各計量管路配套安裝溫度和壓力檢測變送器。溫度變送器精度為 ±(0.1 ℃ +0.02% Span),安裝位置在流量計下游 4D處 ;壓力變送器采用0.075級壓力變送器 , 直接從流量計表體上的取壓孔取壓[ 5] 。溫度、壓力信號對應接入各自的流量計算機。
(4)每條計量管路設置專用的流量計算機并安放在中控室 ,原油流量信號經流量計接入中控流量計算機 ,數據接口為 RS-485標準 Modbus協議。
(5)渦輪流量計前加過濾器和消氣裝置 , 防止因為摻雜氣體、蒸汽導致精度降低 ,超聲波流量計前只加消氣裝置即可。
(6)檢定過程為 :先關閉兩路超聲波流量計 ,通過標準體積管對渦輪流量計進行檢定 ;檢定結束后 , 再打開一路超聲波流量計 , 通過主表法對超聲波流量計檢定。
5、計量系統整體評價：
系統設計的單計量管路流速為較低 100 m3 /h,***高 700 m3 /h,在標準體積管的可重復性為 0.02%, 原油密度計精度為 0.15 kg/m3 的情況下 ,根據相關標準[ 7 ～ 10] ,計算得到整體撬座計量的不確定度如下 :較低流速 100 m3 /h時 ,系統質量計量的不確定度為 0.317%;***高流速 700 m3 /h時 ,系統質量計量的不確定度為 0.25%。
均在國內對原油貿易計量交接計量系統要求的±0.35%以內 ,完全滿足國內原油貿易交接計量系統的要求[ 11] ,同時也可以看出 ,流速越大 ,計量精度越高 ,如果應用在更大尺寸、更大流量的外輸管道中 ,將會取得更好的測量精度 ,非常適合大流量原油貿易計量。
6、總結：
超聲波流量計用于原油外輸貿易計量 ,減小了流量計的尺寸和重量 ,降低了維護、運營成本 , 降低了能耗 ,從理論上看 ,原油外輸計量的精度也已經完全滿足國內原油貿易計量的要求 ,而且流速越大 ,計量精度越高 ,非常適合大流量原油貿易計量。
同時也要看到 , 實際應用中的不可控制干擾因素很多 ,超聲波流量計的穩定性、流速的波動性、外部噪音、震動等等 ,都可能引起外輸精度不確定度的增大 ,所以超聲波流量計應用于原油外輸計量還需要進一步的試驗。
我國已經在大慶油田采油二廠聯合計量站進行了超聲波流量計和容積式流量計的串聯對比測試 , 同時從 2008年開始對超聲波流量計規程進行了宣貫 ,國際上肯尼亞與印度部分地區也已經開始用超聲波流量計替換原有的容積式流量計。相信隨著技術的發展 ,超聲波流量計將會取得更大范圍的應用。