液體超聲流量計用于原油貿易交接計量跟蹤方法
摘要：通過對用于海上FPSO原油外輸貿易交接計量系統的液超聲流量計進行跟蹤研究, 分析液超聲流量計用于原油貿易交接計量的性能和影響因素, 為進一步改進液超聲流量計原油外輸貿易交接計量系統的設計、安裝及操作維護提供依據。
0、引言：
近年來, 隨著液體超聲波流量計 (簡稱液超聲流量計) 技術的不斷進步, 國外流量計廠家生產的多聲道液超聲流量計已成功應用于國內外的原油和成品油貿易交接計量中[1]。國際上采用液超聲流量計進行原油貿易交接計量已是一種趨勢, 而目前國內可參考的標準、規范還不健全, 相關的研究工作還不夠深入。國內某海上油田FPSO (浮式生產儲油裝置) 原油外輸計量系統是國內自主設計, 并采用大口徑液超聲流量計的海上原油貿易交接計量系統。通過對該計量系統進行深入地跟蹤研究, 分析液超聲流量計用于原油貿易交接計量的計量性能, 檢定方法和影響因素, 為進一步改進液超聲流量計原油外輸貿易交接計量系統的設計、安裝及操作維護提供依據。另外, 該計量系統跟蹤研究中獲得的現場實際計量和檢定數據也可供國內相關計量檢定機構做進一步的分析與研究, 以推進國內液超聲流量計相關標準、規范的制定和修改, 促進液超聲流量計在國內原油貿易交接計量中的應用。
1、計量系統配置與檢定方法：
FPSO上原油外輸貿易交接計量系統設計參數為:
(1) 外輸速率:5400m3/h
(2) 原油密度:826.6 kg/m3~920.5 kg/m3@20℃
(3) 原油粘度:5.2 m Pa.s~72.4 m Pa.s (60℃)
(4) 設計溫度:50℃~60℃
(5) 設計壓力:ANSI 150#
超聲流量計是推導型流量計, 它以測量聲波在流動介質中傳播的時間與流量的關系為原理, 是利用超聲波在流體中的傳播特性來測量流量的流量計[2], 可通過數值計算獲得在管道條件下通過流量計的軸向流體的平均流速和流體體積流量。本項目原油外輸計量系統計量撬采用4路DN250液體超聲波流量計 (3用1備) 進行原油計量。標定撬采用DN750雙向球式體積管 (雙向標準段容積為9.99361m3) 和1臺DN300雙螺旋渦輪流量計標準表。中控室配有5臺流量計算機、1臺操作盤和1臺上位機。另外, 該外輸計量標定系統還配有在線取樣系統和體積管水標系統, 系統流程圖如圖1所示。由于FPSO上空間有限, 為了節省安裝空間, 本原油外輸計量標定系統采用計量撬與標定撬上下層整體安裝的方式。
圖1 FPSO外輸計量系統流程圖Fig.1 Flow chart of the FPSO external metering system
該計量系統中液超聲流量計的檢定方法有兩種, 一種是直接采用體積管進行現場實流檢定;一種是采用標準表法進行現場實流檢定。關于FPSO上液超聲計量系統檢定流量點的選擇, 以該計量系統實際外輸流量為參考, 共選擇5個流量點, 分別為300m3/h, 700m3/h, 1000m3/h, 1300m3/h, 1600m3/h。
2、現場計量與檢定數據分析：
2.1、計量數據分析：
FPSO上實際原油外輸計量數據如下:
(1) 外輸速率:3900m3/h~4000m3/h。
(2) 外輸壓力:550 Kpa。
(3) 外輸溫度:58℃~59℃。
(4) 外輸原油密度:824kg/m3@15℃。
該計量系統歷次原油外輸流量計數據與本FPSO上貨油艙和提油輪的量艙數據誤差統計和誤差曲線如表1和圖2所示。從表1中可以看出, 流量計累積量與本船的量艙和提油輪的量艙商檢數據相對比誤差很小, 目前為止與提油輪***大誤差在0.18%內, 滿足商檢0.3%的要求。以上數據說明, 該FPSO上用于原油外輸貿易交接的液超聲流量計實際使用過程中累積量誤差較小, 計量性能比較穩定。
2.2、檢定數據分析：
采用標準表法對液超聲流量計5個流量點 (后簡稱流點) 進行現場實流檢定, 在檢定每個流點前, 先用體積管檢定渦輪標準表 (5個Run) , 然后再用渦輪標準表檢定液超聲流量計 (5個Run) 。檢定結果數據同時滿足API和國標的重復性要求, 現場實際檢定數據如圖3所示, 圖3中數據顯示4號流量計在1300m3/h流量點運行5個Run的重復性為API 0.04% (國標為0.02%) , 重復性滿足API 0.05%和國標0.04%的要求。
通過對比其它幾種流量計檢定規程中對重復性的要求, 發現液超聲流量計的重復性要求比較高。如果適當放寬液超聲流量計的重復性要求, 與同精度的容積式和速度式流量計重復性要求相同, 那么從目前的檢定數據來看, 未來采用體積管直接檢定液超聲流量計的難度將會有所降低。根據目前的超聲波流量計檢定規程, 對于準確度等級為0.2級的超聲波流量計, 重復性要求高于其準確度等級的1/5, 即0.04%。而對于同精度的容積式流量計和速度式流量計, 檢定規程要求重復性為準確度等級的1/3, 即0.06%, 對于同精度的質量流量計, 檢定規程要求重復性為準確度等級的1/2, 即0.1%。
表1 FPSO外輸計量系統計量誤差統計Table 1 Measurement error statistics of FPSO external metering system
圖2 FPSO外輸計量系統計量誤差曲線圖Fig.2 Measurement error curve of FPSO external metering system
3、影響流量計性能和檢定的主要因素：
通過對FPSO上液超聲原油外輸計量系統進行跟蹤分析與研究, 發現影響液超聲流量計計量性能和檢定結果的主要因素有溫度、壓力、流態 (渦流、湍流) 、含水量、氣泡、雜質、腐蝕性、工藝管道、脈沖信號、FPSO運動性能和其他外界干擾等。現場實際檢定數據表明, 流量計系數須在流量、密度、粘度、溫度和壓力等工況條件基本穩定的狀態下檢定獲得。
3.1、溫度影響：
如果被測量流體的溫度變化過快會影響流量計的計量和檢定。尤其是溫度的變化對流量計的影響比較明顯。對于上述的FPSO上原油計量系統來說, 要想達到好的計量和檢定效果, 必須先讓來自各貨油艙的原油充分混合, 等被測量原油的溫度穩定下來后再開始計量或檢定工作。建議在每個流量點檢定周期內 (5個Run) , 溫度變化應控制在1.0℃以內, 根據現場檢定經驗, 流量計溫度與標準表及體積管的溫度相差在0.3℃以內, 檢定效果比較好。
圖3 FPSO外輸計量系統標準表法檢定數據Fig.3 FPSO external metering system standard table method verification data
3.2、壓力影響：
流量計后背壓過小或壓力不穩定會影響計量和檢定。測量回路的操作壓力應高于液體飽和蒸氣壓。流量計后背壓必須高于其***小背壓要求, ***小背壓可通過公式 (1) 計算獲得。適當提高流量計后背壓, 可以獲得滿意的計量和檢定效果。因為提高背壓可以抑制液體中輕組分的氣化。
公式 (1) 中:
pb——***小背壓, 單位為MPa。
Δp——測量回路的***大壓降 (可咨詢流量計制造廠商獲取) , 單位為MPa。
pe——運行條件下的飽和蒸氣壓, 單位為MPa, (絕壓) 。
3.3、流態影響：
流體的流量變化過大或流態不穩定也會影響計量和檢定。因為超聲波流量計的脈沖輸出信號有延遲, 對流速穩定性要求高, 所以流體流量變化過大會影響計量的準確度。計量和檢定過程中建議每個流量點流量變化應控制在5%以內, 并對流體進行整流。建議流量計在不安裝流動調整器的情況下, 要特別注意流量計上游直管段長度。
3.4、氣泡和雜質影響：
當被測量流體含有氣泡時, 會影響超聲波在流體中的傳播速度, 導致計量精度下降;當流體中含有雜質時, 會對體積管造成損傷, 影響檢定結果。建議計量和檢定過程中對流體進行消氣和過濾處理, 以保證流體的清潔度。另外, 液體中存在固體或氣體可能會導致信噪比降低, 影響計量準確性。
3.5、工藝管道影響：
計量工藝管道的腐蝕或變形, 閥門的故障或泄漏, 過濾器和整流器堵塞、磨損、有毛刺、墊片突出或產生碎片都會改變流態, 從而影響流量計的計量精度和檢定結果。建議對工藝管道、閥門、過濾器和整流器等設備進行定期的檢查和維護, 計量和檢定前先觀測過濾器前后壓差, 如果前后壓差超過設定值 (一般設定值不超過100 kpa) , 應停止計量和檢定工作。另外, 為了保證檢定過程的安全, 建議在檢定時考慮適當的分流方案, 防止閥門誤關閉, 導致系統超壓。
3.6、 脈沖影響：
超聲流量計流量脈沖延遲會影響檢定準確度。在檢定開始及檢定期間, 由于流量波動引起的流量計脈沖延遲, 會使流量計系數產生偏差, 偏差的大小取決于流量波動的幅度。超聲流量計可能產生非均勻脈沖輸出, 檢定時非均勻脈沖會影響流量計的重復性。
3.7、FPSO運動性能和其它外界干擾：
FPSO運行性能 (左傾、右傾、橫搖、縱搖) 發生變化會使計量系統的水平度和重心發生變化, 可能會給計量和檢定帶來影響。另外, 其它外界干擾, 如電伴熱、環境溫度、周圍噪音、電磁干擾、機械震動也可能會給計量和檢定帶來影響。建議在計量和檢定過程中應盡量消除周圍潛在的干擾源。
4、計量系統的選型設計與安裝：
4.1、流量計選型與檢定方法選擇：
超聲波流量計是利用超聲波在流體中的傳播特性來測量流量的流量計。液超聲波流量計壓降小、量程比高、無可動部件、一般都具有自診斷功能, 所以其在大口徑、大流量計量及免維護性方面優勢突出[3]。所以它一般適用于壓降要求小、外輸速率大、尺寸重量要求嚴格的工況下。在流量計選型時還應考慮后續檢定方法的可操作性。
在檢定方法的選擇中, 要從現場施工、安裝、費用、可操作性等方面綜合考慮。檢定流量計的體積管尺寸、類型及檢定方法應與被檢流量計口徑相匹配。目前, 可采用體積管直接檢定和標準表法兩種檢定方法。如果采用體積管直接檢定, 體積管必須是大型的雙向球形或單向體積管, 體積管標準段容積應根據API5.8中的要求進行配置, 才能獲得滿意的重復性。由于超聲波流量計的計量原理和脈沖產生機制, 導致流量計會產生不均勻的脈沖輸出, 而活塞式體積管由于在運行過程中存在活塞的發射和回收現象可以引起流量的明顯擾動以及在一次檢定過程中得到的脈沖數較少的原因, 導致檢定結果具備很差的重復性, 所以活塞式體積管不適合直接檢定液體超聲波流量計[4]。
在體積管選型時, 優先選擇大型的雙向球形或單向體積管, 如果受條件限制, 不能采用雙向球形或單向體積管, 也可以采用小型的活塞式體積管, 但前提是小型活塞式體積管滿足檢定標準表的要求。在標準表的選型過程中, 應考慮標準表的接線方式和脈沖信號型式 (三線制或兩線制, 電流型脈沖或電壓型脈沖) , 在原油的貿易交接計量中建議選擇三線制接線方式和電壓脈沖信號。另外, 在標準表的選型時, 還應考慮標準表單位體積流量的脈沖數, 如果脈沖數太少, 將直接影響檢定結果的準確性, 并會延長檢定時間。以本項目中采用的DN300雙螺旋渦輪標準表為例, 該標準表每計量1m3流體產生的脈沖數只有103個。對于300m3/h這個流量點, 一個檢定周期 (5個Run) 至少需要100min。
4.2、設計與安裝建議：
液超聲流量計對流態、氣泡、雜質、工藝管道等比較敏感, 所以在液超聲原油外輸計量系統的設計時應考慮在流量計前安裝過濾消氣器和整流器, 以避免流體中的雜質、游離氣、不穩定流態對計量性能造成影響。另外, 還需注意溫度、壓力儀表及流量調節閥的安裝位置及周圍電磁干擾對流量計電子設備的影響。
流量計前后直管段必須滿足前20D, 后5D的較低要求, 在安裝流動調整器的情況下, 上游直管段長度不小于10D, 下游直管段長度不小于5D。如果條件允許, 可適當加大流量計前直管段的長度, 因為加大流量計前直管段長度可以使流態更穩定, 從而提高流量計的計量性能和檢定過程的穩定性。流量計拆卸后重新安裝時, 要采取適當的措施保證管道內部對齊, 墊圈不應突入管道。溫度計、壓力表, 溫度、壓力變送器和密度計應安裝在計量回路下游管段合適的位置。流量調節閥應位于計量回路及體積管截斷閥的下游, 并應具有平滑操作的能力, 以防止產生沖擊和波動。
超聲流量計的電子信號較弱, 應采取適當的屏蔽措施避免周圍電氣設備及線路對流量計電子信號和傳輸電纜產生干擾, 流量計電子設備陰極保護和接地系統應能避免對超聲流量計信號系統產生干擾。流量計電纜護套、橡膠、塑料和其他無掩蓋的部件應具備抵抗紫外線、油脂的能力。另外, 在計量系統設計、安裝中還應考慮使用中操作、維護的方便性和后續升級改造的可行性。
5、結論：
該FPSO上原油外輸計量系統是國內采用大口徑液超聲流量計的海上原油貿易交接計量系統。通過對該計量系統的現場實際計量數據和檢定方法進行跟蹤研究, 發現液超聲流量計的長期計量累積數據誤差較小, 計量性能比較穩定, 滿足原油貿易交接計量準確度和重復性要求。另外, 通過現場實流檢定數據驗證, 表明標準表+體積管是一種可行的液超聲流量計檢定方法。總之, 通過本文的研究, 可以進一步掌握液超聲流量計的性能, 實際驗證目前所采用檢定方法的適用性, 為改進液超聲流量計原油外輸貿易交接計量系統的設計、安裝及操作維護提供依據, 為下一步液超聲流量計的推廣使用奠定基礎。