超声波流量计用于原油大流量贸易计量的方案
摘要: 超声波流量计现阶段多应用于天然气贸易计量上, 对于原油贸易计量国内还没有相关标准。本文对超声波流量计用于海上平台原油大流量外输贸易计量做了方案的论证:针对海上平台空间有限的特点, 对比了标准容积法、基准流量计法、标准体积管法等常用方案, 采用标准体积管与基准流量计共同检定的方案, 保证了计量精度, 减小了流量计的尺寸和重量, 降低了维护、运营成本, 降低了能耗, 满足国内原油贸易计量的要求。
图 1 超声波流量计(UFM)时间差法
按照流动方向 (顺流 )传播的声波脉冲通过管道的时间为 :
| t = | L | ||
| – | |||
| A>B | |||
| c+Vcosθ | |||
按照流动的反方向 (逆流 )传播的声波脉冲通过管道的时间为 :
| t = | L | |
| – | ||
| B>A | c-Vcosθ | |
式中 :L———声通路长度 ;c———液体中的声速 ;
| – | |||||
| θ———声通路与管道轴线所成的角度 ;V———管道 | |||||
| 中的平均轴向速度。 | |||||
| 因此平均速度由下式来确定 : | |||||
| – | L | B>A | A>B | ||
| t -t | |||||
| V= | × | ||||
| 2 | A>B | B>A | |||
| cosθ t | ×t | ||||
| 根据换能器供电方式不同 ,可以分为外贴式、插 | |||||
入式、管段式三种超声波流量计。管段式超声波流量计把换能器和测量管组成一体 , 测量精度也比其它超声波流量计要高。本方案采取了管段式超声波流量计作为原油外输计量表 ,在保证精度的同时 ,保留了安装简单、使用方便的特点。
3、超声波流量计的优势：
液体超声波技术作为一个较成熟的技术 , 相对于现在常用于原油外输计量的容积式流量计 , 有着以下几个方面的优势 :液体超声波流量计相对于容积式流量计 , 由于其流通能力大、量程比宽 , 在同等流量工况条件下 , 超声波流量计的尺寸和重量会小很多 , 对海上平台的整体布置非常有利。
由于超声波流量计内部没有可动部件 ,使用过程中基本无需维护 , 维护成本极低 , 整体运营成本低。而容积式流量计的维修周期一般是三年一大修 ,更换内部轴承和转子 ,费用和新买一台差不多。
超声波流量计不用插入被测流场 , 没有压力损失 ,其本身耗能又很小 ,特别是对大流量的计量 ,节能效益更为显著 ,大大降低了泵的运营成本 ,符合节能环保的要求。
4、计量系统方案：
4.1、超声波流量计的检定：
所有用于贸易计量的流量计 , 仪表系数必须在稳定的操作条件下完成检定 ,检定条件尽可能与实际条件相一致 ,所以在线检定通常为实惠 ,因为它显示了真实工作状况下的精度。现在已经出台了超声波流量计实验室检定的相关标准[ 5] ,但对液体超声波流量计的在线检定还处于研究阶段。
超声波流量计和其它流量计的检定是不同的 ,这与它自身的工作原理有关。在实际管道中 ,紊流区情况复杂,并且包含了大量的紊流涡旋和非轴向速度分量。从超声波的特点来看 ,其获取的是一个或多个声道的流速瞬时映像 ,因此不仅可以 “观测 ”到总的轴向速度 ,而且也可以 “观测 ”到所有的分流现象,包括管道中因流体动力阻力以及流体混合而产生的紊流涡旋。轴向部分和非轴向部分在内的流场进行了实时合并 ,从而产生了性能不太良好的输出结果以及固有的、更多的分散情况 ,形成了更大程度上的数据散布。但是 ,由于这种分散情况是随机的,因此它将均匀分布在流量计校正系数的平均值周围。比如 5次运转有 1次的范围超出了 0.05%,这并不意味着超声波流量计有故障 ,也不意味着此流量计校正系数无法通过必需的不确定因素进行确定。
利用常规方法能够验证超声波流量计的性能 , 并且符合 APIMPMS标准第 4.8章中的规定。实现这种重复性水平所采取的***保守的方法就是确定一个合格的校准仪容积。表 1中的数据来自于超声波流量计的实际数据 , 并且该表给出了典型的必需的校准仪容积 ,该容积作为管道尺寸的函数是用来在95%的置信水平上获得 ±0.027%的流量计校正系数不确定性的[ 1] 。
由于海上平台空间有限 ,一般采用小容量的标准体积管进行流量计检定 ,对于超声波流量计 ,无论10桶 ,还是 521 桶容积的体积管 , 其管道长度将会达到几十米甚至几百米的长度 , 显然是不合理的。在 APIMPMSChapter4.8中提到 ,由于时间、空间、费用等原因不能直接检定时 ,可采用主表法进行检定。所谓主表法 ,是指在线采用一台基准流量计与之进行比较 ,如图 2 所示。它要求基准流量计应有良好的复现性能 ,且其准确度等级不得低于被检验流量计的准确度等级 [ 5] 。但是 , 基准流量计同时也面临着检定问题 ,因为实验室条件下的检定不能反映实际操作条件 ,只有在线检定才能显示在真实工题 ,因为实验室条件下的检定不能反映实际操作条件 ,只有在线检定才能显示在真实工作状况下的精度。可以看出 ,常用的标准容积法、标准体积管法、主表法均无法单独用于海上平台的超声波流量计检定。
| 表 1 | 流量计校正系数不确定性的校准仪容积值 | |||||
| 校准仪容积对流量计尺寸 | ||||||
| 5次操作 | 8次操作 | 10次操作 | ||||
| 流量计尺寸/英寸 | 0.05% | 0.09% | 0.12% | |||
| 校准仪容积 /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 | |||
图 2 典型主表法
注 :①, ②, ③———双截止泄放阀;④, ⑤———开关阀
4.2、超声波流量计原油外输计量方案设计：
综上所述 ,在以往计量方案的基础上 ,尝试采取标准体积管与基准流量计一同使用的方法。
以旅大 32-2海上平台为例 ,原油外输计量系统设计方案如图 3所示。
(1)采用两台外夹式 6"超声波流量计和一台8"涡轮流量计 , 精度皆为 0.15%, 可重复性为0.02%,符合国际原油交易要求 ,其中涡轮流量计作为备用外输流量计 ,并作为主表对超声波流量计进行检定[ 6] 。
(2)超声波流量计采用四声道 (八个换能器 ), 水平安装 , 其前直管段为 10D,加整流器 ,后直管段为 5D,保证流体流动方向与流量计标志的流体正方向一致[ 5] 。
(3)各计量管路配套安装温度和压力检测变送器。温度变送器精度为 ±(0.1 ℃ +0.02% Span),安装位置在流量计下游 4D处 ;压力变送器采用0.075级压力变送器 , 直接从流量计表体上的取压孔取压[ 5] 。温度、压力信号对应接入各自的流量计算机。
(4)每条计量管路设置专用的流量计算机并安放在中控室 ,原油流量信号经流量计接入中控流量计算机 ,数据接口为 RS-485标准 Modbus协议。
(5)涡轮流量计前加过滤器和消气装置 , 防止因为掺杂气体、蒸汽导致精度降低 ,超声波流量计前只加消气装置即可。
(6)检定过程为 :先关闭两路超声波流量计 ,通过标准体积管对涡轮流量计进行检定 ;检定结束后 , 再打开一路超声波流量计 , 通过主表法对超声波流量计检定。
5、计量系统整体评价：
系统设计的单计量管路流速为较低 100 m3 /h,***高 700 m3 /h,在标准体积管的可重复性为 0.02%, 原油密度计精度为 0.15 kg/m3 的情况下 ,根据相关标准[ 7 ～ 10] ,计算得到整体撬座计量的不确定度如下 :较低流速 100 m3 /h时 ,系统质量计量的不确定度为 0.317%;***高流速 700 m3 /h时 ,系统质量计量的不确定度为 0.25%。
均在国内对原油贸易计量交接计量系统要求的±0.35%以内 ,完全满足国内原油贸易交接计量系统的要求[ 11] ,同时也可以看出 ,流速越大 ,计量精度越高 ,如果应用在更大尺寸、更大流量的外输管道中 ,将会取得更好的测量精度 ,非常适合大流量原油贸易计量。
6、总结：
超声波流量计用于原油外输贸易计量 ,减小了流量计的尺寸和重量 ,降低了维护、运营成本 , 降低了能耗 ,从理论上看 ,原油外输计量的精度也已经完全满足国内原油贸易计量的要求 ,而且流速越大 ,计量精度越高 ,非常适合大流量原油贸易计量。
同时也要看到 , 实际应用中的不可控制干扰因素很多 ,超声波流量计的稳定性、流速的波动性、外部噪音、震动等等 ,都可能引起外输精度不确定度的增大 ,所以超声波流量计应用于原油外输计量还需要进一步的试验。
我国已经在大庆油田采油二厂联合计量站进行了超声波流量计和容积式流量计的串联对比测试 , 同时从 2008年开始对超声波流量计规程进行了宣贯 ,国际上肯尼亚与印度部分地区也已经开始用超声波流量计替换原有的容积式流量计。相信随着技术的发展 ,超声波流量计将会取得更大范围的应用。