液体超声流量计用于原油贸易交接计量跟踪方法
摘要：通过对用于海上FPSO原油外输贸易交接计量系统的液超声流量计进行跟踪研究, 分析液超声流量计用于原油贸易交接计量的性能和影响因素, 为进一步改进液超声流量计原油外输贸易交接计量系统的设计、安装及操作维护提供依据。
0、引言：
近年来, 随着液体超声波流量计 (简称液超声流量计) 技术的不断进步, 国外流量计厂家生产的多声道液超声流量计已成功应用于国内外的原油和成品油贸易交接计量中[1]。国际上采用液超声流量计进行原油贸易交接计量已是一种趋势, 而目前国内可参考的标准、规范还不健全, 相关的研究工作还不够深入。国内某海上油田FPSO (浮式生产储油装置) 原油外输计量系统是国内自主设计, 并采用大口径液超声流量计的海上原油贸易交接计量系统。通过对该计量系统进行深入地跟踪研究, 分析液超声流量计用于原油贸易交接计量的计量性能, 检定方法和影响因素, 为进一步改进液超声流量计原油外输贸易交接计量系统的设计、安装及操作维护提供依据。另外, 该计量系统跟踪研究中获得的现场实际计量和检定数据也可供国内相关计量检定机构做进一步的分析与研究, 以推进国内液超声流量计相关标准、规范的制定和修改, 促进液超声流量计在国内原油贸易交接计量中的应用。
1、计量系统配置与检定方法：
FPSO上原油外输贸易交接计量系统设计参数为:
(1) 外输速率: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) 设计温度:50℃~60℃
(5) 设计压力:ANSI 150#
超声流量计是推导型流量计, 它以测量声波在流动介质中传播的时间与流量的关系为原理, 是利用超声波在流体中的传播特性来测量流量的流量计[2], 可通过数值计算获得在管道条件下通过流量计的轴向流体的平均流速和流体体积流量。本项目原油外输计量系统计量撬采用4路DN250液体超声波流量计 (3用1备) 进行原油计量。标定撬采用DN750双向球式体积管 (双向标准段容积为9.99361m3) 和1台DN300双螺旋涡轮流量计标准表。中控室配有5台流量计算机、1台操作盘和1台上位机。另外, 该外输计量标定系统还配有在线取样系统和体积管水标系统, 系统流程图如图1所示。由于FPSO上空间有限, 为了节省安装空间, 本原油外输计量标定系统采用计量撬与标定撬上下层整体安装的方式。
图1 FPSO外输计量系统流程图Fig.1 Flow chart of the FPSO external metering system
该计量系统中液超声流量计的检定方法有两种, 一种是直接采用体积管进行现场实流检定;一种是采用标准表法进行现场实流检定。关于FPSO上液超声计量系统检定流量点的选择, 以该计量系统实际外输流量为参考, 共选择5个流量点, 分别为300m3/h, 700m3/h, 1000m3/h, 1300m3/h, 1600m3/h。
2、现场计量与检定数据分析：
2.1、计量数据分析：
FPSO上实际原油外输计量数据如下:
(1) 外输速率:3900m3/h~4000m3/h。
(2) 外输压力:550 Kpa。
(3) 外输温度:58℃~59℃。
(4) 外输原油密度:824kg/m3@15℃。
该计量系统历次原油外输流量计数据与本FPSO上货油舱和提油轮的量舱数据误差统计和误差曲线如表1和图2所示。从表1中可以看出, 流量计累积量与本船的量舱和提油轮的量舱商检数据相对比误差很小, 目前为止与提油轮***大误差在0.18%内, 满足商检0.3%的要求。以上数据说明, 该FPSO上用于原油外输贸易交接的液超声流量计实际使用过程中累积量误差较小, 计量性能比较稳定。
2.2、检定数据分析：
采用标准表法对液超声流量计5个流量点 (后简称流点) 进行现场实流检定, 在检定每个流点前, 先用体积管检定涡轮标准表 (5个Run) , 然后再用涡轮标准表检定液超声流量计 (5个Run) 。检定结果数据同时满足API和国标的重复性要求, 现场实际检定数据如图3所示, 图3中数据显示4号流量计在1300m3/h流量点运行5个Run的重复性为API 0.04% (国标为0.02%) , 重复性满足API 0.05%和国标0.04%的要求。
通过对比其它几种流量计检定规程中对重复性的要求, 发现液超声流量计的重复性要求比较高。如果适当放宽液超声流量计的重复性要求, 与同精度的容积式和速度式流量计重复性要求相同, 那么从目前的检定数据来看, 未来采用体积管直接检定液超声流量计的难度将会有所降低。根据目前的超声波流量计检定规程, 对于准确度等级为0.2级的超声波流量计, 重复性要求高于其准确度等级的1/5, 即0.04%。而对于同精度的容积式流量计和速度式流量计, 检定规程要求重复性为准确度等级的1/3, 即0.06%, 对于同精度的质量流量计, 检定规程要求重复性为准确度等级的1/2, 即0.1%。
表1 FPSO外输计量系统计量误差统计Table 1 Measurement error statistics of FPSO external metering system
图2 FPSO外输计量系统计量误差曲线图Fig.2 Measurement error curve of FPSO external metering system
3、影响流量计性能和检定的主要因素：
通过对FPSO上液超声原油外输计量系统进行跟踪分析与研究, 发现影响液超声流量计计量性能和检定结果的主要因素有温度、压力、流态 (涡流、湍流) 、含水量、气泡、杂质、腐蚀性、工艺管道、脉冲信号、FPSO运动性能和其他外界干扰等。现场实际检定数据表明, 流量计系数须在流量、密度、粘度、温度和压力等工况条件基本稳定的状态下检定获得。
3.1、温度影响：
如果被测量流体的温度变化过快会影响流量计的计量和检定。尤其是温度的变化对流量计的影响比较明显。对于上述的FPSO上原油计量系统来说, 要想达到好的计量和检定效果, 必须先让来自各货油舱的原油充分混合, 等被测量原油的温度稳定下来后再开始计量或检定工作。建议在每个流量点检定周期内 (5个Run) , 温度变化应控制在1.0℃以内, 根据现场检定经验, 流量计温度与标准表及体积管的温度相差在0.3℃以内, 检定效果比较好。
图3 FPSO外输计量系统标准表法检定数据Fig.3 FPSO external metering system standard table method verification data
3.2、压力影响：
流量计后背压过小或压力不稳定会影响计量和检定。测量回路的操作压力应高于液体饱和蒸气压。流量计后背压必须高于其***小背压要求, ***小背压可通过公式 (1) 计算获得。适当提高流量计后背压, 可以获得满意的计量和检定效果。因为提高背压可以抑制液体中轻组分的气化。
公式 (1) 中:
pb——***小背压, 单位为MPa。
Δp——测量回路的***大压降 (可咨询流量计制造厂商获取) , 单位为MPa。
pe——运行条件下的饱和蒸气压, 单位为MPa, (绝压) 。
3.3、流态影响：
流体的流量变化过大或流态不稳定也会影响计量和检定。因为超声波流量计的脉冲输出信号有延迟, 对流速稳定性要求高, 所以流体流量变化过大会影响计量的准确度。计量和检定过程中建议每个流量点流量变化应控制在5%以内, 并对流体进行整流。建议流量计在不安装流动调整器的情况下, 要特别注意流量计上游直管段长度。
3.4、气泡和杂质影响：
当被测量流体含有气泡时, 会影响超声波在流体中的传播速度, 导致计量精度下降;当流体中含有杂质时, 会对体积管造成损伤, 影响检定结果。建议计量和检定过程中对流体进行消气和过滤处理, 以保证流体的清洁度。另外, 液体中存在固体或气体可能会导致信噪比降低, 影响计量准确性。
3.5、工艺管道影响：
计量工艺管道的腐蚀或变形, 阀门的故障或泄漏, 过滤器和整流器堵塞、磨损、有毛刺、垫片突出或产生碎片都会改变流态, 从而影响流量计的计量精度和检定结果。建议对工艺管道、阀门、过滤器和整流器等设备进行定期的检查和维护, 计量和检定前先观测过滤器前后压差, 如果前后压差超过设定值 (一般设定值不超过100 kpa) , 应停止计量和检定工作。另外, 为了保证检定过程的安全, 建议在检定时考虑适当的分流方案, 防止阀门误关闭, 导致系统超压。
3.6、 脉冲影响：
超声流量计流量脉冲延迟会影响检定准确度。在检定开始及检定期间, 由于流量波动引起的流量计脉冲延迟, 会使流量计系数产生偏差, 偏差的大小取决于流量波动的幅度。超声流量计可能产生非均匀脉冲输出, 检定时非均匀脉冲会影响流量计的重复性。
3.7、FPSO运动性能和其它外界干扰：
FPSO运行性能 (左倾、右倾、横摇、纵摇) 发生变化会使计量系统的水平度和重心发生变化, 可能会给计量和检定带来影响。另外, 其它外界干扰, 如电伴热、环境温度、周围噪音、电磁干扰、机械震动也可能会给计量和检定带来影响。建议在计量和检定过程中应尽量消除周围潜在的干扰源。
4、计量系统的选型设计与安装：
4.1、流量计选型与检定方法选择：
超声波流量计是利用超声波在流体中的传播特性来测量流量的流量计。液超声波流量计压降小、量程比高、无可动部件、一般都具有自诊断功能, 所以其在大口径、大流量计量及免维护性方面优势突出[3]。所以它一般适用于压降要求小、外输速率大、尺寸重量要求严格的工况下。在流量计选型时还应考虑后续检定方法的可操作性。
在检定方法的选择中, 要从现场施工、安装、费用、可操作性等方面综合考虑。检定流量计的体积管尺寸、类型及检定方法应与被检流量计口径相匹配。目前, 可采用体积管直接检定和标准表法两种检定方法。如果采用体积管直接检定, 体积管必须是大型的双向球形或单向体积管, 体积管标准段容积应根据API5.8中的要求进行配置, 才能获得满意的重复性。由于超声波流量计的计量原理和脉冲产生机制, 导致流量计会产生不均匀的脉冲输出, 而活塞式体积管由于在运行过程中存在活塞的发射和回收现象可以引起流量的明显扰动以及在一次检定过程中得到的脉冲数较少的原因, 导致检定结果具备很差的重复性, 所以活塞式体积管不适合直接检定液体超声波流量计[4]。
在体积管选型时, 优先选择大型的双向球形或单向体积管, 如果受条件限制, 不能采用双向球形或单向体积管, 也可以采用小型的活塞式体积管, 但前提是小型活塞式体积管满足检定标准表的要求。在标准表的选型过程中, 应考虑标准表的接线方式和脉冲信号型式 (三线制或两线制, 电流型脉冲或电压型脉冲) , 在原油的贸易交接计量中建议选择三线制接线方式和电压脉冲信号。另外, 在标准表的选型时, 还应考虑标准表单位体积流量的脉冲数, 如果脉冲数太少, 将直接影响检定结果的准确性, 并会延长检定时间。以本项目中采用的DN300双螺旋涡轮标准表为例, 该标准表每计量1m3流体产生的脉冲数只有103个。对于300m3/h这个流量点, 一个检定周期 (5个Run) 至少需要100min。
4.2、设计与安装建议：
液超声流量计对流态、气泡、杂质、工艺管道等比较敏感, 所以在液超声原油外输计量系统的设计时应考虑在流量计前安装过滤消气器和整流器, 以避免流体中的杂质、游离气、不稳定流态对计量性能造成影响。另外, 还需注意温度、压力仪表及流量调节阀的安装位置及周围电磁干扰对流量计电子设备的影响。
流量计前后直管段必须满足前20D, 后5D的较低要求, 在安装流动调整器的情况下, 上游直管段长度不小于10D, 下游直管段长度不小于5D。如果条件允许, 可适当加大流量计前直管段的长度, 因为加大流量计前直管段长度可以使流态更稳定, 从而提高流量计的计量性能和检定过程的稳定性。流量计拆卸后重新安装时, 要采取适当的措施保证管道内部对齐, 垫圈不应突入管道。温度计、压力表, 温度、压力变送器和密度计应安装在计量回路下游管段合适的位置。流量调节阀应位于计量回路及体积管截断阀的下游, 并应具有平滑操作的能力, 以防止产生冲击和波动。
超声流量计的电子信号较弱, 应采取适当的屏蔽措施避免周围电气设备及线路对流量计电子信号和传输电缆产生干扰, 流量计电子设备阴极保护和接地系统应能避免对超声流量计信号系统产生干扰。流量计电缆护套、橡胶、塑料和其他无掩盖的部件应具备抵抗紫外线、油脂的能力。另外, 在计量系统设计、安装中还应考虑使用中操作、维护的方便性和后续升级改造的可行性。
5、结论：
该FPSO上原油外输计量系统是国内采用大口径液超声流量计的海上原油贸易交接计量系统。通过对该计量系统的现场实际计量数据和检定方法进行跟踪研究, 发现液超声流量计的长期计量累积数据误差较小, 计量性能比较稳定, 满足原油贸易交接计量准确度和重复性要求。另外, 通过现场实流检定数据验证, 表明标准表+体积管是一种可行的液超声流量计检定方法。总之, 通过本文的研究, 可以进一步掌握液超声流量计的性能, 实际验证目前所采用检定方法的适用性, 为改进液超声流量计原油外输贸易交接计量系统的设计、安装及操作维护提供依据, 为下一步液超声流量计的推广使用奠定基础。