超聲波流量計(jì)用于原油大流量貿(mào)易計(jì)量的方案
摘要: 超聲波流量計(jì)現(xiàn)階段多應(yīng)用于天然氣貿(mào)易計(jì)量上, 對于原油貿(mào)易計(jì)量國內(nèi)還沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。本文對超聲波流量計(jì)用于海上平臺原油大流量外輸貿(mào)易計(jì)量做了方案的論證:針對海上平臺空間有限的特點(diǎn), 對比了標(biāo)準(zhǔn)容積法、基準(zhǔn)流量計(jì)法、標(biāo)準(zhǔn)體積管法等常用方案, 采用標(biāo)準(zhǔn)體積管與基準(zhǔn)流量計(jì)共同檢定的方案, 保證了計(jì)量精度, 減小了流量計(jì)的尺寸和重量, 降低了維護(hù)、運(yùn)營成本, 降低了能耗, 滿足國內(nèi)原油貿(mào)易計(jì)量的要求。
圖 1 超聲波流量計(jì)(UFM)時(shí)間差法
按照流動(dòng)方向 (順流 )傳播的聲波脈沖通過管道的時(shí)間為 :
| t = | L | ||
| – | |||
| A>B | |||
| c+Vcosθ | |||
按照流動(dòng)的反方向 (逆流 )傳播的聲波脈沖通過管道的時(shí)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(jù)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(jì)。管段式超聲波流量計(jì)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(jì)要高。本方案采取了管段式超聲波流量計(jì)作為原油外輸計(jì)量表 ,在保證精度的同時(shí) ,保留了安裝簡單、使用方便的特點(diǎn)。
3、超聲波流量計(jì)的優(yōu)勢：
液體超聲波技術(shù)作為一個(gè)較成熟的技術(shù) , 相對于現(xiàn)在常用于原油外輸計(jì)量的容積式流量計(jì) , 有著以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢 :液體超聲波流量計(jì)相對于容積式流量計(jì) , 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(jì)的尺寸和重量會(huì)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(jì)內(nèi)部沒有可動(dòng)部件 ,使用過程中基本無需維護(hù) , 維護(hù)成本極低 , 整體運(yùn)營成本低。而容積式流量計(jì)的維修周期一般是三年一大修 ,更換內(nèi)部軸承和轉(zhuǎn)子 ,費(fèi)用和新買一臺差不多。
超聲波流量計(jì)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(jì)量 ,節(jié)能效益更為顯著 ,大大降低了泵的運(yùn)營成本 ,符合節(jié)能環(huán)保的要求。
4、計(jì)量系統(tǒng)方案：
4.1、超聲波流量計(jì)的檢定：
所有用于貿(mào)易計(jì)量的流量計(jì) , 儀表系數(shù)必須在穩(wěn)定的操作條件下完成檢定 ,檢定條件盡可能與實(shí)際條件相一致 ,所以在線檢定通常為實(shí)惠 ,因?yàn)樗@示了真實(shí)工作狀況下的精度。現(xiàn)在已經(jīng)出臺了超聲波流量計(jì)實(shí)驗(yàn)室檢定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[ 5] ,但對液體超聲波流量計(jì)的在線檢定還處于研究階段。
超聲波流量計(jì)和其它流量計(jì)的檢定是不同的 ,這與它自身的工作原理有關(guān)。在實(shí)際管道中 ,紊流區(qū)情況復(fù)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(diǎn)來看 ,其獲取的是一個(gè)或多個(gè)聲道的流速瞬時(shí)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(xiàn)象,包括管道中因流體動(dòng)力阻力以及流體混合而產(chǎn)生的紊流渦旋。軸向部分和非軸向部分在內(nèi)的流場進(jìn)行了實(shí)時(shí)合并 ,從而產(chǎn)生了性能不太良好的輸出結(jié)果以及固有的、更多的分散情況 ,形成了更大程度上的數(shù)據(jù)散布。但是 ,由于這種分散情況是隨機(jī)的,因此它將均勻分布在流量計(jì)校正系數(shù)的平均值周圍。比如 5次運(yùn)轉(zhuǎn)有 1次的范圍超出了 0.05%,這并不意味著超聲波流量計(jì)有故障 ,也不意味著此流量計(jì)校正系數(shù)無法通過必需的不確定因素進(jìn)行確定。
利用常規(guī)方法能夠驗(yàn)證超聲波流量計(jì)的性能 , 并且符合 APIMPMS標(biāo)準(zhǔn)第 4.8章中的規(guī)定。實(shí)現(xiàn)這種重復(fù)性水平所采取的***保守的方法就是確定一個(gè)合格的校準(zhǔn)儀容積。表 1中的數(shù)據(jù)來自于超聲波流量計(jì)的實(shí)際數(shù)據(jù) , 并且該表給出了典型的必需的校準(zhǔn)儀容積 ,該容積作為管道尺寸的函數(shù)是用來在95%的置信水平上獲得 ±0.027%的流量計(jì)校正系數(shù)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(biāo)準(zhǔn)體積管進(jìn)行流量計(jì)檢定 ,對于超聲波流量計(jì) ,無論10桶 ,還是 521 桶容積的體積管 , 其管道長度將會(huì)達(dá)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(shí)間、空間、費(fèi)用等原因不能直接檢定時(shí) ,可采用主表法進(jìn)行檢定。所謂主表法 ,是指在線采用一臺基準(zhǔn)流量計(jì)與之進(jìn)行比較 ,如圖 2 所示。它要求基準(zhǔn)流量計(jì)應(yīng)有良好的復(fù)現(xiàn)性能 ,且其準(zhǔn)確度等級不得低于被檢驗(yàn)流量計(jì)的準(zhǔn)確度等級 [ 5] 。但是 , 基準(zhǔn)流量計(jì)同時(shí)也面臨著檢定問題 ,因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室條件下的檢定不能反映實(shí)際操作條件 ,只有在線檢定才能顯示在真實(shí)工題 ,因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室條件下的檢定不能反映實(shí)際操作條件 ,只有在線檢定才能顯示在真實(shí)工作狀況下的精度。可以看出 ,常用的標(biāo)準(zhǔn)容積法、標(biāo)準(zhǔn)體積管法、主表法均無法單獨(dú)用于海上平臺的超聲波流量計(jì)檢定。
| 表 1 | 流量計(jì)校正系數(shù)不確定性的校準(zhǔn)儀容積值 | |||||
| 校準(zhǔn)儀容積對流量計(jì)尺寸 | ||||||
| 5次操作 | 8次操作 | 10次操作 | ||||
| 流量計(jì)尺寸/英寸 | 0.05% | 0.09% | 0.12% | |||
| 校準(zhǔn)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(guān)閥
4.2、超聲波流量計(jì)原油外輸計(jì)量方案設(shè)計(jì)：
綜上所述 ,在以往計(jì)量方案的基礎(chǔ)上 ,嘗試采取標(biāo)準(zhǔn)體積管與基準(zhǔn)流量計(jì)一同使用的方法。
以旅大 32-2海上平臺為例 ,原油外輸計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖 3所示。
(1)采用兩臺外夾式 6"超聲波流量計(jì)和一臺8"渦輪流量計(jì) , 精度皆為 0.15%, 可重復(fù)性為0.02%,符合國際原油交易要求 ,其中渦輪流量計(jì)作為備用外輸流量計(jì) ,并作為主表對超聲波流量計(jì)進(jìn)行檢定[ 6] 。
(2)超聲波流量計(jì)采用四聲道 (八個(gè)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(dòng)方向與流量計(jì)標(biāo)志的流體正方向一致[ 5] 。
(3)各計(jì)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(jì)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(jì)表體上的取壓孔取壓[ 5] 。溫度、壓力信號對應(yīng)接入各自的流量計(jì)算機(jī)。
(4)每條計(jì)量管路設(shè)置專用的流量計(jì)算機(jī)并安放在中控室 ,原油流量信號經(jīng)流量計(jì)接入中控流量計(jì)算機(jī) ,數(shù)據(jù)接口為 RS-485標(biāo)準(zhǔn) Modbus協(xié)議。
(5)渦輪流量計(jì)前加過濾器和消氣裝置 , 防止因?yàn)閾诫s氣體、蒸汽導(dǎo)致精度降低 ,超聲波流量計(jì)前只加消氣裝置即可。
(6)檢定過程為 :先關(guān)閉兩路超聲波流量計(jì) ,通過標(biāo)準(zhǔn)體積管對渦輪流量計(jì)進(jìn)行檢定 ;檢定結(jié)束后 , 再打開一路超聲波流量計(jì) , 通過主表法對超聲波流量計(jì)檢定。
5、計(jì)量系統(tǒng)整體評價(jià)：
系統(tǒng)設(shè)計(jì)的單計(jì)量管路流速為較低 100 m3 /h,***高 700 m3 /h,在標(biāo)準(zhǔn)體積管的可重復(fù)性為 0.02%, 原油密度計(jì)精度為 0.15 kg/m3 的情況下 ,根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[ 7 ～ 10] ,計(jì)算得到整體撬座計(jì)量的不確定度如下 :較低流速 100 m3 /h時(shí) ,系統(tǒng)質(zhì)量計(jì)量的不確定度為 0.317%;***高流速 700 m3 /h時(shí) ,系統(tǒng)質(zhì)量計(jì)量的不確定度為 0.25%。
均在國內(nèi)對原油貿(mào)易計(jì)量交接計(jì)量系統(tǒng)要求的±0.35%以內(nèi) ,完全滿足國內(nèi)原油貿(mào)易交接計(jì)量系統(tǒng)的要求[ 11] ,同時(shí)也可以看出 ,流速越大 ,計(jì)量精度越高 ,如果應(yīng)用在更大尺寸、更大流量的外輸管道中 ,將會(huì)取得更好的測量精度 ,非常適合大流量原油貿(mào)易計(jì)量。
6、總結(jié)：
超聲波流量計(jì)用于原油外輸貿(mào)易計(jì)量 ,減小了流量計(jì)的尺寸和重量 ,降低了維護(hù)、運(yùn)營成本 , 降低了能耗 ,從理論上看 ,原油外輸計(jì)量的精度也已經(jīng)完全滿足國內(nèi)原油貿(mào)易計(jì)量的要求 ,而且流速越大 ,計(jì)量精度越高 ,非常適合大流量原油貿(mào)易計(jì)量。
同時(shí)也要看到 , 實(shí)際應(yīng)用中的不可控制干擾因素很多 ,超聲波流量計(jì)的穩(wěn)定性、流速的波動(dòng)性、外部噪音、震動(dòng)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(jì)應(yīng)用于原油外輸計(jì)量還需要進(jìn)一步的試驗(yàn)。
我國已經(jīng)在大慶油田采油二廠聯(lián)合計(jì)量站進(jìn)行了超聲波流量計(jì)和容積式流量計(jì)的串聯(lián)對比測試 , 同時(shí)從 2008年開始對超聲波流量計(jì)規(guī)程進(jìn)行了宣貫 ,國際上肯尼亞與印度部分地區(qū)也已經(jīng)開始用超聲波流量計(jì)替換原有的容積式流量計(jì)。相信隨著技術(shù)的發(fā)展 ,超聲波流量計(jì)將會(huì)取得更大范圍的應(yīng)用。