FPSO上原油外輸貿(mào)易交接計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)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(shè)計(jì)溫度:50℃~60℃

(5) 設(shè)計(jì)壓力:ANSI 150#

  超聲流量計(jì)是推導(dǎo)型流量計(jì), 它以測(cè)量聲波在流動(dòng)介質(zhì)中傳播的時(shí)間與流量的關(guān)系為原理, 是利用超聲波在流體中的傳播特性來測(cè)量流量的流量計(jì)[2], 可通過數(shù)值計(jì)算獲得在管道條件下通過流量計(jì)的軸向流體的平均流速和流體體積流量。本項(xiàng)目原油外輸計(jì)量系統(tǒng)計(jì)量撬采用4路DN250液體超聲波流量計(jì) (3用1備) 進(jìn)行原油計(jì)量。標(biāo)定撬采用DN750雙向球式體積管 (雙向標(biāo)準(zhǔn)段容積為9.99361m3) 和1臺(tái)DN300雙螺旋渦輪流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)表。中控室配有5臺(tái)流量計(jì)算機(jī)、1臺(tái)操作盤和1臺(tái)上位機(jī)。另外, 該外輸計(jì)量標(biāo)定系統(tǒng)還配有在線取樣系統(tǒng)和體積管水標(biāo)系統(tǒng), 系統(tǒng)流程圖如圖1所示。由于FPSO上空間有限, 為了節(jié)省安裝空間, 本原油外輸計(jì)量標(biāo)定系統(tǒng)采用計(jì)量撬與標(biāo)定撬上下層整體安裝的方式。

  該計(jì)量系統(tǒng)中液超聲流量計(jì)的檢定方法有兩種, 一種是直接采用體積管進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)流檢定;一種是采用標(biāo)準(zhǔn)表法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)流檢定。關(guān)于FPSO上液超聲計(jì)量系統(tǒng)檢定流量點(diǎn)的選擇, 以該計(jì)量系統(tǒng)實(shí)際外輸流量為參考, 共選擇5個(gè)流量點(diǎn), 分別為300m3/h, 700m3/h, 1000m3/h, 1300m3/h, 1600m3/h。

FPSO上實(shí)際原油外輸計(jì)量數(shù)據(jù)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(jì)量系統(tǒng)歷次原油外輸流量計(jì)數(shù)據(jù)與本FPSO上貨油艙和提油輪的量艙數(shù)據(jù)誤差統(tǒng)計(jì)和誤差曲線如表1和圖2所示。從表1中可以看出, 流量計(jì)累積量與本船的量艙和提油輪的量艙商檢數(shù)據(jù)相對(duì)比誤差很小, 目前為止與提油輪***大誤差在0.18%內(nèi), 滿足商檢0.3%的要求。以上數(shù)據(jù)說明, 該FPSO上用于原油外輸貿(mào)易交接的液超聲流量計(jì)實(shí)際使用過程中累積量誤差較小, 計(jì)量性能比較穩(wěn)定。

  采用標(biāo)準(zhǔn)表法對(duì)液超聲流量計(jì)5個(gè)流量點(diǎn) (后簡(jiǎn)稱流點(diǎn)) 進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)流檢定, 在檢定每個(gè)流點(diǎn)前, 先用體積管檢定渦輪標(biāo)準(zhǔn)表 (5個(gè)Run) , 然后再用渦輪標(biāo)準(zhǔn)表檢定液超聲流量計(jì) (5個(gè)Run) 。檢定結(jié)果數(shù)據(jù)同時(shí)滿足API和國(guó)標(biāo)的重復(fù)性要求, 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢定數(shù)據(jù)如圖3所示, 圖3中數(shù)據(jù)顯示4號(hào)流量計(jì)在1300m3/h流量點(diǎn)運(yùn)行5個(gè)Run的重復(fù)性為API 0.04% (國(guó)標(biāo)為0.02%) , 重復(fù)性滿足API 0.05%和國(guó)標(biāo)0.04%的要求。

  通過對(duì)比其它幾種流量計(jì)檢定規(guī)程中對(duì)重復(fù)性的要求, 發(fā)現(xiàn)液超聲流量計(jì)的重復(fù)性要求比較高。如果適當(dāng)放寬液超聲流量計(jì)的重復(fù)性要求, 與同精度的容積式和速度式流量計(jì)重復(fù)性要求相同, 那么從目前的檢定數(shù)據(jù)來看, 未來采用體積管直接檢定液超聲流量計(jì)的難度將會(huì)有所降低。根據(jù)目前的超聲波流量計(jì)檢定規(guī)程, 對(duì)于準(zhǔn)確度等級(jí)為0.2級(jí)的超聲波流量計(jì), 重復(fù)性要求高于其準(zhǔn)確度等級(jí)的1/5, 即0.04%。而對(duì)于同精度的容積式流量計(jì)和速度式流量計(jì), 檢定規(guī)程要求重復(fù)性為準(zhǔn)確度等級(jí)的1/3, 即0.06%, 對(duì)于同精度的質(zhì)量流量計(jì), 檢定規(guī)程要求重復(fù)性為準(zhǔn)確度等級(jí)的1/2, 即0.1%。

  通過對(duì)FPSO上液超聲原油外輸計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤分析與研究, 發(fā)現(xiàn)影響液超聲流量計(jì)計(jì)量性能和檢定結(jié)果的主要因素有溫度、壓力、流態(tài) (渦流、湍流) 、含水量、氣泡、雜質(zhì)、腐蝕性、工藝管道、脈沖信號(hào)、FPSO運(yùn)動(dòng)性能和其他外界干擾等。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢定數(shù)據(jù)表明, 流量計(jì)系數(shù)須在流量、密度、粘度、溫度和壓力等工況條件基本穩(wěn)定的狀態(tài)下檢定獲得。

  如果被測(cè)量流體的溫度變化過快會(huì)影響流量計(jì)的計(jì)量和檢定。尤其是溫度的變化對(duì)流量計(jì)的影響比較明顯。對(duì)于上述的FPSO上原油計(jì)量系統(tǒng)來說, 要想達(dá)到好的計(jì)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(cè)量原油的溫度穩(wěn)定下來后再開始計(jì)量或檢定工作。建議在每個(gè)流量點(diǎn)檢定周期內(nèi) (5個(gè)Run) , 溫度變化應(yīng)控制在1.0℃以內(nèi), 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢定經(jīng)驗(yàn), 流量計(jì)溫度與標(biāo)準(zhǔn)表及體積管的溫度相差在0.3℃以內(nèi), 檢定效果比較好。

  流量計(jì)后背壓過小或壓力不穩(wěn)定會(huì)影響計(jì)量和檢定。測(cè)量回路的操作壓力應(yīng)高于液體飽和蒸氣壓。流量計(jì)后背壓必須高于其***小背壓要求, ***小背壓可通過公式 (1) 計(jì)算獲得。適當(dāng)提高流量計(jì)后背壓, 可以獲得滿意的計(jì)量和檢定效果。因?yàn)樘岣弑硥嚎梢砸种埔后w中輕組分的氣化。

公式 (1) 中:

pb——***小背壓, 單位為MPa。

Δp——測(cè)量回路的***大壓降 (可咨詢流量計(jì)制造廠商獲取) , 單位為MPa。

pe——運(yùn)行條件下的飽和蒸氣壓, 單位為MPa, (絕壓) 。

  流體的流量變化過大或流態(tài)不穩(wěn)定也會(huì)影響計(jì)量和檢定。因?yàn)槌暡髁坑?jì)的脈沖輸出信號(hào)有延遲, 對(duì)流速穩(wěn)定性要求高, 所以流體流量變化過大會(huì)影響計(jì)量的準(zhǔn)確度。計(jì)量和檢定過程中建議每個(gè)流量點(diǎn)流量變化應(yīng)控制在5%以內(nèi), 并對(duì)流體進(jìn)行整流。建議流量計(jì)在不安裝流動(dòng)調(diào)整器的情況下, 要特別注意流量計(jì)上游直管段長(zhǎng)度。

  當(dāng)被測(cè)量流體含有氣泡時(shí), 會(huì)影響超聲波在流體中的傳播速度, 導(dǎo)致計(jì)量精度下降;當(dāng)流體中含有雜質(zhì)時(shí), 會(huì)對(duì)體積管造成損傷, 影響檢定結(jié)果。建議計(jì)量和檢定過程中對(duì)流體進(jìn)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(huì)導(dǎo)致信噪比降低, 影響計(jì)量準(zhǔn)確性。

  計(jì)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(chǎn)生碎片都會(huì)改變流態(tài), 從而影響流量計(jì)的計(jì)量精度和檢定結(jié)果。建議對(duì)工藝管道、閥門、過濾器和整流器等設(shè)備進(jìn)行定期的檢查和維護(hù), 計(jì)量和檢定前先觀測(cè)過濾器前后壓差, 如果前后壓差超過設(shè)定值 (一般設(shè)定值不超過100 kpa) , 應(yīng)停止計(jì)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(shí)考慮適當(dāng)?shù)姆至鞣桨? 防止閥門誤關(guān)閉, 導(dǎo)致系統(tǒng)超壓。

超聲流量計(jì)流量脈沖延遲會(huì)影響檢定準(zhǔn)確度。在檢定開始及檢定期間, 由于流量波動(dòng)引起的流量計(jì)脈沖延遲, 會(huì)使流量計(jì)系數(shù)產(chǎn)生偏差, 偏差的大小取決于流量波動(dòng)的幅度。超聲流量計(jì)可能產(chǎn)生非均勻脈沖輸出, 檢定時(shí)非均勻脈沖會(huì)影響流量計(jì)的重復(fù)性。

FPSO運(yùn)行性能 (左傾、右傾、橫搖、縱搖) 發(fā)生變化會(huì)使計(jì)量系統(tǒng)的水平度和重心發(fā)生變化, 可能會(huì)給計(jì)量和檢定帶來影響。另外, 其它外界干擾, 如電伴熱、環(huán)境溫度、周圍噪音、電磁干擾、機(jī)械震動(dòng)也可能會(huì)給計(jì)量和檢定帶來影響。建議在計(jì)量和檢定過程中應(yīng)盡量消除周圍潛在的干擾源。

  超聲波流量計(jì)是利用超聲波在流體中的傳播特性來測(cè)量流量的流量計(jì)。液超聲波流量計(jì)壓降小、量程比高、無可動(dòng)部件、一般都具有自診斷功能, 所以其在大口徑、大流量計(jì)量及免維護(hù)性方面優(yōu)勢(shì)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(yán)格的工況下。在流量計(jì)選型時(shí)還應(yīng)考慮后續(xù)檢定方法的可操作性。

  在檢定方法的選擇中, 要從現(xiàn)場(chǎng)施工、安裝、費(fèi)用、可操作性等方面綜合考慮。檢定流量計(jì)的體積管尺寸、類型及檢定方法應(yīng)與被檢流量計(jì)口徑相匹配。目前, 可采用體積管直接檢定和標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)段容積應(yīng)根據(jù)API5.8中的要求進(jìn)行配置, 才能獲得滿意的重復(fù)性。由于超聲波流量計(jì)的計(jì)量原理和脈沖產(chǎn)生機(jī)制, 導(dǎo)致流量計(jì)會(huì)產(chǎn)生不均勻的脈沖輸出, 而活塞式體積管由于在運(yùn)行過程中存在活塞的發(fā)射和回收現(xiàn)象可以引起流量的明顯擾動(dòng)以及在一次檢定過程中得到的脈沖數(shù)較少的原因, 導(dǎo)致檢定結(jié)果具備很差的重復(fù)性, 所以活塞式體積管不適合直接檢定液體超聲波流量計(jì)[4]。

  在體積管選型時(shí), 優(yōu)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(biāo)準(zhǔn)表的要求。在標(biāo)準(zhǔn)表的選型過程中, 應(yīng)考慮標(biāo)準(zhǔn)表的接線方式和脈沖信號(hào)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(mào)易交接計(jì)量中建議選擇三線制接線方式和電壓脈沖信號(hào)。另外, 在標(biāo)準(zhǔn)表的選型時(shí), 還應(yīng)考慮標(biāo)準(zhǔn)表單位體積流量的脈沖數(shù), 如果脈沖數(shù)太少, 將直接影響檢定結(jié)果的準(zhǔn)確性, 并會(huì)延長(zhǎng)檢定時(shí)間。以本項(xiàng)目中采用的DN300雙螺旋渦輪標(biāo)準(zhǔn)表為例, 該標(biāo)準(zhǔn)表每計(jì)量1m3流體產(chǎn)生的脈沖數(shù)只有103個(gè)。對(duì)于300m3/h這個(gè)流量點(diǎn), 一個(gè)檢定周期 (5個(gè)Run) 至少需要100min。

  液超聲流量計(jì)對(duì)流態(tài)、氣泡、雜質(zhì)、工藝管道等比較敏感, 所以在液超聲原油外輸計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮在流量計(jì)前安裝過濾消氣器和整流器, 以避免流體中的雜質(zhì)、游離氣、不穩(wěn)定流態(tài)對(duì)計(jì)量性能造成影響。另外, 還需注意溫度、壓力儀表及流量調(diào)節(jié)閥的安裝位置及周圍電磁干擾對(duì)流量計(jì)電子設(shè)備的影響。

  流量計(jì)前后直管段必須滿足前20D, 后5D的較低要求, 在安裝流動(dòng)調(diào)整器的情況下, 上游直管段長(zhǎng)度不小于10D, 下游直管段長(zhǎng)度不小于5D。如果條件允許, 可適當(dāng)加大流量計(jì)前直管段的長(zhǎng)度, 因?yàn)榧哟罅髁坑?jì)前直管段長(zhǎng)度可以使流態(tài)更穩(wěn)定, 從而提高流量計(jì)的計(jì)量性能和檢定過程的穩(wěn)定性。流量計(jì)拆卸后重新安裝時(shí), 要采取適當(dāng)?shù)拇胧┍ＷC管道內(nèi)部對(duì)齊, 墊圈不應(yīng)突入管道。溫度計(jì)、壓力表, 溫度、壓力變送器和密度計(jì)應(yīng)安裝在計(jì)量回路下游管段合適的位置。流量調(diào)節(jié)閥應(yīng)位于計(jì)量回路及體積管截?cái)嚅y的下游, 并應(yīng)具有平滑操作的能力, 以防止產(chǎn)生沖擊和波動(dòng)。

  超聲流量計(jì)的電子信號(hào)較弱, 應(yīng)采取適當(dāng)?shù)钠帘未胧┍苊庵車姎庠O(shè)備及線路對(duì)流量計(jì)電子信號(hào)和傳輸電纜產(chǎn)生干擾, 流量計(jì)電子設(shè)備陰極保護(hù)和接地系統(tǒng)應(yīng)能避免對(duì)超聲流量計(jì)信號(hào)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。流量計(jì)電纜護(hù)套、橡膠、塑料和其他無掩蓋的部件應(yīng)具備抵抗紫外線、油脂的能力。另外, 在計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝中還應(yīng)考慮使用中操作、維護(hù)的方便性和后續(xù)升級(jí)改造的可行性。

  該FPSO上原油外輸計(jì)量系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)采用大口徑液超聲流量計(jì)的海上原油貿(mào)易交接計(jì)量系統(tǒng)。通過對(duì)該計(jì)量系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際計(jì)量數(shù)據(jù)和檢定方法進(jìn)行跟蹤研究, 發(fā)現(xiàn)液超聲流量計(jì)的長(zhǎng)期計(jì)量累積數(shù)據(jù)誤差較小, 計(jì)量性能比較穩(wěn)定, 滿足原油貿(mào)易交接計(jì)量準(zhǔn)確度和重復(fù)性要求。另外, 通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)流檢定數(shù)據(jù)驗(yàn)證, 表明標(biāo)準(zhǔn)表+體積管是一種可行的液超聲流量計(jì)檢定方法?？傊? 通過本文的研究, 可以進(jìn)一步掌握液超聲流量計(jì)的性能, 實(shí)際驗(yàn)證目前所采用檢定方法的適用性, 為改進(jìn)液超聲流量計(jì)原油外輸貿(mào)易交接計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝及操作維護(hù)提供依據(jù), 為下一步液超聲流量計(jì)的推廣使用奠定基礎(chǔ)。