液體超聲波流量計(jì)在FPSO上的實(shí)流標(biāo)定

張 穎，孫 欽，孫 婧

(中海油研究總院，北京 100028)

液體超聲波流量計(jì)在FPSO上的實(shí)流標(biāo)定

張 穎，孫 欽，孫 婧

(中海油研究總院，北京 100028)

液體超聲波流量計(jì)(簡(jiǎn)稱液超)在大口徑管道計(jì)量中有突出的優(yōu)勢(shì)，但實(shí)流標(biāo)定方法復(fù)雜是其用于外輸計(jì)量的瓶頸。南海某油田在國(guó)內(nèi)首次將液超應(yīng)用于浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置(FPSO)貿(mào)易交接計(jì)量。通過(guò)分析液超測(cè)量原理及檢測(cè)特性，對(duì)其標(biāo)定方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，在國(guó)內(nèi)首次嘗試采用體積管直接標(biāo)定液超。通過(guò)對(duì)比分析體積管與標(biāo)準(zhǔn)表標(biāo)定結(jié)果，得出結(jié)論——增大體積管體積及采用多次連續(xù)標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)可有效解決體積管直接標(biāo)定液超問(wèn)題。對(duì)液超在海上平臺(tái)的后續(xù)應(yīng)用有重要意義。

液體超聲波流量計(jì)；浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置(FPSO)；實(shí)流標(biāo)定；體積管

0 引 言

原油貿(mào)易交接計(jì)量是原油貿(mào)易的重要環(huán)節(jié)，通過(guò)測(cè)算標(biāo)準(zhǔn)條件下貿(mào)易結(jié)算的不含水原油數(shù)量，得出原油價(jià)格相關(guān)參數(shù)，直接影響交接雙方的經(jīng)濟(jì)效益[1]。目前，國(guó)內(nèi)海上原油貿(mào)易交接計(jì)量中常用的流量計(jì)主要有容積式、渦輪式及質(zhì)量流量計(jì)，但容積式流量計(jì)體積龐大、壓損大，渦輪流量計(jì)對(duì)黏度敏感、不能長(zhǎng)期保持校準(zhǔn)特性，質(zhì)量流量計(jì)價(jià)格昂貴、零點(diǎn)不穩(wěn)定。液體超聲波流量計(jì)(液超，UFM)通過(guò)非干擾性介入測(cè)量方式，保證流量測(cè)量的同時(shí)維持流體的完整性，解決了常用流量計(jì)的缺點(diǎn)，且其內(nèi)部無(wú)可動(dòng)部件，采購(gòu)建造和后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本低，非常適合海上平臺(tái)的應(yīng)用[2]。

根據(jù)我國(guó)計(jì)量法律和法規(guī)，原油貿(mào)易計(jì)量屬于依法強(qiáng)制管理的范疇，計(jì)量器具必須符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并按規(guī)程進(jìn)行標(biāo)定[3]。液超測(cè)量具有滯后性，并且對(duì)流量擾動(dòng)敏感，這使液超的實(shí)流標(biāo)定成為一大難點(diǎn)。目前液超常用的標(biāo)定方式為標(biāo)準(zhǔn)表法，采用經(jīng)過(guò)標(biāo)定、滿足要求的標(biāo)準(zhǔn)表標(biāo)定液超，過(guò)程較繁瑣，耗時(shí)長(zhǎng)，且標(biāo)準(zhǔn)表的加入不利于降低成本。體積管標(biāo)定液超操作簡(jiǎn)便，但應(yīng)用案例較少，且標(biāo)定球往復(fù)運(yùn)動(dòng)易引起流量擾動(dòng)，不利于穩(wěn)定。本文從實(shí)際出發(fā)，對(duì)南海某浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置(FPSO)貿(mào)易交接級(jí)液超流量計(jì)[4]的標(biāo)定系統(tǒng)流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，在國(guó)內(nèi)首次嘗試采用體積管標(biāo)定液超，并對(duì)比分析體積管與標(biāo)準(zhǔn)表實(shí)流標(biāo)定數(shù)據(jù)，得出影響體積管標(biāo)定液超效果的主要因素。研究結(jié)果對(duì)液超在貿(mào)易交接計(jì)量中的的應(yīng)用有重要的指導(dǎo)意義。

1 液超特性分析

時(shí)間差法超聲波流量計(jì)通過(guò)測(cè)量聲波在流動(dòng)介質(zhì)中順流傳播和逆流傳播的時(shí)間差計(jì)算得到流量大小[5]。聲波在流體中的實(shí)際傳播速度由介質(zhì)靜止?fàn)顟B(tài)下聲波的傳播速度c和流體軸向平均速度Vm在聲波傳播方向上的分量組成，如圖1所示。

圖1 超聲波流量計(jì)測(cè)量原理Fig.1 Principle of ultrasonic flowmeters

順流和逆流傳播時(shí)間與各量之間的關(guān)系為

(1)

(2)

式中：tA→B為超聲波順流(即從換能器A到換能器B)傳播時(shí)間；tB→A為超聲波逆流(即從換能器B到換能器A)傳播時(shí)間；L為聲道長(zhǎng)度；c為聲波在流體中的傳播速度；Vm為流體軸向平均速度；Φ為聲道角，即超聲波傳播方向與流體流動(dòng)方向的夾角。

聯(lián)立兩式，得到流體平均速度：

(3)

由式(3)得流體直徑方向平均線速度，而流動(dòng)橫截面上的平均面速度(即流量)可按下式計(jì)算：

(4)

管道內(nèi)流體的有效橫截面積與雷諾數(shù)大小相關(guān)[6]，當(dāng)雷諾數(shù)較低時(shí)，慣性力受黏性力約束，流體形狀圓潤(rùn)，有效橫截面積較??；隨著雷諾數(shù)的增大，速度分布曲線頂部變得廣闊而平坦，有效橫截面積增大，如圖2所示。

圖2 管道內(nèi)流體有效橫截面積與雷諾數(shù)關(guān)系Fig.2 Flow profile with Reynolds number

流體雷諾數(shù)大小影響管道內(nèi)流體有效橫截面積，進(jìn)而影響流量的計(jì)算。但若流體物性變化不大，通常認(rèn)為有效橫截面積不變。因此定期對(duì)流量計(jì)進(jìn)行實(shí)液標(biāo)定，用計(jì)算得到的儀表系數(shù)對(duì)流量計(jì)示數(shù)進(jìn)行修正，可消除物性變化對(duì)流量計(jì)算的影響[7]。

2 某FPSO液超標(biāo)定分析

2.1 標(biāo)定方案設(shè)計(jì)

中國(guó)南海某油田新建15萬(wàn)噸級(jí)FPSO，外輸合格原油密度835 kg/m3，最大外輸速率5 400 m3/h，結(jié)合原油黏度、外輸壓降要求等條件，最終選用液體超聲波流量計(jì)進(jìn)行外輸計(jì)量。

參與貿(mào)易結(jié)算的流量計(jì)需定期標(biāo)定以保證計(jì)量準(zhǔn)確性。一般流量計(jì)常用的標(biāo)定裝置主要有球形體積管、活塞式體積管和標(biāo)準(zhǔn)表。標(biāo)定過(guò)程中將被檢流量計(jì)與標(biāo)定裝置串聯(lián)，用體積管的標(biāo)準(zhǔn)體積(或已知精度的標(biāo)準(zhǔn)表)來(lái)認(rèn)證被檢流量計(jì)的精度。各標(biāo)定裝置對(duì)比如表1所示。

表1 標(biāo)定裝置比較

活塞式體積管以活塞為置換器，標(biāo)準(zhǔn)體積小，活塞運(yùn)動(dòng)速度大，流量擾動(dòng)大，不利于液超標(biāo)定。目前國(guó)內(nèi)外液超標(biāo)定多采用標(biāo)準(zhǔn)表法[8]，將標(biāo)準(zhǔn)表和被標(biāo)定流量計(jì)串聯(lián)，用已知精度的標(biāo)準(zhǔn)表認(rèn)證被標(biāo)定流量計(jì)。標(biāo)定過(guò)程中無(wú)置換器，流量擾動(dòng)小，標(biāo)定效果穩(wěn)定。但標(biāo)準(zhǔn)表法標(biāo)定過(guò)程繁瑣，需先標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)表，再用標(biāo)準(zhǔn)表標(biāo)定液超，標(biāo)準(zhǔn)表的性能會(huì)影響標(biāo)定結(jié)果，且標(biāo)準(zhǔn)表的加入不利于降低成本。本次標(biāo)定設(shè)計(jì)中嘗試采用雙向體積管標(biāo)定液超，為保證效果加入渦輪標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行輔助，若成功應(yīng)用則可在今后的設(shè)計(jì)中省去標(biāo)準(zhǔn)表。標(biāo)定流程設(shè)計(jì)如圖3所示。外輸流體分為4路，過(guò)濾后經(jīng)液超計(jì)量并行外輸。體積管標(biāo)定液超時(shí)，流量經(jīng)被標(biāo)定流量計(jì)后直接流經(jīng)體積管標(biāo)定后外輸；標(biāo)準(zhǔn)表法標(biāo)定時(shí)，先用體積管標(biāo)定渦輪主表，再將被標(biāo)定流量計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)表串聯(lián)，進(jìn)行標(biāo)定。未被標(biāo)定的液超正常外輸。

體積管標(biāo)定液超流程如圖4所示。標(biāo)定系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)體積管、標(biāo)定球、檢測(cè)開(kāi)關(guān)、換向閥、標(biāo)定計(jì)算機(jī)、溫壓傳感器及管線閥門(mén)組成。流量計(jì)和體積管串聯(lián)，流體經(jīng)流量計(jì)、換向閥后進(jìn)入體積管。當(dāng)標(biāo)定球通過(guò)第一個(gè)檢測(cè)開(kāi)關(guān)時(shí)，脈沖計(jì)數(shù)器啟動(dòng)計(jì)數(shù)，開(kāi)始標(biāo)定體積。當(dāng)標(biāo)定球通過(guò)第二個(gè)檢測(cè)開(kāi)關(guān)時(shí)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。流體由四向閥外輸。四向閥完成換向后，流體反向推動(dòng)標(biāo)定球通過(guò)兩個(gè)檢測(cè)開(kāi)關(guān)。完成單次標(biāo)定過(guò)程。

每臺(tái)流量計(jì)根據(jù)油輪常用外輸數(shù)據(jù)設(shè)定了5個(gè)流量標(biāo)定點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，分別為：300，700，1000，1300，1600 m3/h。在每個(gè)流量點(diǎn)處分別用兩種方法進(jìn)行標(biāo)定，共分4個(gè)步驟：(1)用標(biāo)準(zhǔn)體積管標(biāo)定主表；(2)用主表標(biāo)定超聲波流量計(jì)；(3)用體積管直接標(biāo)定超聲波流量計(jì)；(4)用體積管標(biāo)定主表驗(yàn)證主表的復(fù)現(xiàn)性。

圖3 原油外輸計(jì)量標(biāo)定流程圖Fig.3 Process flow diagram of crude oil custody transfer

圖4 標(biāo)準(zhǔn)體積管標(biāo)定系統(tǒng)流程圖Fig.4 Process flow diagram of the proving system

2.2 標(biāo)定結(jié)果分析

根據(jù)美國(guó)石油學(xué)會(huì)(API) MPMS規(guī)范要求，外輸計(jì)量?jī)x表標(biāo)定時(shí)須達(dá)到0.027%的不確定度，對(duì)應(yīng)的重復(fù)性要求根據(jù)下式計(jì)算得到：

(5)

式中：a(MF)為流量計(jì)不確定度;t(95,n-1)為95%置信區(qū)間，自由度為n-1的學(xué)生分布系數(shù)，w(n)為標(biāo)定數(shù)據(jù)范圍，即最大值減去最小值；n為流量計(jì)標(biāo)定次數(shù)；D(n)為變換系數(shù)。

計(jì)算結(jié)果如表2所示。標(biāo)定按照連續(xù)5次操作重復(fù)性是否小于0.05%進(jìn)行評(píng)價(jià)，重復(fù)性按照下式進(jìn)行計(jì)算：

(6)

式中：R為重復(fù)性；Fmax和Fmin分別表示最大值和最小值。

前兩臺(tái)流量計(jì)標(biāo)定結(jié)果如圖5和圖6所示，在重復(fù)性要求(三角形標(biāo)識(shí))之下的測(cè)量數(shù)據(jù)均為合格數(shù)據(jù)。由此看出，標(biāo)準(zhǔn)表法標(biāo)定結(jié)果穩(wěn)定，各流量點(diǎn)液超儀表系數(shù)重復(fù)性均在萬(wàn)分之五以內(nèi)，滿足API要求。而體積管直接標(biāo)定液超，流量較小時(shí)結(jié)果穩(wěn)定，隨著流量的增大，MF系數(shù)無(wú)法全部達(dá)到0.05%的重復(fù)性要求。

表2 不確定度0.027%下的液超標(biāo)定次數(shù)與重復(fù)性要求

圖5 液體超聲波流量計(jì)A標(biāo)定結(jié)果Fig.5 Proving data of flowmeter A

圖6 液體超聲波流量計(jì)B標(biāo)定結(jié)果Fig.6 Proving data of flowmeter B

分析原因，超聲波流量計(jì)通過(guò)智能電子元件高頻測(cè)量超聲波傳輸時(shí)間差，并通過(guò)采樣多次瞬時(shí)測(cè)量結(jié)果計(jì)算得到平均流速，輸出脈沖信號(hào)，因此輸出的測(cè)量信息滯后于流量特性[9]。同時(shí)液超測(cè)量各聲道瞬時(shí)流速，不僅觀測(cè)到主軸向速度，也實(shí)時(shí)觀測(cè)到由于阻力、擾動(dòng)產(chǎn)生的分流現(xiàn)象，包括瞬時(shí)流態(tài)、旋渦等，導(dǎo)致液超測(cè)量數(shù)據(jù)分散分布，脈沖輸出不均勻[10]。

流量計(jì)的重復(fù)性等同于脈沖輸出數(shù)量的重復(fù)性，標(biāo)定過(guò)程中需測(cè)量代表流經(jīng)兩個(gè)檢測(cè)開(kāi)關(guān)之間的流體體積的脈沖數(shù)量。脈沖測(cè)量的滯后性導(dǎo)致參與計(jì)數(shù)的一些脈沖實(shí)際上發(fā)生在檢測(cè)開(kāi)關(guān)被觸發(fā)之前，同時(shí)由于脈沖的不規(guī)律輸出導(dǎo)致標(biāo)定過(guò)程對(duì)標(biāo)定球通過(guò)檢測(cè)開(kāi)關(guān)前后的流量波動(dòng)十分敏感。相比標(biāo)準(zhǔn)表法，體積管直接標(biāo)定液超造成流量和壓力擾動(dòng)的因素更多，如標(biāo)定球發(fā)射或四向閥換向等，因此體積管直接標(biāo)定效果略遜于標(biāo)準(zhǔn)表法。

2.3 體積管標(biāo)定液超影響因素分析

根據(jù)前述分析，液超測(cè)量過(guò)程中脈沖輸出具有滯后性及不規(guī)則性，由此導(dǎo)致體積管直接標(biāo)定效果不穩(wěn)定。通過(guò)進(jìn)一步分析，得到標(biāo)定過(guò)程中影響標(biāo)定效果的兩個(gè)重要因素：標(biāo)定體積和標(biāo)定次數(shù)。

2.3.1標(biāo)定體積

液超脈沖輸出的滯后性及不規(guī)則性導(dǎo)致流量計(jì)需要更多的脈沖數(shù)量來(lái)達(dá)到重復(fù)性要求[11]。標(biāo)定體積越大，單次標(biāo)定產(chǎn)生的脈沖數(shù)量越多，脈沖不規(guī)則性對(duì)重復(fù)性的影響就越小。同時(shí)增大標(biāo)定體積，也可降低脈沖滯后性的影響。對(duì)比兩種標(biāo)定方法，體積管標(biāo)定體積為10m3，而標(biāo)準(zhǔn)表標(biāo)定時(shí)，渦輪流量計(jì)K系數(shù)需滿足萬(wàn)分之一的誤差，即標(biāo)定體積為

對(duì)比可得，標(biāo)準(zhǔn)表法的標(biāo)定體積遠(yuǎn)大于體積管的標(biāo)定體積，因此分析標(biāo)定效果由于體積增大而變好。由于實(shí)液標(biāo)定的復(fù)雜性，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證不同標(biāo)定體積下的標(biāo)定結(jié)果不太可行。美國(guó)賓夕法尼亞州格林斯堡對(duì)丙烷外輸液超做的一個(gè)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)[12]驗(yàn)證了這一猜測(cè)，如圖7所示。隨著體積管標(biāo)定體積的增大，標(biāo)定數(shù)據(jù)的分散度越來(lái)越小，重復(fù)性也越來(lái)越小。因此增大標(biāo)定體積是解決液超標(biāo)定不穩(wěn)定的一個(gè)辦法。表3為API中液超標(biāo)定體積管容積推薦值[13]。但海上平臺(tái)空間有限，標(biāo)定所需的體積管容積較大，因此會(huì)受到一定限制。

圖7 標(biāo)定體積與重復(fù)性之間的關(guān)系Fig.7 Repeatability versus proving volume

注：1英寸=2.54 cm。

2.3.2標(biāo)定次數(shù)

超聲波流量計(jì)測(cè)量過(guò)程中將觀測(cè)到的軸向速度與非軸向速度進(jìn)行了實(shí)時(shí)合并，因此測(cè)量數(shù)據(jù)分散，脈沖輸出不均勻。這種分散是隨機(jī)的，數(shù)據(jù)均勻地分布在流量平均值周圍。因此增加標(biāo)定測(cè)量次數(shù)，可以降低數(shù)據(jù)分散帶來(lái)的不確定性。表3中5次標(biāo)定重復(fù)性達(dá)到0.05%和10次標(biāo)定重復(fù)性達(dá)到0.12%所需體積管容積值相差懸殊。又知儀表系數(shù)滿足表2重復(fù)性要求即能保證流量計(jì)達(dá)到0.027%的不確定度。因此適當(dāng)增加操作次數(shù)可降低液超標(biāo)定所需的體積管容積，即在相同的標(biāo)定體積下，標(biāo)定次數(shù)越多越容易達(dá)到重復(fù)性要求。文獻(xiàn)[11]中圖4的例子也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。而在本次實(shí)液標(biāo)定中，流量計(jì)A在1000m3/h的標(biāo)定數(shù)據(jù)如表4所示，5次標(biāo)定重復(fù)性不滿足要求，但6次標(biāo)定重復(fù)性為0.0512%<0.06%，滿足標(biāo)準(zhǔn)；流量計(jì)B在700m3/h時(shí)用體積管共標(biāo)定了10次，如表5所示，計(jì)算得連續(xù)5次標(biāo)定重復(fù)性為0.057594%>0.05%，不滿足要求，但連續(xù)10次標(biāo)定重復(fù)性為0.1039%<0.12%，滿足要求。因此，考慮到超聲波流量計(jì)對(duì)擾動(dòng)的敏感性以及數(shù)據(jù)的分散性，在標(biāo)定時(shí)可適當(dāng)采用多次結(jié)果進(jìn)行計(jì)算。

表4 流量計(jì)A在1 000 m3/h時(shí)用體積管標(biāo)定結(jié)果

表5 流量計(jì)B在700 m3/h時(shí)用體積管標(biāo)定結(jié)果

綜上所述，用體積管標(biāo)定液超時(shí)，增大體積管標(biāo)定體積以及采用多次連續(xù)標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行計(jì)算都是直接標(biāo)定的有效途徑。

3 結(jié) 語(yǔ)

在海上原油貿(mào)易交接計(jì)量系統(tǒng)中，液體超聲波流量計(jì)與傳統(tǒng)流量計(jì)如容積式、渦輪式和質(zhì)量流量計(jì)相比具有諸多優(yōu)點(diǎn)，尺寸小，重量輕，維護(hù)、運(yùn)營(yíng)成本低，非常適合用于大流量原油貿(mào)易計(jì)量。但海上平臺(tái)空間有限，體積管體積受到限制，并且FPSO容易受風(fēng)浪影響產(chǎn)生晃動(dòng)，因此標(biāo)準(zhǔn)表法標(biāo)定更為穩(wěn)妥。采用體積管直接標(biāo)定時(shí)，需嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算體積管尺寸。此外，增加標(biāo)定次數(shù)，采取多次標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)有利于達(dá)到重復(fù)性要求，但需要更多的實(shí)流標(biāo)定數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證其可靠性。

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ProvingofLiquidUltrasonicFlowmetersonFPSO

ZHANG Ying, SUN Qin, SUN Jing

(CNOOC Research Institute, Beijing 100028, China)

Liquid ultrasonic flowmeters have outstanding advantages in large flow rate measurement, but its proving is much more complex than other flowmeters, which limits its application. Four ultrasonic flowmeters were first used in the custody transfer system on FPSO in the South China Sea. We analyze the principle and features of ultrasonic flowmeters, and then design the proving scheme. We attempt to use pipe prover to prove ultrasonic flowmeters for the first time in China. By contrasting pipe prover and master meter proving data, we can draw a conclusion that increasing the standard volume of pipe prover and evaluating the meters with more proving runs can help to solve the proving problem of pipe prover, which is relevant for the other similar upcoming projects.

liquid ultrasonic flowmeter; floating production, storage and offloading system (FPSO); proving; pipe prover

2016-03-18

張穎(1990—)，女，碩士研究生，主要從事海洋石油平臺(tái)儀控設(shè)計(jì)。

TH814+.92

A

2095-7297(2016)02-0099-06