海上油田輕質(zhì)原油貿(mào)易交接計量系統(tǒng)設(shè)計

陳迪，朱春麗，尹豐

(中海油研究總院責(zé)任有限公司，北京 100028)

輕質(zhì)原油密度、黏度較低，中國稠油學(xué)術(shù)會議推薦將動力黏度小于20 mPa·s(50 ℃)，相對密度小于0.9 g/cm3(15.6 ℃)的原油劃分為輕質(zhì)原油[1]。鑒于輕質(zhì)原油的物性特點，在計量系統(tǒng)的設(shè)計上需考慮與其物性相匹配的適應(yīng)性。本文以南海某輕質(zhì)油田FPSO貿(mào)易交接計量系統(tǒng)設(shè)計為例，針對流量計選型、計量管路尺寸選擇以及取樣系統(tǒng)形式等設(shè)計要點進行了分析和探討。

該油田所產(chǎn)原油為輕質(zhì)原油，原油密度、黏度等工藝參數(shù)詳見表1所列。

表1 原油物性和工藝參數(shù)

原油經(jīng)FPSO工藝設(shè)施處理合格后儲存，并通過貿(mào)易交接計量后外輸至穿梭油輪銷售。根據(jù)輕質(zhì)原油的劃分原則，該油田原油密度和黏度均很低，屬輕質(zhì)原油，因此其貿(mào)易交接計量系統(tǒng)的設(shè)計完全可以體現(xiàn)出輕質(zhì)原油計量設(shè)計的特點，可以作為分析對象和討論基礎(chǔ)。

1 計量系統(tǒng)總體設(shè)計

計量系統(tǒng)按最大外輸流量4 800 m3/h設(shè)計，計量管路設(shè)計為4路(3用1備)，每路流量為1 600 m3/h， 配置入口隔離閥、過濾消氣器、流量計、控制閥、標定切換閥、單向閥及安全閥等；選用雙向球型體積管實現(xiàn)在線標定，標定流速控制在1.5 m/s以內(nèi)；配置自動取樣系統(tǒng)和注水實驗設(shè)備，用于測量原油含水率和檢定取樣系統(tǒng)。

2 流量計選型分析

目前，可達到貿(mào)易交接計量精度的流量計主要有： 渦輪流量計、容積流量計、超聲波流量計和質(zhì)量流量計，且都適用于輕質(zhì)原油計量工況。具體選型分析如下：

1)超聲波流量計和質(zhì)量流量計。為便于流量計標定，通常海上油田貿(mào)易交接計量系統(tǒng)都會配置在線標定系統(tǒng)。由于目前超聲波流量計和質(zhì)量流量計在線標定的國家規(guī)范還處于探討和試行階段，推薦的標定方法較為復(fù)雜，現(xiàn)場管理和操作不便，因此兩種流量計對于輕質(zhì)原油計量的優(yōu)勢不明顯。

a)超聲波流量計在線標定方式。根據(jù)GB/T 36989—2018《用超聲流量計測量液態(tài)烴流量》規(guī)范內(nèi)容，超聲波流量計與典型機械式流量計相比，使用常規(guī)體積管檢定可能會使重復(fù)性的離散性更大?；诂F(xiàn)場數(shù)據(jù)，超聲波流量計可能需要更大容積的體積管才能使流量計系數(shù)不確定度達到同一指標。由于現(xiàn)場無法提供較大容積的體積管，因此可以采用符合API MPMS 4.5： 2011Mastermeterprovers中要求的標準表法進行超聲波流量計的標定[2]?？紤]到海上油田設(shè)施空間有限及標定穩(wěn)定性等因素，超聲波流量計推薦采用標準表法標定。標定時，由標準體積管先標定標準表，之后再通過標準表進行等精度傳遞標定超聲波流量計，標定流程較為復(fù)雜。由于增加了標準表路(標準表選用其他型式流量計)，導(dǎo)致了撬塊尺寸、質(zhì)量以及投資費用的增加，因此暫不推薦選用。

b)質(zhì)量流量計在線標定方式。質(zhì)量流量計在線標定若采用標準體積管加在線密度計方法，其中密度計的標定需要送至中國計量科學(xué)研究院進行標定，由于送檢耗時較長，不便于現(xiàn)場操作和管理。質(zhì)量流量計在線標定也可采用標準表法，參考JJF 1708—2018《標準表法科里奧利質(zhì)量流量計在線校準規(guī)范》。標準表選用0.05%精度等級的質(zhì)量流量計，由其來標定0.15%精度等級的工作表。標準表法雖可取代體積管等標定方法，進而減少撬塊尺寸和質(zhì)量，但標準表的標定目前只能送至瑞士或荷蘭計量院(采用稱重法，精度0.015%)，送檢操作也較為不便。

考慮到以上因素，輕質(zhì)原油計量暫不推薦選用超聲波流量計和質(zhì)量流量計。

2)渦輪流量計和容積流量計。渦輪流量計和容積流量計的選型分析主要考慮黏度適用性、流量計尺寸及投資費用等方面。

a)黏度適用性。渦輪流量計和容積流量計均可用于輕質(zhì)原油計量，但兩種流量計對黏度的最佳適用范圍有不同的要求。具體的對比分析主要參考API MPMS 5.1： 2011Manualofpetroleummeasurementstandardschapter5-metering中“渦輪流量計和容積流量計選用指導(dǎo)”的內(nèi)容，渦輪流量計和容積流量計在不同黏度和流量下的可用工作區(qū)域如圖1所示[3]。從圖1得知： 渦輪流量計非常適合低黏度的輕質(zhì)原油計量，其最佳工作區(qū)域?qū)?yīng)的動力黏度范圍在3 mPa·s以內(nèi)。隨著流量的增大，渦輪流量計條件適用區(qū)域所對應(yīng)的黏度值有所增大，但需考慮黏度增大導(dǎo)致的量程比降低的影響，如流量測量的下限值會上升，量程比變小，保證滿足測量精度和標定要求。容積流量計適用于黏度較高的輕質(zhì)原油計量，最佳適用的動力黏度范圍在1 mPa·s以上，條件適用的最小動力黏度約為0.1 mPa·s，但容積流量計對低黏度原油的黏度變化敏感度較高。隨著流量的增大，容積流量計的最佳工作區(qū)域?qū)?yīng)的黏度值隨之大幅提升。

圖1 渦輪流量計和容積流量計選用指導(dǎo)示意

b)流量計管路尺寸。根據(jù)外輸流量及流量計量程范圍，渦輪流量計選用量程范圍為280～2 800 m3/h(尺寸12 in)；容積流量計需選用量程范圍為200～2 000 m3/h(尺寸16 in)，由于渦輪流量計流通能力強，因此選型尺寸小，更具有優(yōu)勢。

c)投資費用。由于渦輪流量計尺寸小，且質(zhì)量輕，可減小成撬的尺寸和質(zhì)量，因此比容積流量計在投資費用上更具有優(yōu)勢。

d)案例。該項目中FPSO單路計量流量1 600 m3/h，動力黏度0.6～1.0 mPa·s(35 ℃)，由圖1可知，工作點落在了渦輪流量計最佳工作區(qū)域，因此推薦選用渦輪流量計。

若輕質(zhì)原油的動力黏度增大至20 mPa·s，流量參考本案例1 600 m3/h，工作點將移至渦輪流量計和容積流量計條件適用區(qū)域，此時選型上需進行綜合考慮；如流量繼續(xù)減小，使工作點進入容積流量計最佳工作區(qū)域，那么將推薦采用容積流量計。

由于渦輪流量計的量程比對原油黏度較為敏感，當(dāng)工作點位于條件適用區(qū)域時，在選型上應(yīng)做適用性判斷，可根據(jù)式(1)和表2中所列最小流量值進行修正，式(1)表示的比值不考慮其實際單位和意義。量程比應(yīng)同時滿足外輸計量精度和流量計標定要求，JJG 1037—2008《渦輪流量計》中，對于準確度等級優(yōu)于0.5%的渦輪流量計，標定時需檢定的流量點應(yīng)包括：qVmin， 0.40qVmax和qVmax外，還應(yīng)增加0.25qVmax， 0.70qVmax2個流量點[4]。

(1)

式中： 液體運動黏度單位為mm2/s；流量計尺寸單位為mm(英寸)。

表2 最小流量qVmin

例： 假設(shè)輕質(zhì)原油的密度0.9 g/cm3，動力黏度16.2 mPa·s，換算為運動黏度18 mm2/s，流量按1 600 m3/h計算，流量計選擇300 mm(12 in)，量程范圍280～2 800 m3/h，工作點為最大量程的57%。根據(jù)式(1)計算口徑比值為1.5，對應(yīng)表2的值為0.20qVmax，那么最小流量修正為560 m3/h，量程比縮減為5∶1。根據(jù)計算結(jié)果，外輸流量值仍處在量程比范圍內(nèi)，且滿足流量計標定要求，可以選用。

從以上分析可得出，渦輪流量計使用在黏度值不超過流量計尺寸的工況下，可判斷其滿足使用要求，但不一定處于最佳工作區(qū)域；如黏度值超過流量計尺寸，即口徑比值大于1，需做適用性判斷。對于FPSO外輸計量系統(tǒng)，由于外輸流量較為穩(wěn)定，在適用性判斷上主要考慮流量計標定要求；對于海上平臺外輸計量系統(tǒng)，由于原油外輸輸量逐年變化，在適用性判斷上需要重點關(guān)注量程比問題。

綜上所述，對于輕質(zhì)原油的計量，渦輪流量計更具優(yōu)勢，如油品黏度對其選型沒有影響，推薦選用渦輪流量計。

3 計量管路尺寸選擇

輕質(zhì)原油中輕組分含量較多，原油穩(wěn)定性較差，易燃爆，設(shè)計上需考慮靜電因素。根據(jù)GB 13348—2009《液體石油產(chǎn)品靜電安全規(guī)程》要求，油輪和船舶裝油初速度不應(yīng)大于1 m/s，當(dāng)入口管浸沒后，可提高流速，但不應(yīng)大于7 m/s[5]。

該例中FPSO最大外輸流量為4 800 m3/h，計量流路設(shè)計為4路，每路流量為1 600 m3/h，如選擇口徑為400 mm(16 in)管線，原油流速約為3.5 m/s，可以滿足規(guī)范中小于7 m/s的要求。但采用400 mm管線將使計量管路上的入口隔離閥、過濾消氣器、控制閥、標定切換閥、單向閥等設(shè)備的尺寸一起增大，導(dǎo)致整個計量撬的尺寸和質(zhì)量增加，最終使投資費用增加。

在計量管路尺寸的選擇上可在滿足規(guī)范的前提下，適當(dāng)考慮通過提高原油外輸流速，來減小管線及相關(guān)配套設(shè)備尺寸，進而降低計量系統(tǒng)的投資費用。由于FPSO原油外輸為短時間歇方式，因此提高流速對管線的沖蝕影響可不作為主要因素考慮。該例中如選擇300 mm管線，原油流速約為6.3 m/s，可以滿足規(guī)范要求，同時300 mm管線與流量計尺寸相同，減少了縮擴徑管接件，且相關(guān)配套設(shè)備的選型尺寸也得到了優(yōu)化，最終可降低整個撬塊的費用。

對于連續(xù)外輸計量工況，計量管路尺寸的選擇應(yīng)綜合考慮靜電、管線沖蝕、噪音及投資費用等方面問題，選擇較為合理的方案。

4 自動取樣系統(tǒng)選型

取樣系統(tǒng)選型的核心問題是保證取樣的代表性。根據(jù)API MPMS 8.2： 2015Standardpracticeforautomaticsamplingofliquidpetroleumandpetroleumproducts,水平管道頂部含水體積率c1與水平管道底部含水體積率c2的比值(c1/c2)在0.9～1.0為較好的油水混合狀態(tài)，比值小于0.7為不可信任的油水混合狀態(tài)，取樣的代表性不能證實有效[6]。與中、重質(zhì)原油相比，輕質(zhì)原油由于油品的密度和黏度都較低，與水混合后更容易出現(xiàn)分層，因此增加了取樣系統(tǒng)選型的復(fù)雜性。

通常油水混合方式有靜態(tài)和動態(tài)混合兩種。靜態(tài)混合方式通過彎頭、縮擴徑大小頭、閥門等管接件以及固定在管道內(nèi)的混合元件實現(xiàn)對油、水流態(tài)的改變，從而達到混合的效果；動態(tài)混合方式利用外部動力設(shè)備產(chǎn)生的能量，打散管道內(nèi)的油水，達到混合的目的。

油水達到充分混合所需的最低分散能量Er可由以下公式求得[6]，混合元件若能提供高于Er的能量，則可保證油水充分混合。對于輕質(zhì)原油，由于油、水容易分層，因此所需的Er會相應(yīng)增加；不同密度和黏度的輕質(zhì)原油的Er值差別也較大，這些都會導(dǎo)致混合元件選型的不同，因此需要進行適用性分析。

(2)

(3)

(4)

式中：ρd——水的密度，kg/m3；ρ——原油密度，kg/m3；w——水滴沉降速率，m/s；ε——湍流特性；G——分散系數(shù)，參見表3所列；u——流體流速，m/s；D——管道直徑，m；ν——運動黏度，mm2/s。

表3 分散系數(shù)

該案例中，輕質(zhì)原油密度為750 kg/m3，動力黏度為1 mPa·s(運動黏度1.33 mm2/s)，外輸流量4 800 m3/h，外輸總管徑為750 mm(30 in)，流體流速3 m/s，取樣點在外輸水平直管段處。c1/c2取0.9，對應(yīng)G值為10，水的密度為1 025 kg/m3：

w=17.75×10-3/10=1.775×10-3(m/s)

若輕質(zhì)原油密度按900 kg/m3，動力黏度按20 mPa·s(運動黏度22.22 mm2/s)，其他參數(shù)不變，計算得出Er′=1.43 W/kg。

從計算中可得出，原油的密度和黏度對分散能量計算值的影響較大，相應(yīng)地也會導(dǎo)致混合元件選型的不同。下面是3種典型的可選方式，通過計算選擇合適的形式。

4.1 噴嘴加混合泵

噴嘴加混合泵形式為動態(tài)混合方式，設(shè)備安裝在管道外部，通過將管道內(nèi)的流體吸入泵中增壓后由噴嘴重新注入管道，以該能量來打散油水，實現(xiàn)混合。根據(jù)式(5)計算[7]：

(5)

式中：uj——流體在噴嘴處流速，m/s；φ——噴嘴直徑，m。

假設(shè)uj取5.5 m/s，噴嘴直徑φ為25 mm(1 in)，混合泵流量為10 m3/h：

E噴>Er可以滿足混合要求，實際應(yīng)用中，還需考慮噴嘴布置位置及噴射方向，以達到較好的混合效果。

4.2 孔板元件

孔板元件固定在管道內(nèi)，通過節(jié)流來改變油水分布，達到混合目的，屬于靜態(tài)混合方式。根據(jù)式(6)～(8)計算：

(6)

(7)

(8)

式中：K——阻力系數(shù)；u孔——流體在孔板節(jié)流處流速，m/s；ΔX——分散距離，m；Δp——壓降，Pa；γ——最小與最大管徑比值。

當(dāng)γ取0.66，ΔX取10D，則：

E孔>Er可以滿足混合要求，但Δp過大，使得整個計量系統(tǒng)的壓損不能控制在200 kPa之內(nèi)，因此采用孔板元件并不合適。

對于密度900 kg/m3，動力黏度20 mPa·s的輕質(zhì)原油，當(dāng)γ取0.85時：

E孔′>Er′可以滿足混合要求，且Δp也很合適，相比于動態(tài)混合方式，采用孔板元件的靜態(tài)混合方式方案簡單，投資費用低，在此工況下應(yīng)被推薦采用。

4.3 管件彎頭

在管線上利用4個管件彎頭組合的管路設(shè)計，來改變物流流態(tài)而達到混合的目的。根據(jù)式(9)～(10)計算如下：

E彎=βE0

(9)

E0=0.005ν0.25D-1.25u2.75

(10)

式中：β——元件的分散能量特性參數(shù)；E0——水平直管段的分散能量。

E0=0.005×1.330.25×0.75-1.25×32.75=
0.157(W/kg)

彎頭的半徑與管徑比值取1，數(shù)量為4個，因此β值在規(guī)范中查表可知為2.2，因此,E彎=0.35 W/kg。

E彎

4.4 結(jié) 論

通過以上計算可看出，油水混合的核心問題在于分散能量。分散能量的獲取可通過兩種途徑：

1)由管路系統(tǒng)本身提供。將節(jié)流元件產(chǎn)生的壓損轉(zhuǎn)化為打散油水的能量，該方式相當(dāng)于在系統(tǒng)內(nèi)部挖掘能量，挖掘的能量越多，產(chǎn)生的壓損越大，因該靜態(tài)混合方式較適用于密度和黏度較高的輕質(zhì)原油工況。

2)由外部設(shè)備提供。利用外部設(shè)備產(chǎn)生的能量來打散油水，該方式相當(dāng)于向管路系統(tǒng)注入能量，管路系統(tǒng)本身的能量不受損失，因此壓損很小，可忽略不計。同時，該方式可以提供較高的分散能量，因此動態(tài)混合方式較適用于黏度和密度較低的輕質(zhì)原油工況。

5 結(jié)束語

本文主要從三個方面對輕質(zhì)原油貿(mào)易交接計量系統(tǒng)的設(shè)計進行了分析和探討，從中可總結(jié)出一些設(shè)計思路和推薦做法：

1)流量計選型。對于外輸流量大且油品黏度值小于流量計尺寸的輕質(zhì)原油，選型上推薦渦輪流量計，動力黏度值若在3 mPa·s以下，渦輪流量計基本可處于最佳工作區(qū)域。當(dāng)油品黏度值大于流量計尺寸時，選型上需對渦輪流量計進行適用性分析。對于外輸流量小，且油品黏度較高的輕質(zhì)原油，可考慮選用容積式流量計。

2)計量管路尺寸選擇。在滿足國家規(guī)范要求的前提下，可適當(dāng)提高管路設(shè)計流速，減小管路設(shè)計尺寸，從而降低整個計量撬的投資費用。

3)自動取樣系統(tǒng)選型。對于密度和黏度較小的輕質(zhì)原油，由于油水較易分層，推薦選用動態(tài)混合方式；隨著密度和黏度的升高，可考慮選用靜態(tài)混合方式，但需關(guān)注壓損影響。