皮托管流量計(jì)在海洋平臺(tái)天然氣計(jì)量中的應(yīng)用

劉健

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

皮托管流量計(jì)是1根彎成直角的雙層空心復(fù)臺(tái)管，帶有多個(gè)取壓孔，能同時(shí)測(cè)量流體總壓和靜壓力，與差壓變送器、流量計(jì)算機(jī)等配套使用，在石油化工、冶金、電力、輕紡等行業(yè)被廣泛使用，對(duì)氣體、液體、蒸汽、水、風(fēng)等流體都可實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量。

1 皮托管流量計(jì)簡(jiǎn)介

1.1 工作原理

皮托管流量計(jì)的測(cè)量原理主要是利用皮托管測(cè)量壓力，再應(yīng)用伯努利定理算出流體的速度。流體在皮托管迎風(fēng)面產(chǎn)生一個(gè)高壓分布區(qū)，高壓分布區(qū)的壓力略高于管道的靜壓；在皮托管背風(fēng)面產(chǎn)生一個(gè)低壓分布區(qū)，低壓分布區(qū)的壓力略低于管道的靜壓。迎風(fēng)面取壓孔為高壓取壓孔，取壓為p1，背風(fēng)面取壓孔為低壓取壓孔，取壓為p2，兩者之間的壓力差稱為差壓Δp，由差壓傳感器進(jìn)行測(cè)量。Δp的平方根與管道內(nèi)流體流速成線性關(guān)系，結(jié)合實(shí)時(shí)采集的被測(cè)介質(zhì)的溫度、壓力可以推算出流體的實(shí)時(shí)流速，再通過(guò)溫度、壓力補(bǔ)償可以換算為標(biāo)況下的體積流量，計(jì)算如式(1)～式(3)所示：

Δp=p1-p2

(1)

(3)

式中：v——管道中被測(cè)介質(zhì)流速；K——傳感器修正系數(shù)；ρ——被測(cè)介質(zhì)密度；qV——介質(zhì)體積流量，S——管道截面積。

1.2 性能特點(diǎn)

皮托管流量計(jì)具有以下特點(diǎn)：

1)同時(shí)測(cè)量并顯示管道內(nèi)介質(zhì)的標(biāo)況流量、工況流量、流速、壓力、溫度以及周?chē)h(huán)境大氣壓等多種參數(shù)。

2)壓損小，體積小，價(jià)格低廉。

3)適用于中、大管徑管道的流量測(cè)量。

4)能夠支持雙向測(cè)量，并具有指示流向功能，方便現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)流體流動(dòng)方向。

5)具有可以實(shí)時(shí)保存、刪除測(cè)量數(shù)據(jù)的功能。

6)不需要專門(mén)的測(cè)量工藝與裝備，現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)能力強(qiáng)。

7)測(cè)量準(zhǔn)確度高，流量測(cè)量精度不低于2級(jí)。

1.3 安裝要點(diǎn)

皮托管流量計(jì)的安裝要點(diǎn)如下：

1)選擇直管段足夠的位置并開(kāi)孔。

2)開(kāi)孔完成后，焊接基座并在插入管道前檢查傳感器的插入尺寸。

3)填料函密封裝置與球閥連接鎖緊，將傳感器插入填料函內(nèi)，打開(kāi)球閥，將傳感器插入球閥至管道中心。

4)安裝差壓變送器，按順序打開(kāi)截止閥，再?gòu)氐浊謇砉艿纼?nèi)焊渣和污物。

5)連接差壓變送器與導(dǎo)壓管。

6)連接溫、壓變送器等儀表信號(hào)線到流量計(jì)算機(jī)或中心控制系統(tǒng)。

2 在海洋平臺(tái)天然氣計(jì)量中的應(yīng)用

2.1 工藝管線流程

某海上石油平臺(tái)需要對(duì)生產(chǎn)分離器氣相出口的天然氣進(jìn)行計(jì)量，計(jì)量流程如圖1所示。該平臺(tái)前期投產(chǎn)后采用氣體超聲波流量計(jì)實(shí)現(xiàn)流量計(jì)量，隨著生產(chǎn)時(shí)間的推移，流量計(jì)變送器表頭出現(xiàn)積液故障報(bào)警，流量計(jì)量正負(fù)波動(dòng)大的問(wèn)題。由于工藝配管設(shè)計(jì)時(shí)將該流量計(jì)布置在下游管線低點(diǎn)位置，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)員推測(cè)分離器氣相出口天然氣在管線中逐漸出現(xiàn)積液堵塞，導(dǎo)致氣體超聲波探針浸沒(méi)液體中出現(xiàn)計(jì)量偏差，無(wú)法正常工作。

圖1 生產(chǎn)分離器氣相出口天然氣計(jì)量流程示意

2.2 問(wèn)題排查

為驗(yàn)證上述推測(cè)的真實(shí)原因，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)員將氣體超聲波流量計(jì)進(jìn)行旁通處理，并拆卸，發(fā)現(xiàn)有大量積液流出。積液清除后，重新調(diào)整了該流量計(jì)傳感器探針安裝角度，并排查了接線、中控溫壓補(bǔ)償換算公式以及核對(duì)儀表量程，然后關(guān)閉旁通流程，恢復(fù)正常計(jì)量。但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的正常生產(chǎn)，該流量計(jì)變送器表頭繼續(xù)出現(xiàn)積液故障報(bào)警，從而驗(yàn)證了故障推測(cè)的準(zhǔn)確性。

2.3 替代方案比選

為快速解決現(xiàn)場(chǎng)氣體超聲波流量計(jì)無(wú)法正常計(jì)量問(wèn)題，保障海上平臺(tái)正常生產(chǎn)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，比對(duì)海上石油平臺(tái)各種常用的氣體計(jì)量流量計(jì)特點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合流量計(jì)生產(chǎn)周期、運(yùn)輸以及價(jià)格等綜合因素，最終確定采用皮托管流量計(jì)的替代為最優(yōu)的可行方案，海洋平臺(tái)常用氣體計(jì)量流量計(jì)對(duì)比見(jiàn)表1所列，皮托管流量計(jì)與氣體超聲波流量計(jì)的比較見(jiàn)表2所列。

2.4 皮托管流量計(jì)技術(shù)方案

采用相同管段長(zhǎng)度的皮托管流量計(jì)進(jìn)行替代，詳細(xì)技術(shù)方案如下：

1)采用雙相鋼材質(zhì)皮托管流量計(jì)，上下游管線已滿足前10D后5D直管段要求。傳感器開(kāi)孔設(shè)置在迎流方向管道直徑約33%處，傳感器探頭前部形成高壓區(qū)，在高壓區(qū)處形成不規(guī)則渦流，單質(zhì)硫析出只能一少部分粘附在傳感器內(nèi)，不影響對(duì)流量的測(cè)量。傳感器的獨(dú)特結(jié)構(gòu)不易受磨損、雜質(zhì)的影響，沒(méi)有可以活動(dòng)的部件。

表1 海洋平臺(tái)常用氣體計(jì)量流量計(jì)對(duì)比

表2 皮托管流量計(jì)與氣體超聲波流量計(jì)比較

2)為消除因流量計(jì)處于上下游管線低點(diǎn)位置導(dǎo)致積液干擾問(wèn)題，一方面在流量計(jì)下游管線上增加低點(diǎn)排液閥，定期排放凝析液，以確保被測(cè)天然氣流體相態(tài)穩(wěn)定，流量計(jì)穩(wěn)定運(yùn)行；另一方面生產(chǎn)作業(yè)人員可根據(jù)凝析液的析出周期與數(shù)量，將皮托管流量計(jì)本體上預(yù)留的溫壓補(bǔ)償傳感器更換為差壓傳感器，差壓傳感器測(cè)量出管道底部凝析液的上下壓差從而得出管道內(nèi)天然氣流通時(shí)的液位高度，液位數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至皮托管流量計(jì)算機(jī)電子液位修正模塊，在天然氣計(jì)量過(guò)程中修正管道實(shí)流截面，從而確保氣體準(zhǔn)確測(cè)量。沒(méi)有液體凝結(jié)時(shí)，直接顯示天然氣的流量測(cè)量值。

3)采用雙相鋼材質(zhì)的防爆差壓、壓力與溫度變送器，電子信號(hào)傳輸至流量計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)溫壓補(bǔ)償換算。

4)流量計(jì)算機(jī)安裝于現(xiàn)場(chǎng)防爆接線箱內(nèi)，接線箱防護(hù)等級(jí)為IP66，防爆等級(jí)為Ex d IIC T4，材質(zhì)為316LSS，滿足現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)區(qū)環(huán)境布置。流量計(jì)算機(jī)以32位ARM微處理器為核心，配置高速數(shù)/模轉(zhuǎn)換單元與大容量存儲(chǔ)器，采用多重保護(hù)與隔離設(shè)計(jì)，抗電磁干擾性強(qiáng)。流量計(jì)算機(jī)要求實(shí)現(xiàn)斷電時(shí)數(shù)據(jù)可記憶功能。

5)皮托管流量計(jì)管段本體長(zhǎng)度與原氣體超聲波流量計(jì)一致，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫安裝，殼體材質(zhì)選用雙相鋼，滿足防腐要求。

2.5 安裝方案

為避免因出現(xiàn)含沙或含雜質(zhì)多導(dǎo)致皮托管流量計(jì)傳感器被堵塞而造成計(jì)量精度出現(xiàn)偏差，傳感器結(jié)構(gòu)形式采用獨(dú)特的防堵設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)與流量計(jì)廠家技術(shù)員論證，采用開(kāi)放式V字型的斜面能夠有效地防堵，傳感器自上而下插入安裝，從而避免天然氣內(nèi)的雜質(zhì)在取樣口位置形成堆積，即使有一部分雜質(zhì)受傳感器的阻擋，也會(huì)在重力的作用下從V字型斜面開(kāi)口位置掉落在管道內(nèi)隨介質(zhì)流走，不會(huì)造成取樣口大面積堵塞，保證了傳感器的正常穩(wěn)定工作。

為實(shí)現(xiàn)良好的測(cè)量，減少壓力波動(dòng)對(duì)溫度補(bǔ)償?shù)母蓴_，現(xiàn)場(chǎng)儀表安裝時(shí)要求天然氣被測(cè)介質(zhì)先經(jīng)過(guò)流量計(jì)傳感器，再經(jīng)過(guò)壓力傳感器，最后流過(guò)溫度傳感器的順序進(jìn)行安裝。皮托管流量計(jì)安裝如圖2所示。

2.6 工廠驗(yàn)收測(cè)試

由于本次替代方案是將該海洋平臺(tái)已有氣體超聲波流量計(jì)拆舊換新，因此為確保皮托管流量計(jì)能夠精準(zhǔn)無(wú)誤地完成海上安裝工作，根據(jù)技術(shù)方案，工廠驗(yàn)收測(cè)試完成了如下檢驗(yàn)：

圖2 皮托管流量計(jì)安裝示意

1)通過(guò)實(shí)際測(cè)量，皮托管流量計(jì)法蘭端面之間的測(cè)量管段長(zhǎng)度為1 080 mm，與原氣體超聲波流量計(jì)長(zhǎng)度一致，滿足連接要求。

2)皮托管流量計(jì)尺寸、磅級(jí)、材質(zhì)與原氣體超聲波一致，滿足安裝要求。

3)通過(guò)實(shí)流標(biāo)定，各測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)表數(shù)據(jù)一致，滿足計(jì)量精度要求。

4)通過(guò)無(wú)損探傷檢驗(yàn)，滿足焊接強(qiáng)度要求。

5)通過(guò)外觀涂裝檢驗(yàn)，滿足海洋防腐要求。

經(jīng)工廠驗(yàn)收測(cè)試，當(dāng)傳感器上產(chǎn)生不同厚度的結(jié)垢時(shí)，前后測(cè)量誤差非常小，從而驗(yàn)證了傳感器防堵設(shè)計(jì)方案的準(zhǔn)確性，傳感器內(nèi)即使一部分雜質(zhì)進(jìn)入也不能影響計(jì)量。

2.7 應(yīng)用效果

皮托管流量計(jì)安裝后，經(jīng)過(guò)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了天然氣產(chǎn)量穩(wěn)定計(jì)量?，F(xiàn)場(chǎng)技術(shù)員通過(guò)對(duì)比皮托管流量計(jì)安裝前后的計(jì)量的區(qū)間數(shù)據(jù)，如圖3所示，計(jì)量數(shù)據(jù)不再劇烈波動(dòng)，持續(xù)保持在穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)，與平臺(tái)外輸?shù)较掠谓邮辗降挠?jì)量數(shù)據(jù)基本吻合，從而驗(yàn)證了該流量計(jì)替代方案的可行性。

圖3 皮托管流量計(jì)替代前后某區(qū)間段的計(jì)量數(shù)據(jù)示意

3 結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了皮托管流量計(jì)測(cè)量原理、性能特點(diǎn)與安裝要點(diǎn)，并重點(diǎn)分析了在海上石油平臺(tái)的應(yīng)用案例，從而為后續(xù)海上石油平臺(tái)工程設(shè)計(jì)提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。皮托管流量計(jì)在海洋平臺(tái)天然氣計(jì)量的成功應(yīng)用，體現(xiàn)了中國(guó)海油“三新三化”研究成果，進(jìn)一步推動(dòng)了國(guó)產(chǎn)化流量計(jì)在海洋石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用前景。通過(guò)該次替代方案實(shí)施，歸納總結(jié)出皮托管流量計(jì)與氣體超聲波流量計(jì)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比，為后續(xù)項(xiàng)目中分離器氣相出口濕氣計(jì)量的儀表設(shè)計(jì)提供了借鑒。