某油田輕質(zhì)原油計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

黃明基，晁宏洲，程曦，馮杰，張馨夢

中國石油塔里木油田分公司 油氣運(yùn)銷部（新疆 庫爾勒 841000）

西部某油田處在沙漠腹地，油田建設(shè)初期設(shè)計(jì)安裝了管輸原油計(jì)量系統(tǒng)，主要由4套Smith的刮板流量計(jì)和雙向球式體積管組成。2019 年國家管網(wǎng)集團(tuán)公司成立，油田與國家管網(wǎng)西部管道公司之間的貿(mào)易交接計(jì)量點(diǎn)發(fā)生了變化，需新建一套計(jì)量設(shè)施以滿足動態(tài)計(jì)量的需求?？紤]到該站點(diǎn)是整個油田原油貿(mào)易交接的總出口，每年外輸原油500萬t左右，對交接雙方來說都至關(guān)重要，計(jì)量系統(tǒng)流量計(jì)的選型和檢定方式都要充分考慮，以滿足計(jì)量精準(zhǔn)和科學(xué)公正的要求。

1 原油計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型

1.1 計(jì)量系統(tǒng)組成

原油計(jì)量系統(tǒng)一般由多個單元組合而成，用于實(shí)現(xiàn)油量測量、原油品質(zhì)分析和油量計(jì)算等功能。貿(mào)易交接計(jì)量系統(tǒng)至少應(yīng)包括油量測量單元和品質(zhì)分析單元，對于一些重要的貿(mào)易交接計(jì)量站還應(yīng)增加檢定單元、數(shù)據(jù)采集處理單元和其他輔助系統(tǒng)。測量單元的核心設(shè)備就是流量計(jì)，流量計(jì)的選型對不同類型油品計(jì)量的準(zhǔn)確性可謂至關(guān)重要；品質(zhì)分析單元主要包括取樣裝置以及密度、含水的分析設(shè)備，可以結(jié)合實(shí)際情況選配在線密度計(jì)和含水分析儀；檢定單元主要包括體積管流量測量校準(zhǔn)裝置和標(biāo)準(zhǔn)金屬量器，如果使用體積管檢定質(zhì)量流量計(jì)，為確保量值傳遞的準(zhǔn)確性，還需要配備在線密度計(jì)。油氣田原油貿(mào)易交接計(jì)量站計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要結(jié)合油品的性質(zhì)和計(jì)量站的重要性，同時兼顧經(jīng)濟(jì)實(shí)用的原則，充分運(yùn)用自動化、信息化、智能化技術(shù)，減少人為參與環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)計(jì)量數(shù)值的科學(xué)精準(zhǔn)。

1.2 油量測量單元設(shè)計(jì)選型

一般測量原油的流量計(jì)有容積式流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)和超聲流量計(jì)，其中容積式流量計(jì)準(zhǔn)確度受流體流態(tài)的影響較小，適用的黏度范圍相對較寬，應(yīng)用相對較多；渦輪流量計(jì)對流體流態(tài)的變化有要求，尤其是對黏度變化較為敏感；科里奧利質(zhì)量流量計(jì)可以直接測量油品質(zhì)量，對壓損有明確要求的場合需要慎重考慮；超聲流量計(jì)在大口徑管道流量測量方面具有優(yōu)勢，目前在國內(nèi)貿(mào)易交接場合應(yīng)用的案例較少。隨著油田的逐年開發(fā)，該油田油品性質(zhì)產(chǎn)生了明顯的變化，原油黏度和密度均有所下降，需按照現(xiàn)有的油品性質(zhì)（密度約825 kg/m3、黏度約3 mPa·s）重新考慮流量計(jì)的類型。依據(jù)GB/T 9109.2—2014《石油和液體石油產(chǎn)品動態(tài)計(jì)量第二部分：流量計(jì)安裝技術(shù)要求》[1]中容積式流量計(jì)和渦輪流量計(jì)對流體黏度的適用區(qū)間圖，油品黏度為3 mPa·s，瞬時流量為200～500 m3/h 時，均超出了容積式流量計(jì)和傳統(tǒng)渦輪流量計(jì)的最佳使用范圍。與此同時，考慮到原油貿(mào)易交接是以質(zhì)量為單位，使用容積式流量計(jì)和渦輪流量計(jì)測量的均是體積流量，體積流量轉(zhuǎn)換質(zhì)量流量時需要配備高準(zhǔn)確度的在線密度計(jì)或者人工每2 h取樣分析密度求平均值，無論哪種方式都會引入新的計(jì)量誤差，非最佳選擇。超聲波流量計(jì)由于測得的也是體積流量，且應(yīng)用在貿(mào)易交接的場合相對較少，將流量計(jì)選型鎖定為科里奧利質(zhì)量流量計(jì)，進(jìn)一步分析現(xiàn)場對壓損的要求，確定了該油田貿(mào)易交接口選用質(zhì)量流量計(jì)的可行性。

確定了流量計(jì)類型后，需結(jié)合油田后續(xù)的發(fā)展考慮至少近5年原油最大外輸量以確定流量計(jì)的數(shù)量。在連續(xù)計(jì)量的場所，可采用并聯(lián)方式安裝流量計(jì)組，流量計(jì)的臺數(shù)按照式（1）計(jì)算。

式中：n為一組流量計(jì)的總臺數(shù)；qvp為一組流量計(jì)要計(jì)量的最大流量，m3/h；qvm為一臺流量計(jì)滿足準(zhǔn)確度要求的額定最大流量，m3/h；s為連續(xù)計(jì)量時的備用流量計(jì)臺數(shù)。

該油田年最大設(shè)計(jì)外輸量按照700×104t考慮，單臺流量計(jì)的額定最大流量為500 m3/h,根據(jù)上述公式可計(jì)算出需要的流量計(jì)總臺數(shù)為4 臺，采用成撬的方式。

由于該油田油品為輕質(zhì)油，飽和蒸汽壓相對較高，需要充分考慮油品含氣對科里奧利質(zhì)量流量計(jì)測量結(jié)果的影響，輸送過程中溫度或者壓力的變化都會伴隨著一定氣體的產(chǎn)生，在計(jì)量前應(yīng)增加消氣過濾器，將管道內(nèi)的氣體和雜質(zhì)排干凈。同時由于科里奧利質(zhì)量流量計(jì)流量傳感器會使流通截面積變小，從而導(dǎo)致流量傳感器內(nèi)的流速和壓降增大，有可能引起氣蝕，降低測量準(zhǔn)確度或者損壞傳感器，因此需要在臨近流量計(jì)處維持足夠的壓力，流量計(jì)出口的壓力最好應(yīng)高于式（2）所計(jì)算的壓力值：

式中：pb為最小背壓（表壓），Pa；Δp為最大工作流量下流量計(jì)的壓降，Pa；pe為液體在工作溫度下的平衡蒸汽壓（絕壓），Pa。

除此之外，由于油品中含有蠟和其他雜質(zhì)，長期運(yùn)行過程中如果蠟和雜質(zhì)吸附在流量計(jì)振動管內(nèi)壁，就會對流量計(jì)的測量結(jié)果造成一定影響，可以考慮增加伴熱設(shè)施提高測量管處的溫度，并在流量計(jì)上設(shè)置清洗接口，從而避免掛壁對測量結(jié)果的影響。

1.3 品質(zhì)分析單元設(shè)計(jì)

品質(zhì)分析單元計(jì)量器具的配備可參考SY/T 5398—2017《石油天然氣交接計(jì)量站計(jì)量器具配備規(guī)范》[2]中表2 的要求進(jìn)行，主要考慮手工取樣裝置的設(shè)置、自動取樣器和在線含水分析儀的配備。

1.3.1 手工取樣裝置的設(shè)計(jì)

手工取樣裝置的設(shè)計(jì)按照GB/T 4756—2015《石油液體手工取樣法》[3]中關(guān)于管線取樣器的相關(guān)要求進(jìn)行，取樣器含有一個帶有隔離閥的取樣管，取樣管要深入到流體輸送管道內(nèi)，進(jìn)樣點(diǎn)靠近管壁的距離不小于管道內(nèi)徑的1/4。取樣管的入口應(yīng)面對被取樣液體的流動方向，為避免流體分層不能取到代表性的樣品，取樣器應(yīng)安裝在輸油管道的立管上。具體如圖1所示。

圖1 手工定點(diǎn)管線取樣器實(shí)例

1.3.2 管線自動取樣器的設(shè)計(jì)

手工管線取樣法適用于均勻液體，其組成和品質(zhì)不隨時間發(fā)生明顯變化，如果液體不是均勻的，最好安裝自動取樣裝置。另一方面，隨著貿(mào)易交接的雙方對交接計(jì)量準(zhǔn)確性的要求越來越高，雙方在交接計(jì)量協(xié)議的簽訂中也可能會涉及到此部分內(nèi)容。從公平公正的角度考慮增加此部分內(nèi)容是必要的。自動取樣器的設(shè)計(jì)可按照GB/T 27867—2011《石油液體管線自動取樣法》[4]要求進(jìn)行，首先要選擇合適的取樣點(diǎn)，明確取樣探頭的位置，使取到的液體盡可能代表全部液體，必要時增加靜態(tài)混合器或者動力混合器使液體盡可能混合均勻。取樣器安裝時分液裝置和樣品接收器應(yīng)盡可能靠近，所有連接均采用符合要求的短管，彎頭數(shù)量保持最少，樣品接收器位于系統(tǒng)最低點(diǎn)，使無效容積盡可能減小。

1.3.3 在線含水分析儀的設(shè)計(jì)

在線含水分析儀在計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中屬于選配，其測量的數(shù)據(jù)不能直接參與貿(mào)易交接結(jié)算，只能作為一種監(jiān)控手段作為參考。目前國內(nèi)生產(chǎn)的一些在線含水分析儀經(jīng)現(xiàn)場使用與人工取樣化驗(yàn)分析的結(jié)果對比相差較大，只能參考含水的變化趨勢，不能達(dá)到預(yù)期使用效果，從經(jīng)濟(jì)性的角度考慮可以不設(shè)置。如果確需設(shè)置，做好調(diào)查研究與選型是至關(guān)重要的。

1.4 檢定單元設(shè)計(jì)選型

流量計(jì)的在線實(shí)液檢定可以使用固定式體積管或移動式體積管作為標(biāo)準(zhǔn)器，移動式體積管靈活方便，但是每次檢定或者自檢的過程中都要安裝管線，現(xiàn)場還必須預(yù)留足夠的空間用于標(biāo)定車的停放。如果是車載活塞式體積管，由于體積管的容積相對較小，輕質(zhì)油品由于標(biāo)定過程中節(jié)流降壓容易汽化，產(chǎn)生的氣體對其標(biāo)定結(jié)果的影響較大，不宜在該站使用。綜合考慮上述因素，該站建設(shè)配套固定式體積管用于流量計(jì)的檢定，同時設(shè)置水驅(qū)檢定系統(tǒng)用于檢定體積管?？紤]到使用體積管檢定質(zhì)量流量計(jì)時，體積管的標(biāo)準(zhǔn)管段測出的是體積量，質(zhì)量流量計(jì)直接測量質(zhì)量流量，需要獲得密度值兩者才能匹配。密度的獲取可以通過人工取樣分析，也可以安裝在線密度計(jì)，由于油品性質(zhì)并非固定不變，人工取樣分析的過程代表性相對較差，因此采用在線密度計(jì)與體積管配套標(biāo)定質(zhì)量流量計(jì)。

1.4.1 固定式體積管的設(shè)計(jì)

采用固定雙向球式體積管并成撬設(shè)計(jì)，體積管的準(zhǔn)確度優(yōu)于±0.05%，重復(fù)性優(yōu)于0.02%，體積管的最大流量應(yīng)高于被檢流量計(jì)的最大工作流量。體積管采用四通閥作為換向裝置，四通閥宜選用將軍閥配電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。若體積管的材質(zhì)為普通碳鋼，內(nèi)壁需要做粉末燒結(jié)或其他類型涂層，如果采用不銹鋼材質(zhì)可以進(jìn)行拋光不做內(nèi)涂層。為確保檢定過程中經(jīng)過被檢定流量計(jì)的油品全部流向體積管，需要在計(jì)量標(biāo)定流程中加強(qiáng)制密封閥門，并在每個計(jì)量回路上安裝流量調(diào)節(jié)閥，以滿足不同流量點(diǎn)的檢定。流量計(jì)的出口到體積管的距離應(yīng)盡可能短，同時減少彎頭的設(shè)置，并在體積管附近設(shè)置高點(diǎn)排氣閥，防止產(chǎn)生氣體聚集影響檢定結(jié)果。在體積管的入口處安裝在線密度計(jì)撬用于測量密度，并就近安裝溫度變送器和壓力變送器對油品體積進(jìn)行修正。

1.4.2 水驅(qū)檢定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

水驅(qū)檢定系統(tǒng)的作用是定期對體積管進(jìn)行標(biāo)定，達(dá)到量值傳遞的目的。水驅(qū)系統(tǒng)主要包括水箱、水泵、標(biāo)準(zhǔn)量器、換向器和閥門等。標(biāo)準(zhǔn)量器是最為關(guān)鍵的一部分，采用二等標(biāo)準(zhǔn)金屬量器，考慮到金屬量器需定期進(jìn)行量值溯源，為便于送檢，其體積不宜超過1 000 L。標(biāo)準(zhǔn)金屬量器應(yīng)有一定的壁厚，以確保量器在液體靜壓力作用下的變形影響可以忽略不計(jì)。量器的支腳設(shè)置可調(diào)螺旋，以供水平調(diào)節(jié)用。為確定量器處于垂直狀態(tài)，應(yīng)在相互垂直的水平方向上分別安置一個可調(diào)的長水準(zhǔn)器，并在量器的支腳安裝滾輪，便于移動。

1.5 數(shù)據(jù)采集處理單元設(shè)計(jì)選型

數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)與體積管檢測、水驅(qū)檢定控制系統(tǒng)共用一臺計(jì)算機(jī)，組成檢定控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)具有標(biāo)準(zhǔn)的基于MODBUS TCP 的TCP/IP 遠(yuǎn)程通訊協(xié)議，通過通訊接口模塊與流量計(jì)算機(jī)、檢定計(jì)算機(jī)通訊，采集油品輸送過程中的溫度、壓力、密度、瞬時流量、累積流量等參數(shù)，實(shí)時顯示流量計(jì)和通訊報警等狀態(tài)，并對采集的參數(shù)進(jìn)行自動記錄整理，幫助操作人員監(jiān)視整個計(jì)量過程和誤差分析?？勺詣虞敵鯡xcel 格式的報表，并對報表數(shù)據(jù)建立專門的數(shù)據(jù)庫，方便操作人員對歷次輸送數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、檢索及統(tǒng)計(jì)分析等。歸檔時間可以組態(tài)，上位機(jī)應(yīng)具有每1 min 對流量進(jìn)行一次歸檔，能夠存儲不少于一年的流量數(shù)據(jù)資料的容量。

1.6 輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)

輔助系統(tǒng)主要包括保溫伴熱、排污系統(tǒng)和放空系統(tǒng)等。保溫伴熱部分根據(jù)實(shí)際情況，如果在室內(nèi)冬季有供暖，可以不用設(shè)置保溫伴熱；如果在室外且油品的凝點(diǎn)、析蠟點(diǎn)較高，需要設(shè)置保溫伴熱，避免凝管或者掛壁造成計(jì)量不準(zhǔn)，該站由于油品析蠟點(diǎn)高，為防止壁掛產(chǎn)生，在計(jì)量系統(tǒng)部分增加了保溫保熱。排污和放空系統(tǒng)按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)即可。

2 質(zhì)量流量計(jì)量系統(tǒng)應(yīng)用分析

按照上述設(shè)計(jì)要求，該站的計(jì)量系統(tǒng)分兩部分先后實(shí)施。第一期僅采購了測量單元4 路計(jì)量部分，分2 個撬進(jìn)行供貨，每個撬上有2 路計(jì)量回路，通過現(xiàn)場施工并聯(lián)在一起，形成3 用1 備的計(jì)量撬。每個計(jì)量回路上設(shè)有截?cái)嗲蜷y、消氣過濾器、直管型科里奧利質(zhì)量流量計(jì)、去標(biāo)定的支路（支路上設(shè)有強(qiáng)制密封閥門）、流量調(diào)節(jié)閥和強(qiáng)制密封截?cái)嚅y門。同時在整個計(jì)量撬出口設(shè)有去移動式標(biāo)定車的流程。由于檢定系統(tǒng)未同期施工，流量計(jì)的首次檢定在自治區(qū)計(jì)量院采用靜態(tài)質(zhì)量法進(jìn)行了量值溯源，檢定結(jié)果顯示4 臺流量計(jì)的誤差均在0.1%以內(nèi)?？紤]到質(zhì)量流量計(jì)安裝過程中會引入安裝誤差[5]，尤其是直管型質(zhì)量流量計(jì)如果受到外來安裝，會對測量管造成一定影響，必然會導(dǎo)致計(jì)量結(jié)果不準(zhǔn)。鑒于此，流量計(jì)安裝到位后，又采用了移動活塞式體積管標(biāo)定車對4臺流量計(jì)進(jìn)行了在線實(shí)液檢定，檢定結(jié)果顯示4 臺科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的準(zhǔn)確度和重復(fù)性都較好，完全滿足貿(mào)易交接使用的要求。但是，在檢定的過程中也進(jìn)一步驗(yàn)證了油品中含氣對檢定結(jié)果的影響比較大，需要不斷進(jìn)行排氣，持續(xù)地監(jiān)測油品密度，保證輸送的油品盡可能性質(zhì)穩(wěn)定[6]。

計(jì)量系統(tǒng)的二期采購了雙向體積管檢定系統(tǒng)和水驅(qū)檢定系統(tǒng)，雙向球式體積管可滿足最大650 m3/h的檢定流量，采用了不銹鋼材質(zhì)，內(nèi)壁有粉末燒結(jié)涂層[7]；換向閥采用了喀麥隆的將軍四通閥，密度計(jì)為艾默生高準(zhǔn)的產(chǎn)品，精度滿足±0.1 kg/m3；二等標(biāo)準(zhǔn)金屬量器為2個500 L的量器，使用1Cr18Ni9Ti不銹鋼板制造；檢定控制系統(tǒng)為艾默生FLoBoss S600+，整個配置完全滿足貿(mào)易交接檢定科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的要求[8-10]。此部分主要是雙向球式體積管采用了不銹鋼材質(zhì)加粉末燒結(jié)內(nèi)壁涂層的形式，目前在國內(nèi)應(yīng)用相對比較少，需要在后續(xù)使用的過程中進(jìn)一步驗(yàn)證其可靠性[11]。

3 結(jié)束語

1）計(jì)量系統(tǒng)由多個單元組成，一般情況下必須包括油品測量單元和品質(zhì)分析單元，需要綜合考慮計(jì)量站的重要性和經(jīng)濟(jì)性等因素，設(shè)計(jì)檢定系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)等內(nèi)容。

2）計(jì)量系統(tǒng)中流量計(jì)的選型至關(guān)重要，要綜合考慮油品的性質(zhì)，包括密度、黏度、飽和蒸汽壓等參數(shù)，結(jié)合計(jì)量的精準(zhǔn)性和后期的維護(hù)便利性等因素選擇合適的流量計(jì)，對于輕質(zhì)原油使用科里奧利質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行貿(mào)易交接也是不錯的選擇。

3）口徑超過150 mm的體積管一般采用固定式，選擇雙向球式體積管時要充分考慮內(nèi)壁涂層的形式，涂層不脫落是保證其長期有效使用的關(guān)鍵因素。

4）用體積管檢定質(zhì)量流量計(jì)必須要考慮配套設(shè)置在線密度計(jì)，宜采用振動管密度計(jì)，精度至少達(dá)到0.15 kg/m3，且密度計(jì)應(yīng)安裝在體積管入口。

5）二等標(biāo)準(zhǔn)金屬量器的選擇要考慮其送檢的便利性，選用的量器容積不宜過大，可結(jié)合體積管的容積選擇2個或多個量器組合使用。

6）計(jì)量系統(tǒng)流程中的關(guān)鍵閥門應(yīng)采用強(qiáng)制密封閥門，確保檢定過程中流經(jīng)被檢流量計(jì)的原油全部流向體積管，并設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥，以滿足流量計(jì)各個流量點(diǎn)的檢定。