外夾式超聲波流量計(jì)在順序輸送成品油管道中的應(yīng)用

牛占坡

(中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司,河北 廊坊 065000)

0 引言

油品順序輸送是指在一條管道中按一定順序連續(xù)輸送多種油品的管道輸油工藝。19世紀(jì)末,美國(guó)首先采用順序輸送工藝輸送了3種品級(jí)的煤油,隨著順序輸送的混油機(jī)理和計(jì)算理論的逐步完善,現(xiàn)階段技術(shù)已基本成熟,輸送的品種多、規(guī)模大[1]。順序輸送的油品主要是汽油、煤油、柴油等輕質(zhì)油品類,液化石油氣類和重質(zhì)油品類。同類油品中不同規(guī)格或不同牌號(hào)的油品,也可按批量順序輸送;不同油田的、不同性質(zhì)的原油,按照煉制要求也可以采取分批順序輸送[2]。多種油品采用順序輸送與采用多條單一油品管道輸送相比,具有高效性、節(jié)能性、靈活性等優(yōu)勢(shì),具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 技術(shù)背景

1.1 負(fù)壓波檢漏技術(shù)的基本原理

假定成品油管道的某個(gè)位置發(fā)生泄漏,便會(huì)在管道的內(nèi)外形成一定的壓差,管道內(nèi)部流體會(huì)迅速流出,在泄漏點(diǎn)位置引起壓力突降。泄漏點(diǎn)周圍的介質(zhì)在壓差的作用下會(huì)向泄漏點(diǎn)流動(dòng),形成一個(gè)以泄漏點(diǎn)為中心的壓力波動(dòng),即負(fù)壓波。負(fù)壓波以一定的速度向泄漏點(diǎn)的兩端傳播,并且由于液體的不可壓縮性,在管道兩端的壓力傳感器就可以檢測(cè)到壓力波動(dòng)的信號(hào),并根據(jù)兩端傳感器接收到負(fù)壓波的時(shí)間差就可以找到泄漏點(diǎn)的位置。負(fù)壓波檢測(cè)及定位原理如圖1所示。

圖1 負(fù)壓波檢測(cè)及定位原理

1.2 超聲波流量計(jì)檢測(cè)原理

外夾式超聲波流量計(jì)是基于時(shí)差技術(shù)的超聲波儀表,應(yīng)用非插入式安裝方式,超聲波換能器發(fā)射和接收穿過(guò)管道壁的聲波信號(hào),流體折射角由斯涅耳折射定律決定[3]。超聲波流量計(jì)測(cè)量原理如圖2所示。

圖2 超聲波流量計(jì)測(cè)量原理

波束折射角由式(1)計(jì)算:

sinθ=c/Vφ

(1)

其中,c為聲波在流體中的速度;Vφ為相位速度(在管壁中是常數(shù))。

流量計(jì)對(duì)流體中的聲速或波束角進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償,以響應(yīng)換能器A和B之間平均時(shí)差的變化。用測(cè)得的平均傳播時(shí)間減去計(jì)算得出的固有時(shí)間(換能器和管壁中),即可算出聲波在流體中傳播所需的時(shí)間(T流體)。聲波順流傳播所用時(shí)間(TA，B)比逆流傳播所用時(shí)間(TB，A)要短。利用時(shí)差(Δt) 來(lái)計(jì)算管道內(nèi)流體的流速[3],見式(2)。

v=Vφ/2 · Δt/T流體

(2)

根據(jù)測(cè)得的流速和已知的管道截面積,即可得到該位置的流量,再結(jié)合上下游流量計(jì)的流量數(shù)值,即可經(jīng)過(guò)比對(duì)后,確定該區(qū)段是否存在泄漏。

2 應(yīng)用問(wèn)題

成品油通過(guò)管道輸送被認(rèn)為是一種相對(duì)安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定的方式,但在實(shí)際操作中,仍然存在一些挑戰(zhàn)和問(wèn)題。

2.1 成品油通過(guò)管道輸送面臨的挑戰(zhàn)

首先,管道的安全性問(wèn)題仍然不能被忽視。在過(guò)去的幾十年中,由于腐蝕、材料缺陷或人為因素,管道泄漏事故時(shí)有發(fā)生。這不僅造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失,還對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染,對(duì)人類的健康和生活造成重大影響,造成了惡劣的社會(huì)影響。

其次,管道的維護(hù)和修復(fù)也是一個(gè)重大的挑戰(zhàn)。一旦泄漏發(fā)生,需要對(duì)管道進(jìn)行修復(fù),這可能需要暫停輸送,從而影響到油品的供應(yīng)和管道的運(yùn)營(yíng)效率。而在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)或地下管道,修復(fù)的難度和成本可能會(huì)更高。

總之,管道輸送成品油有許多優(yōu)點(diǎn),但也需要對(duì)運(yùn)行平穩(wěn)性、安全性給予足夠重視和有效的管理。因此,許多管道運(yùn)營(yíng)者采取更先進(jìn)的技術(shù)和更嚴(yán)格的監(jiān)管措施,以確保管道的穩(wěn)定和安全運(yùn)行。質(zhì)量平衡+負(fù)壓波檢漏方法,便是在成品油管道中較為成熟的泄漏檢測(cè)方案,以便在泄漏發(fā)生時(shí)能夠及時(shí)檢測(cè)、報(bào)警,并采取相應(yīng)的措施。

2.2 成品油通過(guò)管道輸送存在的問(wèn)題

然而,質(zhì)量平衡+負(fù)壓波檢漏方法在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中也出現(xiàn)了一些問(wèn)題,尤其是在順序輸送成品油管道中,暴露了以下幾個(gè)問(wèn)題。

2.2.1 應(yīng)用局限性

負(fù)壓波檢測(cè)在處理大量泄漏時(shí)比較敏感,并且能夠及時(shí)檢測(cè)到泄漏,泄漏位置定位相對(duì)較準(zhǔn)。然而,負(fù)壓波泄漏檢測(cè)在處理緩慢泄漏場(chǎng)景時(shí)表現(xiàn)得不夠理想。例如,鉆孔盜油等緩慢泄漏場(chǎng)景可能無(wú)法被及時(shí)檢測(cè)到,這可能導(dǎo)致泄漏加重和管道損壞加劇。

2.2.2 誤報(bào)率較高

順序輸送成品油管道在輸送介質(zhì)時(shí),會(huì)根據(jù)下游的用戶需求或者既定規(guī)則去切換油品的輸送,在油品切換過(guò)程中,會(huì)造成全線的壓力波動(dòng);同時(shí),管道、站場(chǎng)自身設(shè)備的影響同樣可能導(dǎo)致管道壓力波動(dòng),使負(fù)壓波泄漏檢測(cè)系統(tǒng)誤報(bào)率較高,給管道的平穩(wěn)運(yùn)行帶來(lái)了不利影響,給運(yùn)營(yíng)單位帶來(lái)了較多不必要的開挖尋漏點(diǎn)工作。在某些極端情況下,運(yùn)營(yíng)單位不得不選擇關(guān)閉泄漏檢測(cè)系統(tǒng),通過(guò)增加人工巡檢的頻次來(lái)降低泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

3 方案優(yōu)化

某成品油順序輸送管線項(xiàng)目,全線350 km,沿線設(shè)置外輸首站、11座閥室、末站接收站罐區(qū),主要輸送介質(zhì)為柴油、GB1汽油、GB2汽油,采用順序輸送方式,柴汽油比例大致為7∶3。

泄漏檢測(cè)系統(tǒng),初設(shè)方案為傳統(tǒng)的質(zhì)量平衡+負(fù)壓波檢漏方案:即在首站和末站分別安裝了一套流量計(jì),以實(shí)現(xiàn)泄漏的定性;同時(shí)在沿線的各個(gè)閥室安裝高靈敏度壓力變送器和負(fù)壓波檢漏服務(wù)器,以實(shí)現(xiàn)泄漏的定位。但經(jīng)過(guò)多方調(diào)研和分析,原方案在順序輸送成品油管道中的應(yīng)用效果不佳。后經(jīng)多方論證后,提出“質(zhì)量平衡+分段質(zhì)量平衡”的方案,在首末站分別設(shè)置一套計(jì)量撬,在沿線閥室設(shè)置外夾式超聲波流量計(jì)進(jìn)行分段計(jì)量,以實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏的檢測(cè)以及粗定位的功能。

4 方案實(shí)施及預(yù)期效果

4.1 泄漏檢測(cè)

在首末站分別設(shè)置計(jì)量撬,在沿線各個(gè)閥室分別設(shè)置外夾式超聲波流量計(jì),實(shí)現(xiàn)分段計(jì)量。

同時(shí),在SCADA系統(tǒng)界面按需設(shè)置泄漏檢測(cè)系統(tǒng)HMI畫面,實(shí)現(xiàn)質(zhì)量平衡+分段質(zhì)量平衡的檢測(cè)與顯示。但不足之處是,只能確定泄漏發(fā)生在哪個(gè)區(qū)段,無(wú)法準(zhǔn)確定位,需要結(jié)合人工巡檢確定最終的泄漏位置。

4.2 混油界面檢測(cè)

該項(xiàng)目主要輸送的介質(zhì)為柴油、GB1和GB2汽油,介質(zhì)主要物性如表1所示,客戶主要識(shí)別和追蹤的混油界面為柴油和汽油的界面。

表1 某項(xiàng)目輸送介質(zhì)主要物性參數(shù)

超聲波在不同密度的介質(zhì)中,傳播速度會(huì)有不同,根據(jù)測(cè)量和計(jì)算的聲波傳播速度,即可判定流經(jīng)流量計(jì)的油品,尤其是識(shí)別柴油和汽油,進(jìn)而判定混油界面,并在SCADA系統(tǒng)中集成油品及混油界面追蹤畫面,實(shí)現(xiàn)識(shí)別與顯示。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上,針對(duì)順序輸送成品油管道的特點(diǎn),本文通過(guò)實(shí)際案例,提出一種效果較好、經(jīng)濟(jì)性高的泄漏檢測(cè)新方案,為未來(lái)的項(xiàng)目實(shí)施提供另一種選擇。質(zhì)量平衡+分段質(zhì)量平衡的泄漏檢測(cè)方案可提高系統(tǒng)可靠性,減少誤報(bào)率,降低因誤報(bào)而引起的安全風(fēng)險(xiǎn),減少因誤報(bào)而引起的停輸時(shí)間和維修成本,提高管道運(yùn)營(yíng)的效率。同時(shí),該方案具備混油界面檢測(cè)和油品批次追蹤功能,為管道精細(xì)化運(yùn)營(yíng)和管理奠定基礎(chǔ),從而帶來(lái)更好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。