何驍勇 徐正海 紀(jì) 超 王 浩

(中海油研究總院，北京 100028)

我國海洋油氣資源儲量豐富，隨著海洋油氣勘探開發(fā)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，海洋油氣資源已成為國內(nèi)油氣資源的接替主力。在一些全海式開發(fā)油田或中外合作油田開發(fā)中，由于要在海上完成原油的外輸貿(mào)易交接計(jì)量，所以一般會在海上浮式生產(chǎn)儲卸油裝置(FPSO)或海上原油生產(chǎn)平臺(簡稱海上平臺)設(shè)置原油外輸計(jì)量系統(tǒng)。原油外輸計(jì)量系統(tǒng)是海上油田開發(fā)的關(guān)鍵設(shè)備之一，系統(tǒng)中流量計(jì)的恰當(dāng)選擇、其計(jì)量精度和可靠性直接關(guān)系到貿(mào)易交接雙方的經(jīng)濟(jì)利益和整個油田的正常生產(chǎn)運(yùn)行。

超聲波流量計(jì)以測量聲波在流動介質(zhì)中傳播的時間與流量的關(guān)系為原理，是利用超聲波在流體中的傳播特性來測量流量的[1]。近年來，隨著液體超聲波流量計(jì)(簡稱液超聲流量計(jì))技術(shù)的不斷進(jìn)步，國外知名流量計(jì)廠家生產(chǎn)的多聲道液超聲流量計(jì)已成功應(yīng)用于國內(nèi)外的原油和成品油貿(mào)易交接計(jì)量中。目前，用于原油和成品油貿(mào)易交接計(jì)量的主流產(chǎn)品有Krohne的Altosonic V型5聲道液超聲流量計(jì)、Daniel的3804型4聲道液超聲流量計(jì)、FMC Smith的Ultra6型6聲道液超聲流量計(jì)、Cameron的LEFM 240C 4聲道和LEFM 280C 8聲道液超聲流量計(jì)、Faure Herman的FH8500型18聲道液超聲流量計(jì)。

筆者將以海上浮式生產(chǎn)儲卸油裝置原油外輸計(jì)量系統(tǒng)應(yīng)用為例，說明液超聲流量計(jì)的特點(diǎn)和在海上原油外輸貿(mào)易交接計(jì)量應(yīng)用中的優(yōu)勢。

液超聲流量計(jì)通過非干擾性介入測量方式，可保證測量流量的同時維持流體的完整性，由于它是空管計(jì)量且無可動部件，所以與傳統(tǒng)的流量計(jì)相比具有零壓損、大口徑、大流量原油計(jì)量、量程比寬和流通能力大、可靠性高、備品備件少、免維護(hù)、體積小和重量輕的特點(diǎn)。

超聲波流量計(jì)的檢定周期比傳統(tǒng)的流量計(jì)要長，因?yàn)槌暡髁坑?jì)能夠估算流體雷諾數(shù)，并引入線性或特性算法使其流量計(jì)系數(shù)或K系數(shù)適用于寬雷諾數(shù)范圍，那么流量或粘度在一定范圍內(nèi)改變時就不需要重新檢定流量計(jì)了。根據(jù)超聲波流量計(jì)檢定規(guī)程：液超聲流量計(jì)兩年只需檢定1次，部分廠家生產(chǎn)的具有自診斷功能的流量計(jì)可延長到六年檢定1次。而傳統(tǒng)的容積式流量計(jì)需一年檢定兩次，渦輪流量計(jì)需一年檢定1次。另外，液超聲流量計(jì)還具有預(yù)維護(hù)和自診斷功能，能夠?qū)崟r診斷管道流體形態(tài)、剖面系數(shù)、紊流、漩渦、探頭臟污、管道及整流器堵塞等問題。表1是5種常用原油外輸計(jì)量流量計(jì)的性能比較。

表1 5種常用原油外輸計(jì)量流量計(jì)的性能比較

注：流量計(jì)流量高限僅供參考，具體流量范圍以廠家的產(chǎn)品手冊為準(zhǔn)。

2 在海上應(yīng)用的優(yōu)勢

結(jié)合液超聲流量計(jì)的特點(diǎn)和海上油田開發(fā)的特殊性總結(jié)其在海上原油貿(mào)易交接計(jì)量中應(yīng)用時的優(yōu)勢如下：

a. 海上油田開發(fā)工程的設(shè)施、空間和承重都有限，海上平臺及FPSO等工程設(shè)施的建造與安裝成本巨大。液超聲流量計(jì)流通能力大、尺寸小、重量輕的特點(diǎn)可以縮減海上平臺或FPSO的甲板面積，減輕海上設(shè)施的結(jié)構(gòu)重量，從而降低工程投資成本。另外，流量計(jì)尺寸一旦變小，計(jì)量回路和整個計(jì)量撬的尺寸也會變小，這也減小了計(jì)量撬的采購成本。

b. 海上油田生產(chǎn)能耗與運(yùn)行維護(hù)成本極高。液超聲流量計(jì)零壓損的特點(diǎn)可以減少原油外輸計(jì)量過程的壓降，降低海上原油外輸設(shè)備的能耗(如原油外輸泵)，特別是對于大流量的計(jì)量，節(jié)能效益更為顯著。另外，液超聲流量計(jì)內(nèi)部無可動部件、備品備件少、可靠性高、免維護(hù)性好的特點(diǎn)可以有效減輕現(xiàn)場生產(chǎn)人員的維護(hù)工作量，降低運(yùn)行維護(hù)成本[2]。

c. 海上油田原油外輸計(jì)量系統(tǒng)中流量計(jì)及體積管等設(shè)備的檢定費(fèi)、檢定人員的動復(fù)原費(fèi)和現(xiàn)場服務(wù)費(fèi)比陸地要高。一般都需要陸地計(jì)量站工作人員乘船或直升機(jī)到海上平臺或FPSO上進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)液檢定。液超聲流量計(jì)檢定周期長的特點(diǎn)可以降低原油外輸計(jì)量系統(tǒng)的檢定費(fèi)用，并減少流量計(jì)檢定給生產(chǎn)帶來的不必要影響。

d. 海上原油外輸貿(mào)易交接計(jì)量對計(jì)量設(shè)備的計(jì)量精度和可靠性都有更高要求。液超聲流量計(jì)具有預(yù)維護(hù)和智能自診斷功能的特點(diǎn)可以提高流量計(jì)的計(jì)量精度，降低故障概率。另外，液超聲流量計(jì)數(shù)據(jù)智能化儀表的龐大數(shù)字信息，也順應(yīng)了當(dāng)前海上數(shù)字化油田建設(shè)的趨勢。

3 海上應(yīng)用案例分析

某海上油田開發(fā)工程需要新建一艘15萬噸級的FPSO對周邊海上平臺所產(chǎn)原油進(jìn)行處理，并將處理合格的原油進(jìn)行儲存和外輸。由于該油田是全海式開發(fā)模式，所以需要在FPSO上設(shè)置原油外輸計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行合格原油的海上外輸計(jì)量。原油外輸計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)見表2，可以看出原油粘度和密度變化大(周邊馬上要有新油田接入，外輸油品的密度與粘度波動范圍將會更大)，而渦輪流量計(jì)每切換一次介質(zhì)，雷諾數(shù)會發(fā)生改變，就必須重新檢定一次，且對與高粘原油量程范圍和計(jì)量準(zhǔn)確度都會降低，所以液體渦輪流量計(jì)不太適用本外輸計(jì)量系統(tǒng)。其次，該外輸計(jì)量系統(tǒng)的原油外輸速率比較高，單臺流量計(jì)的最大流量要求很大，質(zhì)量流量計(jì)因受尺寸和流量的限制，一般不太適用這樣大流量的外輸工況。根據(jù)上面的流量計(jì)適用性分析，該項(xiàng)目選擇液超聲(主要參考的是Daniel液超聲流量計(jì))和容積式(主要參考的是FMC Smith刮板流量計(jì)和Brodie雙轉(zhuǎn)子流量計(jì))兩種流量計(jì)進(jìn)行選型分析，以說明液超聲流量計(jì)的優(yōu)勢，對比結(jié)果見表3。

表2 原油外輸計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

表3 流量計(jì)選型分析結(jié)果

可以看出，液超聲流量計(jì)的優(yōu)勢非常明顯。該項(xiàng)目FPSO原油外輸計(jì)量系統(tǒng)由Daniel公司在新加坡工廠整體成撬，包括：計(jì)量撬、標(biāo)定撬、水標(biāo)系統(tǒng)和在線自動取樣系統(tǒng)，原油外輸計(jì)量系統(tǒng)流程如圖1所示。初步估算采用液超聲流量計(jì)可使計(jì)量撬的重量減輕約20t，節(jié)省直接投資人民幣600多萬元(管線和閥門尺寸大幅減小降低了計(jì)量撬的重量和費(fèi)用)。由于壓損小，F(xiàn)PSO原油外輸設(shè)備每年可約電能20多萬kWh。由于檢定周期延長，與容積式流量計(jì)半年檢定一次相比該系統(tǒng)每兩年可節(jié)約檢定費(fèi)用人民幣40多萬元。另外，以上節(jié)省的投資或費(fèi)用還不包括流量計(jì)運(yùn)行維護(hù)成本節(jié)省的費(fèi)用。目前，該FPSO原油外輸計(jì)量系統(tǒng)已經(jīng)投入使用，且運(yùn)行效果良好。

圖1 原油外輸計(jì)量系統(tǒng)流程

4 液超聲流量計(jì)的檢定

作為貿(mào)易交接計(jì)量用的流量計(jì)，其準(zhǔn)確度是用戶關(guān)心的主要指標(biāo)，為了保證其達(dá)到相應(yīng)的準(zhǔn)確度，必須采用專門的標(biāo)準(zhǔn)裝置，并按照相應(yīng)的檢定規(guī)程定期對其進(jìn)行檢定和校準(zhǔn)。另外，作為原油交接計(jì)量用的計(jì)量儀表均屬國家強(qiáng)制檢定的計(jì)量器具，必須按照《中華人民共和國強(qiáng)制檢定的工作計(jì)量器具檢定管理辦法》實(shí)行強(qiáng)制檢定。流量計(jì)的檢定方法主要有體積管法、容積法、稱量法和標(biāo)準(zhǔn)表法[3]。

根據(jù)API 5.8 Measurement of Liquid Hydrocarbons by Ultrasonic Flow Meters Using Transit Time Technology標(biāo)準(zhǔn)中對液超聲流量計(jì)檢定方法的要求和中國國家標(biāo)準(zhǔn)JJG 1030-2007《超聲波流量計(jì)檢定規(guī)程》的規(guī)定以及國內(nèi)外的實(shí)際應(yīng)用案例，液超聲流量計(jì)的檢定方法主要有體積管法和主表法兩種。由于目前國內(nèi)外關(guān)于液超聲流量計(jì)的檢定方法和檢定技術(shù)還不夠成熟，特別是檢定方式和體積管標(biāo)準(zhǔn)容積的選取還存在一些爭議，致使其還未能大范圍推廣應(yīng)用。隨著液超聲流量計(jì)用于原油貿(mào)易交接計(jì)量案例的不斷增多和相關(guān)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，未來用液超聲流量計(jì)進(jìn)行原油貿(mào)易交接計(jì)量將會是一個趨勢。目前，《用超聲波流量計(jì)測量液態(tài)烴流量》的國家標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)起草完成，并正在討論和修改當(dāng)中。

對于體積管法，由于超聲波流量計(jì)的計(jì)量原理和脈沖產(chǎn)生機(jī)制，導(dǎo)致流量計(jì)會產(chǎn)生不均勻的脈沖輸出。而活塞式體積管由于在運(yùn)行過程中存在活塞的發(fā)射和回收現(xiàn)象會引起流量的明顯擾動并且在一次檢定過程中得到的脈沖數(shù)較少的原因，導(dǎo)致檢定結(jié)果的重復(fù)性很差，因此活塞式體積管不適合直接檢定液超聲流量計(jì)。

而主表法采用等精度傳遞理論，所以要求流量量值在傳遞時需滿足諸多苛刻條件。目前，在國內(nèi)相關(guān)檢定規(guī)程不完善，并且也沒有大體積管直接檢定液超聲流量計(jì)案例的情況下，采用主表法檢定液超聲流量計(jì)也是一種選擇。隨著液超聲流量計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的不斷完善，如果現(xiàn)場條件允許，還是建議優(yōu)先采用大體積管直接對液超聲流量計(jì)進(jìn)行檢定。

5 結(jié)束語

液超聲流量計(jì)在海上原油外輸貿(mào)易交接計(jì)量中應(yīng)用具有諸多優(yōu)勢。在海上平臺或FPSO采用液超聲流量計(jì)進(jìn)行原油外輸計(jì)量，不但可以縮減平臺面積、減輕海上設(shè)施結(jié)構(gòu)重量、節(jié)約能耗、減輕現(xiàn)場維護(hù)工作量、延長檢定周期、降低投資與運(yùn)行維護(hù)成本，同時還可以降低流量計(jì)的故障概率，比較符合海上數(shù)字化油田建設(shè)的大趨勢。

[1] JJG 1030-2007，中華人民共和國國家計(jì)量檢定規(guī)程——超聲波流量計(jì)[S].北京：國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2007.

[2] 黃寧偉.超聲波流量計(jì)的使用與維護(hù)[J].化工自動化及儀表，2001，28(5)：63～65.

[3] JJG 209-2010，中華人民共和國國家計(jì)量檢定規(guī)程——體積管[S].北京：國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2010.