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液体超声波流量计在海上原油贸易计量中的应用

时间:2017/12/08来源:未知

摘要:先容超声波流量计的测量原理,以及FPSO贸易交接计量仪表选型过程。 

1、海上原油贸易计量常用方法:
 目前,在国内陆上油田及海上平台常用的原油外输流量计主要有容积式流量计、涡轮流量计以及质量流量计。 其中容积式流量计、涡轮流量计已使用多年,国内相关法律法规相对较为健全,其不仅满足原油准确测量的要求,而且人们对流量计的计量性能、检定和操作等都十分熟悉。 质量流量计也应用于原油贸易计量领域,其中得到广泛应用的是科里奥利质量流量计,其具有更高精度、无上下游直管段要求等优点。
 但上述传统贸易交接计量仪表也有一些各自的缺点,例如:容积式流量计具有结构复杂,体积笨重,尤其在较大口径时,具有可动部件、体积庞大,价格昂贵,故一般只适用于中、小口径,安全性差,且压力损失较大;而涡轮流量计则不能长期保持其校准特性、易出现漂移,需要定期校验,并且存在压力损失的问题,同时也具有可动部件; 质量流量计更多地应用在成品油的交接计量中,不太适用于海上原油贸易计量。
 由于海上平台空间有限、承重能力的制约,传统贸易交接计量仪表越来越不能满足用户和市场的需求,需要更为先进的流量计量技术应用于海上原油贸易计量领域。超声波流量计采用非干扰性介入测量方式,可在保证测量流量的同时维持流体的完整性,其具有无压力损失、可动部件少、可靠性高、体积与重量较轻,且造价基本上与管径大小无关的优点,从而降低了采购和运营维护成本,目前在国外原油贸易计量中越来越受到重视。

 液体超声波流量计在海上原油贸易计量中的应用
2、液体超声波流量计测量原理:
 超声波流量计测量采用的是时间差法,即测量超声波在流体中顺流和逆流传播的时间差,其工作原理如图 1 所示。 流速方程为:
 
v=   L· t      
2t1(t1+  t)cosθ        
式中 ,v 为线平均速度 ;L 为超声波在流体中的传
         
播路径长度 (声道长度);t1 为超声波从换能器 1 到换
 能器 2 的顺流传播时间, 即顺行时间 t  ;t2 为超声波从换能器 2 到换能器 1 的逆流传播时间,即逆行时间t; t 为超声波在流体中顺、 逆流传播的时间差;θ 为超声波传播方向与流体流动方向之间的夹角(声道角)。
图1  超声波流量计原理

图 1  超声波流量计原理
传播时间差流量计的基本出发点是测量传感器上行脉冲和下行脉冲的时间差(或是频移),然后将频移换算为管道中流体的流率。
 
顺行时间:
 
t = L c+v·cosθ

式中,c 为流体中的声速。
 
逆行时间为:
 
t =   L              
c-v·cosθ              
因为   1     1     分别表示顺行频
    f 顺 = t  ,f 逆= t  (f   f  
率和逆行频率),那么频率差可以表示为:
 
f=f -f = 1     -   1                  
t t                
                             
可得                                  
                                       
f=   1         -   1                
    L               L                
                                     
    c+v·cosθ         c-v·cosθ                
= c+v·cosθ     c-v·cosθ = 2v·cosθ = 2cosθ   ·v
      L L  
      L                 L            
因为 2cosθ 是一个常数,可用 k 表示,则得到***
L
 
终表达式:
 
f=kv
 
上式即通过测量频移来确定流体流速的基本关
 
系式。
 
由上式可得:
 
v=   f   =       f =   L· f          
  k     2cosθ   2cosθ        
                           
                  L                          
  f 的表达式代入    
                                         
    L·( 1 - 1     L·( t -t )    
               
v=         t 顺     t       =     t ·t = L·(t -t )
      2cosθ         2cosθ 2cosθ·t ·t
                     
=       L· t                          
2t1(t1+ t)cosθ                          
 
超声波流量计测量的流速是一个直径方向的平均流速,即线平均流速,而计算流量所需的平均流速为流动横截面上的面平均流速,两者之间的关系决定于流速分布形式。 因此,流量计算式为:
 
qv= v πD2 K 4
 
式中,qv 为体积流量;K 为平均流速修正系数,K=v/u;u 为面平均流速;v 为线平均流速;D 为管道内径。
 
3、常见超声波流量计品牌:
3.1、科隆超声波流量计:

 KROHNE 液体超声波流量计产品主要应用于国外海上项目的贸易交接计量, 主打产品为 KROHNE ALTOSONIC V,为用于液态烃贸易交接的五声道超声波流量计,具有以下优点:多种介质的贸易交接;黏度范围宽(LPG,原油);无插入部件,无移动部件,无压损,无磨损;无需现场标定。
 
3.2、福尔赫曼超声波流量计:
 具有 8 通道的 FAURE HERMAN FH8500 液体超声波流量计为该品牌贸易交接流量计的主要产品,具有以下特点: 双向测量功能;18 个超声波通道覆盖全部速度剖面;无活动部件、无压力损失;对粘度变化、旋流以及压力波动不敏感;低安装成本(无需过滤器、直管段要求,紧凑型安装);低维护成本(无压损、高稳定性和可靠性);红外线远程控制;高速数据处理能力;优化信号处理能力。
 
3.3、史密斯超声波流量计:
 Smith Meter Ultra6TM 液体超声波流量计是用于原油和成品油贸易交接计量的 6 通道超声波流量计,具有信号处理单元(SPU),其主要特点:压力损失等于同样长度直管段的压力损失; 更适用于磨损等恶劣环境;双向流比定向流节省了更多的时间;实施诊断功能;低频换能器;先进的抗噪声能力。
 
3.4、丹尼尔超声波流量计:
 Daniel(丹尼尔) 3804 型为四声道在线超声波流量计,具有以下优点:减少未计量的流体损失;减少能量损耗;降低投资成本、减少维护费用;减少投运调试时间;增加运营时间。
 
4、FPSO 外输计量系统选型:
4.1、FPSO 设计项目背景:

 某油田开发项目主要工程设施是新建一座平台和一条 15 万吨级 FPSO,FPSO 上设置一套贸易交接计量用的原油外输计量系统。外输原油油品数据如表 1 所示。
 
1 原油外输数据  
         
         
项目   数据   说明
     
外输原油密度 835kg/m3(50℃) 混合原油,轻质∶中质=2∶1
外输温度   60℃ 饱和蒸汽压≤0.7kg
***大外输速率   5400m3/h 单台流量计***大 1800m3/h
外输总管尺寸   30 寸      
外输总管入口压力   1350 kPaA   设计压力 150 BL
外输总管流速   2~3.5m/s      
         
外输总管材质   普通碳钢 一级管 带环氧涂层
       
 
  外输计量系统包括计量撬和标定撬。 计量撬包括计量系统、自动在线取样装置(另外留有手动取样口)及管线阀门等。 流量计标定撬包括体积管标定装置及其管线阀门,需具备在线标定功能。 外输计量撬和标定撬的设置应满足我国法规和国内外有关标准规范的要求,计量单位和计量精度满足贸易交接的标准和要求,包括:流量计精度不低于 0.15%,系统精度不低于 0.35%; 标定采用双向球形体积管; 系统压降小于150 kPaA。
 
4.2、计量系统选型:
 根据该项目油田原油具有高粘度 (后期开发过程)等特点,目前适用的流量计型式初步评估可以为容积式流量计、双螺旋涡轮流量计(适用高粘原油)、液体超声波流量计等。容积式流量计(刮板式)、涡轮流量计(多刀涡轮和螺栓刀片涡轮)、 质量流量计与液超声流量计的性能对比如表2 所示。
 
2 原油计量流量计的特点与性能比较  
                       
                         
测量   量程 ***大   尺寸及   对介质   双向   可动
  压损 过滤器  污垢的  整流盘 维护量
流量计   比程比  流量/(m3/h) 重量 计量 部件
方法       敏感度    
                         
刮板   10:1 2000 需要
                   
容积式   多刀涡轮 10:1 6000 需要 需要
及涡轮                  
                       
螺栓刀     需要 需要
    40:1 4500
片涡轮                
                     
质量流量计   25:1 1000 中等 标准  免维护   无
                   
液体超声流量计 40:1 8000 需要   标准  免维护   无
                   
                         
 
经过对比,得出液体超声波流量计具有以下优点:
 
(1)量程比大:容积式流量计一般为 10:1,液超声可达 20:1,甚至更大。
 
(2)流通能力大 :相同流量条件下 ,容积式需 16寸(4 用 1 备),液超声只需 12 寸(3 用 1 备)。
 
(3)重量轻:相同流量条件下,16 寸容积式流量计的重量是 12 寸液超声的 10 倍。
 
(4)压降小:因为是通径,液超的压损几乎为零。
 
(5)可动部件少,可靠性高,而容积式转子容易损坏,导致计量精度下降。
 
(6)备品备件多相对较少:液超声只需备电路板、探头和传感器。
 
(7) 免维护性好 , 可在线维护 , 且维护成本较低(无需拆卸和吊装)。
 
(8)在大口径和大流量计量中有突出优势。
 
(9)费用较低,且产品可选择性余地大。
 
(10)标定周期长 ,而涡轮每切换一次介质 (雷诺数改变)就必须重新标定一次。综上所述,对于该项目 FPSO 原油外输计量系统,建议初步采用 3 用 1 备液体超声波流量计和双向球形体积管的方式进行计量和标定。

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