液超聲流量計在海上原油貿易交接計量中的應用

何驍勇 徐正海 紀 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技術的持續發展，海洋油氣資源已成為國內油氣資源的接替主力。在一些全海式開發油田或中外合作油田開發中，由于要在海上完成原油的外輸貿易交接計量，所以一般會在海上浮式生產儲卸油裝置(FPSO)或海上原油生產平臺(簡稱海上平臺)設置原油外輸計量系統。原油外輸計量系統是海上油田開發的關鍵設備之一，系統中流量計的恰當選擇、其計量精度和可靠性直接關系到貿易交接雙方的經濟利益和整個油田的正常生產運行。

超聲波流量計以測量聲波在流動介質中傳播的時間與流量的關系為原理，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(簡稱液超聲流量計)技術的不斷進步，國外知名流量計廠家生產的多聲道液超聲流量計已成功應用于國內外的原油和成品油貿易交接計量中。目前，用于原油和成品油貿易交接計量的主流產品有Krohne的Altosonic V型5聲道液超聲流量計、Daniel的3804型4聲道液超聲流量計、FMC Smith的Ultra6型6聲道液超聲流量計、Cameron的LEFM 240C 4聲道和LEFM 280C 8聲道液超聲流量計、Faure Herman的FH8500型18聲道液超聲流量計。

筆者將以海上浮式生產儲卸油裝置原油外輸計量系統應用為例，說明液超聲流量計的特點和在海上原油外輸貿易交接計量應用中的優勢。

液超聲流量計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，由于它是空管計量且無可動部件，所以與傳統的流量計相比具有零壓損、大口徑、大流量原油計量、量程比寬和流通能力大、可靠性高、備品備件少、免維護、體積小和重量輕的特點。

超聲波流量計的檢定周期比傳統的流量計要長，因為超聲波流量計能夠估算流體雷諾數，并引入線性或特性算法使其流量計系數或K系數適用于寬雷諾數范圍，那么流量或粘度在一定范圍內改變時就不需要重新檢定流量計了。根據超聲波流量計檢定規程：液超聲流量計兩年只需檢定1次，部分廠家生產的具有自診斷功能的流量計可延長到六年檢定1次。而傳統的容積式流量計需一年檢定兩次，渦輪流量計需一年檢定1次。另外，液超聲流量計還具有預維護和自診斷功能，能夠實時診斷管道流體形態、剖面系數、紊流、漩渦、探頭臟污、管道及整流器堵塞等問題。表1是5種常用原油外輸計量流量計的性能比較。

表1 5種常用原油外輸計量流量計的性能比較

注：流量計流量高限僅供參考，具體流量范圍以廠家的產品手冊為準。

2 在海上應用的優勢

結合液超聲流量計的特點和海上油田開發的特殊性總結其在海上原油貿易交接計量中應用時的優勢如下：

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

b. 海上油田生產能耗與運行維護成本極高。液超聲流量計零壓損的特點可以減少原油外輸計量過程的壓降，降低海上原油外輸設備的能耗(如原油外輸泵)，特別是對于大流量的計量，節能效益更為顯著。另外，液超聲流量計內部無可動部件、備品備件少、可靠性高、免維護性好的特點可以有效減輕現場生產人員的維護工作量，降低運行維護成本[2]。

c. 海上油田原油外輸計量系統中流量計及體積管等設備的檢定費、檢定人員的動復原費和現場服務費比陸地要高。一般都需要陸地計量站工作人員乘船或直升機到海上平臺或FPSO上進行現場實液檢定。液超聲流量計檢定周期長的特點可以降低原油外輸計量系統的檢定費用，并減少流量計檢定給生產帶來的不必要影響。

d. 海上原油外輸貿易交接計量對計量設備的計量精度和可靠性都有更高要求。液超聲流量計具有預維護和智能自診斷功能的特點可以提高流量計的計量精度，降低故障概率。另外，液超聲流量計數據智能化儀表的龐大數字信息，也順應了當前海上數字化油田建設的趨勢。

3 海上應用案例分析

某海上油田開發工程需要新建一艘15萬噸級的FPSO對周邊海上平臺所產原油進行處理，并將處理合格的原油進行儲存和外輸。由于該油田是全海式開發模式，所以需要在FPSO上設置原油外輸計量系統進行合格原油的海上外輸計量。原油外輸計量系統的設計基礎見表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)，而渦輪流量計每切換一次介質，雷諾數會發生改變，就必須重新檢定一次，且對與高粘原油量程范圍和計量準確度都會降低，所以液體渦輪流量計不太適用本外輸計量系統。其次，該外輸計量系統的原油外輸速率比較高，單臺流量計的最大流量要求很大，質量流量計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。根據上面的流量計適用性分析，該項目選擇液超聲(主要參考的是Daniel液超聲流量計)和容積式(主要參考的是FMC Smith刮板流量計和Brodie雙轉子流量計)兩種流量計進行選型分析，以說明液超聲流量計的優勢，對比結果見表3。

表2 原油外輸計量系統設計基礎

表3 流量計選型分析結果

可以看出，液超聲流量計的優勢非常明顯。該項目FPSO原油外輸計量系統由Daniel公司在新加坡工廠整體成撬，包括：計量撬、標定撬、水標系統和在線自動取樣系統，原油外輸計量系統流程如圖1所示。初步估算采用液超聲流量計可使計量撬的重量減輕約20t，節省直接投資人民幣600多萬元(管線和閥門尺寸大幅減小降低了計量撬的重量和費用)。由于壓損小，FPSO原油外輸設備每年可約電能20多萬kWh。由于檢定周期延長，與容積式流量計半年檢定一次相比該系統每兩年可節約檢定費用人民幣40多萬元。另外，以上節省的投資或費用還不包括流量計運行維護成本節省的費用。目前，該FPSO原油外輸計量系統已經投入使用，且運行效果良好。

圖1 原油外輸計量系統流程

4 液超聲流量計的檢定

作為貿易交接計量用的流量計，其準確度是用戶關心的主要指標，為了保證其達到相應的準確度，必須采用專門的標準裝置，并按照相應的檢定規程定期對其進行檢定和校準。另外，作為原油交接計量用的計量儀表均屬國家強制檢定的計量器具，必須按照《中華人民共和國強制檢定的工作計量器具檢定管理辦法》實行強制檢定。流量計的檢定方法主要有體積管法、容積法、稱量法和標準表法[3]。

根據API 5.8 Measurement of Liquid Hydrocarbons by Ultrasonic Flow Meters Using Transit Time Technology標準中對液超聲流量計檢定方法的要求和中國國家標準JJG 1030-2007《超聲波流量計檢定規程》的規定以及國內外的實際應用案例，液超聲流量計的檢定方法主要有體積管法和主表法兩種。由于目前國內外關于液超聲流量計的檢定方法和檢定技術還不夠成熟，特別是檢定方式和體積管標準容積的選取還存在一些爭議，致使其還未能大范圍推廣應用。隨著液超聲流量計用于原油貿易交接計量案例的不斷增多和相關計量標準的不斷完善，未來用液超聲流量計進行原油貿易交接計量將會是一個趨勢。目前，《用超聲波流量計測量液態烴流量》的國家標準已經起草完成，并正在討論和修改當中。

對于體積管法，由于超聲波流量計的計量原理和脈沖產生機制，導致流量計會產生不均勻的脈沖輸出。而活塞式體積管由于在運行過程中存在活塞的發射和回收現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較少的原因，導致檢定結果的重復性很差，因此活塞式體積管不適合直接檢定液超聲流量計。

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，在國內相關檢定規程不完善，并且也沒有大體積管直接檢定液超聲流量計案例的情況下，采用主表法檢定液超聲流量計也是一種選擇。隨著液超聲流量計相關標準和規范的不斷完善，如果現場條件允許，還是建議優先采用大體積管直接對液超聲流量計進行檢定。

5 結束語

液超聲流量計在海上原油外輸貿易交接計量中應用具有諸多優勢。在海上平臺或FPSO采用液超聲流量計進行原油外輸計量，不但可以縮減平臺面積、減輕海上設施結構重量、節約能耗、減輕現場維護工作量、延長檢定周期、降低投資與運行維護成本，同時還可以降低流量計的故障概率，比較符合海上數字化油田建設的大趨勢。

[1] JJG 1030-2007，中華人民共和國國家計量檢定規程——超聲波流量計[S].北京：國家質量監督檢驗檢疫總局，2007.

[2] 黃寧偉.超聲波流量計的使用與維護[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量檢定規程——體積管[S].北京：國家質量監督檢驗檢疫總局，2010.