原油自動(dòng)取樣系統(tǒng)組成和選型淺析

龔達(dá)樂,王凱衛(wèi),王偉

(中國石油工程建設(shè)有限公司 北京設(shè)計(jì)分公司，北京 100085)

原油貿(mào)易交接過程需要一個(gè)精確的計(jì)量分析系統(tǒng)，不僅要確定交接油品數(shù)量，還要確定交接油品品質(zhì)或油品成分。通常采用具有代表性的原油試樣判定該油品的品質(zhì)(化學(xué)和物理特性)，從而用來確定標(biāo)準(zhǔn)體積價(jià)格，并依此建立對(duì)應(yīng)商業(yè)條款和合同執(zhí)行期間監(jiān)管要求。實(shí)際上原油成分的變化很大，以往對(duì)油品品質(zhì)以及組成的測(cè)量往往被低估，隨著原油需求量的增大以及原油產(chǎn)品在全球范圍內(nèi)的短缺，使得油品品質(zhì)或者組分的測(cè)量變得越來越重要[1]。

按照GB/T 4756—2015《石油液體手工取樣》的要求，需要每隔2 h手動(dòng)取樣一次來分析組分[2]，由于原油品種變化頻繁，混配不均，可能造成試樣不具有代表性，在進(jìn)行組分檢測(cè)分析時(shí)所得的結(jié)果代表性自然也不準(zhǔn)確。而自動(dòng)采樣系統(tǒng)能夠按照預(yù)先設(shè)定的時(shí)間間隔或者按照流量比例連續(xù)地提取樣本以保證整個(gè)采樣過程中流體組分變化能夠體現(xiàn)在收集的試樣中，從而做到準(zhǔn)確測(cè)定原油物性以及組成等主要參數(shù)，確保安全平穩(wěn)生產(chǎn)，并有效控制了原油交接損失和加工損失[3]。

目前，石油以及油品自動(dòng)取樣系統(tǒng)的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)主要有： ISO 3171： 1988Petroleumliquids—Automaticpipelinesampling， API MPMS 8.2： 2016Manualofpetroleummeasurementstandardschapter8.2standardpracticeforautomaticsamplingofpetroleumandpetroleumproducts， GB/T 27867—2011《石油液體管線自動(dòng)取樣法》。本文將結(jié)合以上標(biāo)準(zhǔn)以及目前市場上原油自動(dòng)取樣系統(tǒng)，對(duì)原油取樣系統(tǒng)組成、功能和類型進(jìn)行分析。

1 原油自動(dòng)取樣系統(tǒng)的組成

在一個(gè)典型的取樣應(yīng)用中，用于分析試樣的體積相比交接計(jì)量體積是很小的，它是否能準(zhǔn)確真實(shí)地反應(yīng)被取樣油品的真實(shí)情況顯得至關(guān)重要，為了從流動(dòng)的油品中獲得代表性試樣，ISO 3171[4]和API 8.2[5]均要求必須滿足以下取樣條件，其中任何一個(gè)條件不滿足，都能影響最終結(jié)果的有效性[4-5]。

1)從管線中所取試樣的組成，應(yīng)與取樣位置和取樣時(shí)間內(nèi)整個(gè)管線橫截面上油品平均組成相同，即管線內(nèi)流體充分混合。

2)取樣速率以及取樣量應(yīng)與管道內(nèi)流量成正比，保證流體流量取樣比的可靠和有效的采樣控制，以確保試樣在整個(gè)取樣時(shí)間段內(nèi)的代表性。

3)試樣的儲(chǔ)存過程中必須保持與取樣時(shí)相同的組分，不得出現(xiàn)液體、固體、氣體損耗，而且不能被污染。

4)試樣在分離成數(shù)個(gè)子樣的過程中，應(yīng)充分混合確保每個(gè)子樣與原樣具有完全相同的組成。

為了達(dá)到以上取樣要求，取樣系統(tǒng)需要包含以下部件： 液流混合器(可選)，取樣探頭，取樣分離器，試樣收集器，取樣控制系統(tǒng)以及內(nèi)部的管線和閥門及其他附件。

1.1 液流混合器

液流混合器分為靜態(tài)混合器和動(dòng)態(tài)混合器，通過轉(zhuǎn)換管線內(nèi)的壓力能或者加入外部動(dòng)能，使管路內(nèi)的流體達(dá)到混合均勻的流態(tài)。

為了保證取樣點(diǎn)處的試樣能代表流體的真實(shí)品質(zhì)，流體在取樣點(diǎn)前必須充分混合，混合通常通過管件，以收縮管徑，垂直回路等方式，外加靜態(tài)混合器和動(dòng)力混合器等途徑實(shí)現(xiàn)。是否需要配置靜態(tài)混合器或者動(dòng)力混合器這類外加混合裝置，需經(jīng)過計(jì)算或者測(cè)試。根據(jù)文獻(xiàn)[4]水力學(xué)定律中的能量耗散率，考慮沿管線橫截面的含水分布為指標(biāo)確定液體混合合格限。

1)靜態(tài)混合器是通過一系列安裝在主管道上的擋板組成的簡單混合器，以產(chǎn)生足夠的紊流使流體充分混合。混合所需的能量來自于流體流經(jīng)靜態(tài)混合器時(shí)的壓力損失，只適用于流量比小的場合，使用時(shí)需要考慮額外壓損對(duì)整個(gè)流體系統(tǒng)流量帶來的影響。

2)動(dòng)力混合器通過電機(jī)/泵來增加流體流動(dòng)的能量，達(dá)到充分混合的要求。因此動(dòng)力混合器幾乎不產(chǎn)生任何壓降，適用于高流量比的工況，但需要額外的動(dòng)力源。

1.2 取樣探頭

取樣探頭用于插入流體主管道獲取試樣，根據(jù)所測(cè)量流體的性質(zhì)以及流體在管線中的流態(tài)選取，并在合適的位置安裝，取樣探頭類型如圖1所示。

取樣探頭要求能夠獲取管道內(nèi)真實(shí)反映油品品質(zhì)和組分的試樣。探頭和取樣點(diǎn)的選擇以及探頭的插入深度需要根據(jù)生產(chǎn)廠家建議綜合考慮取樣系統(tǒng)類型、流體性質(zhì)、是否有液流混合器等因素。ISO3171[4]附錄C中提供了取樣位置的初選指南，API 8.2中附錄A.2給出了取樣器探頭位置選擇的理論計(jì)算方法。所有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)都建議在確定合適的取樣點(diǎn)之前對(duì)初選的取樣點(diǎn)進(jìn)行完整的試驗(yàn)，計(jì)算取樣區(qū)域是否達(dá)到流體充分混合[5]。

圖1 取樣探頭類型示意

1.3 取樣分離器

取樣分離器是用于分離取樣探頭中獲得的試樣，并注射到試樣收集器中的機(jī)械裝置，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。作為取樣系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)接受取樣控制系統(tǒng)的指令執(zhí)行取樣操作，可以調(diào)節(jié)每次取樣量以及取樣頻率，通過每次取樣量以及取樣頻率共同決定一個(gè)批次取樣的總量，取樣器需要保證取樣量可接受的精度以及可重復(fù)性。API 8.2中附錄A.1給出了每次取樣量、取樣頻率、取樣誤差相關(guān)的計(jì)算方法[5]。

圖2 取樣分離器示意

1.4 試樣收集器

試樣收集器可以由一個(gè)或者幾個(gè)儲(chǔ)存容器組成，分為固定容積和可變?nèi)莘e兩類，類型的選擇取決于被取樣流體的性質(zhì)。固定容積試樣接收器容納試樣的體積是固定的，試樣與其內(nèi)的大氣相接觸；可變?nèi)莘e試樣接收器能避免原油與空氣接觸，可防止輕組分和水蒸氣損失，特別適用于蒸氣壓較高的液體石油產(chǎn)品和原油。

1.5 取樣系統(tǒng)安裝注意事項(xiàng)

為減小無效容積，取樣管道及管件連接盡可能短，試樣接收器盡量位于系統(tǒng)的最低點(diǎn)；取樣管線上安裝止回閥或相應(yīng)裝置，以防止試樣可能從取樣位置倒流進(jìn)入管線，但不應(yīng)阻礙進(jìn)入收集器的通道。

2 自動(dòng)取樣控制系統(tǒng)

自動(dòng)取樣控制系統(tǒng)對(duì)取樣分離器動(dòng)作的時(shí)間以及取樣量進(jìn)行控制，需要滿足響應(yīng)時(shí)間要求以保障取樣頻率。常規(guī)有兩種取樣控制方式： 基于流量比取樣以及基于時(shí)間取樣[7]。

1)基于流量比的取樣控制方式。需要獲取準(zhǔn)確的流量數(shù)據(jù)，往往依靠交接計(jì)量流量計(jì)或者其他能夠準(zhǔn)確反映流量的計(jì)量系統(tǒng)，如用于貿(mào)易交接的大罐計(jì)量系統(tǒng)。

2)基于時(shí)間的取樣控制方式。在整個(gè)取樣周期內(nèi)流量變化小于平均流量的±10%時(shí)可以取樣。每次的取樣量以及取樣頻率需要根據(jù)被取樣油品的性質(zhì)以及整個(gè)取樣周期內(nèi)需要獲取的總試樣量確定。

自動(dòng)取樣控制器可以為獨(dú)立控制器，也可以由過程控制系統(tǒng)控制，系統(tǒng)輸出取樣信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間要能夠滿足取樣要求[8-9]。

自動(dòng)取樣控制器除了輸出取樣信號(hào)，還需要監(jiān)控以下信號(hào)： 主管道流量，取樣次數(shù)，不同取樣批次間的沖洗，試樣確認(rèn)，取樣計(jì)數(shù)，試樣存儲(chǔ)容器的切換，批次計(jì)算等。

3 原油自動(dòng)取樣系統(tǒng)類型

根據(jù)取樣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及適用工況不同，原油自動(dòng)取樣系統(tǒng)主要分為： 主管直接安裝式在線取樣系統(tǒng)、取樣回路式的自動(dòng)取樣系統(tǒng)[10]、動(dòng)力混合回路式自動(dòng)取樣系統(tǒng)。

3.1 主管直接安裝式在線取樣系統(tǒng)

直接安裝式取樣系統(tǒng)由取樣探頭/取樣分離裝置，試樣接收器，控制器以及管道、閥門組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。通過取樣探頭上的分液裝置直接從主管道上抽取分離試樣至試樣接收器，該系統(tǒng)成本低，但是取樣精度不高，測(cè)量具有不確定性。由于直接安裝在主管道上，該系統(tǒng)維護(hù)檢修時(shí)需要專用設(shè)備，維護(hù)成本高，適用于簡單的取樣需求和對(duì)取樣精度要求不高的場合。

圖3 直接安裝式在線取樣系統(tǒng)示意

3.2 回路式自動(dòng)取樣系統(tǒng)

回路式自動(dòng)取樣系統(tǒng)由循環(huán)管路、泵、取樣探頭、取樣分離裝置、試樣接收器、控制器以及管道、閥門組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。該系統(tǒng)通過在主管段旁設(shè)置一個(gè)DN25或者DN50專用于取樣的回路，回路中的流體同樣需要保持充分混合，取樣分離裝置從取樣回路中抽取分離試樣，一部分流體進(jìn)入試樣接收器，其余流體通過管道返回主管道，返回主管道的接口可以在取樣口上游或者下游。該類型自動(dòng)取樣系統(tǒng)成本較高，但易維護(hù)且精確度更高。

圖4 回路式自動(dòng)取樣系統(tǒng)

上述是規(guī)范中描述的兩種典型的自動(dòng)取樣系統(tǒng)，對(duì)于是否需要安裝外部混合裝置，則需要根據(jù)原則進(jìn)行計(jì)算選取。如果實(shí)際生產(chǎn)中要求自動(dòng)取樣的同時(shí)安裝在線分析儀，則必須采用回路式自動(dòng)取樣系統(tǒng)。

3.3 動(dòng)力混合回路式自動(dòng)取樣系統(tǒng)

根據(jù)上述類型以及具體的取樣要求，將動(dòng)力式液流混合器以及回路式取樣系統(tǒng)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出動(dòng)力混合回路式自動(dòng)取樣系統(tǒng)，如圖5所示。通過取樣回路中的泵將返回主管線中的部分流體高速注射器重新注入取樣探頭的上游管道，使流體產(chǎn)生動(dòng)力混合的效果。該類取樣系統(tǒng)對(duì)于需要外部混合的回路取樣系統(tǒng)很有優(yōu)勢(shì)[11]。

圖5 動(dòng)力混合回路式自動(dòng)取樣系統(tǒng)示意

4 結(jié)束語

原油自動(dòng)取樣系統(tǒng)在貿(mào)易交接的過程中起到重要作用，清楚掌握原油自動(dòng)取樣系統(tǒng)的組成以及各組成部分的功能和性能要求，才能正確合理選擇自動(dòng)采樣系統(tǒng)的類型，從而做到準(zhǔn)確測(cè)定原油物性以及組成等主要參數(shù)，確保生產(chǎn)安全平穩(wěn)，并能有效控制原油交接損失和加工損失。