張 穎，孫 欽，孫 婧

(中海油研究總院，北京 100028)

液體超聲波流量計在FPSO上的實流標(biāo)定

張 穎，孫 欽，孫 婧

(中海油研究總院，北京 100028)

液體超聲波流量計(簡稱液超)在大口徑管道計量中有突出的優(yōu)勢，但實流標(biāo)定方法復(fù)雜是其用于外輸計量的瓶頸。南海某油田在國內(nèi)首次將液超應(yīng)用于浮式生產(chǎn)儲卸油裝置(FPSO)貿(mào)易交接計量。通過分析液超測量原理及檢測特性，對其標(biāo)定方案進行設(shè)計，在國內(nèi)首次嘗試采用體積管直接標(biāo)定液超。通過對比分析體積管與標(biāo)準表標(biāo)定結(jié)果，得出結(jié)論——增大體積管體積及采用多次連續(xù)標(biāo)定結(jié)果進行評價可有效解決體積管直接標(biāo)定液超問題。對液超在海上平臺的后續(xù)應(yīng)用有重要意義。

液體超聲波流量計；浮式生產(chǎn)儲卸油裝置(FPSO)；實流標(biāo)定；體積管

0 引 言

原油貿(mào)易交接計量是原油貿(mào)易的重要環(huán)節(jié)，通過測算標(biāo)準條件下貿(mào)易結(jié)算的不含水原油數(shù)量，得出原油價格相關(guān)參數(shù)，直接影響交接雙方的經(jīng)濟效益[1]。目前，國內(nèi)海上原油貿(mào)易交接計量中常用的流量計主要有容積式、渦輪式及質(zhì)量流量計，但容積式流量計體積龐大、壓損大，渦輪流量計對黏度敏感、不能長期保持校準特性，質(zhì)量流量計價格昂貴、零點不穩(wěn)定。液體超聲波流量計(液超，UFM)通過非干擾性介入測量方式，保證流量測量的同時維持流體的完整性，解決了常用流量計的缺點，且其內(nèi)部無可動部件，采購建造和后期運營維護成本低，非常適合海上平臺的應(yīng)用[2]。

根據(jù)我國計量法律和法規(guī)，原油貿(mào)易計量屬于依法強制管理的范疇，計量器具必須符合相關(guān)標(biāo)準并按規(guī)程進行標(biāo)定[3]。液超測量具有滯后性，并且對流量擾動敏感，這使液超的實流標(biāo)定成為一大難點。目前液超常用的標(biāo)定方式為標(biāo)準表法，采用經(jīng)過標(biāo)定、滿足要求的標(biāo)準表標(biāo)定液超，過程較繁瑣，耗時長，且標(biāo)準表的加入不利于降低成本。體積管標(biāo)定液超操作簡便，但應(yīng)用案例較少，且標(biāo)定球往復(fù)運動易引起流量擾動，不利于穩(wěn)定。本文從實際出發(fā)，對南海某浮式生產(chǎn)儲卸油裝置(FPSO)貿(mào)易交接級液超流量計[4]的標(biāo)定系統(tǒng)流程進行設(shè)計，在國內(nèi)首次嘗試采用體積管標(biāo)定液超，并對比分析體積管與標(biāo)準表實流標(biāo)定數(shù)據(jù)，得出影響體積管標(biāo)定液超效果的主要因素。研究結(jié)果對液超在貿(mào)易交接計量中的的應(yīng)用有重要的指導(dǎo)意義。

1 液超特性分析

時間差法超聲波流量計通過測量聲波在流動介質(zhì)中順流傳播和逆流傳播的時間差計算得到流量大小[5]。聲波在流體中的實際傳播速度由介質(zhì)靜止?fàn)顟B(tài)下聲波的傳播速度c和流體軸向平均速度Vm在聲波傳播方向上的分量組成，如圖1所示。

圖1 超聲波流量計測量原理Fig.1 Principle of ultrasonic flowmeters

順流和逆流傳播時間與各量之間的關(guān)系為

(1)

(2)

式中：tA→B為超聲波順流(即從換能器A到換能器B)傳播時間；tB→A為超聲波逆流(即從換能器B到換能器A)傳播時間；L為聲道長度；c為聲波在流體中的傳播速度；Vm為流體軸向平均速度；Φ為聲道角，即超聲波傳播方向與流體流動方向的夾角。

聯(lián)立兩式，得到流體平均速度：

(3)

由式(3)得流體直徑方向平均線速度，而流動橫截面上的平均面速度(即流量)可按下式計算：

(4)

管道內(nèi)流體的有效橫截面積與雷諾數(shù)大小相關(guān)[6]，當(dāng)雷諾數(shù)較低時，慣性力受黏性力約束，流體形狀圓潤，有效橫截面積較??；隨著雷諾數(shù)的增大，速度分布曲線頂部變得廣闊而平坦，有效橫截面積增大，如圖2所示。

圖2 管道內(nèi)流體有效橫截面積與雷諾數(shù)關(guān)系Fig.2 Flow profile with Reynolds number

流體雷諾數(shù)大小影響管道內(nèi)流體有效橫截面積，進而影響流量的計算。但若流體物性變化不大，通常認為有效橫截面積不變。因此定期對流量計進行實液標(biāo)定，用計算得到的儀表系數(shù)對流量計示數(shù)進行修正，可消除物性變化對流量計算的影響[7]。

2 某FPSO液超標(biāo)定分析

2.1 標(biāo)定方案設(shè)計

中國南海某油田新建15萬噸級FPSO，外輸合格原油密度835 kg/m3，最大外輸速率5 400 m3/h，結(jié)合原油黏度、外輸壓降要求等條件，最終選用液體超聲波流量計進行外輸計量。

參與貿(mào)易結(jié)算的流量計需定期標(biāo)定以保證計量準確性。一般流量計常用的標(biāo)定裝置主要有球形體積管、活塞式體積管和標(biāo)準表。標(biāo)定過程中將被檢流量計與標(biāo)定裝置串聯(lián)，用體積管的標(biāo)準體積(或已知精度的標(biāo)準表)來認證被檢流量計的精度。各標(biāo)定裝置對比如表1所示。

表1 標(biāo)定裝置比較

活塞式體積管以活塞為置換器，標(biāo)準體積小，活塞運動速度大，流量擾動大，不利于液超標(biāo)定。目前國內(nèi)外液超標(biāo)定多采用標(biāo)準表法[8]，將標(biāo)準表和被標(biāo)定流量計串聯(lián)，用已知精度的標(biāo)準表認證被標(biāo)定流量計。標(biāo)定過程中無置換器，流量擾動小，標(biāo)定效果穩(wěn)定。但標(biāo)準表法標(biāo)定過程繁瑣，需先標(biāo)定標(biāo)準表，再用標(biāo)準表標(biāo)定液超，標(biāo)準表的性能會影響標(biāo)定結(jié)果，且標(biāo)準表的加入不利于降低成本。本次標(biāo)定設(shè)計中嘗試采用雙向體積管標(biāo)定液超，為保證效果加入渦輪標(biāo)準表進行輔助，若成功應(yīng)用則可在今后的設(shè)計中省去標(biāo)準表。標(biāo)定流程設(shè)計如圖3所示。外輸流體分為4路，過濾后經(jīng)液超計量并行外輸。體積管標(biāo)定液超時，流量經(jīng)被標(biāo)定流量計后直接流經(jīng)體積管標(biāo)定后外輸；標(biāo)準表法標(biāo)定時，先用體積管標(biāo)定渦輪主表，再將被標(biāo)定流量計與標(biāo)準表串聯(lián)，進行標(biāo)定。未被標(biāo)定的液超正常外輸。

體積管標(biāo)定液超流程如圖4所示。標(biāo)定系統(tǒng)由標(biāo)準體積管、標(biāo)定球、檢測開關(guān)、換向閥、標(biāo)定計算機、溫壓傳感器及管線閥門組成。流量計和體積管串聯(lián)，流體經(jīng)流量計、換向閥后進入體積管。當(dāng)標(biāo)定球通過第一個檢測開關(guān)時，脈沖計數(shù)器啟動計數(shù)，開始標(biāo)定體積。當(dāng)標(biāo)定球通過第二個檢測開關(guān)時，計數(shù)器停止計數(shù)。流體由四向閥外輸。四向閥完成換向后，流體反向推動標(biāo)定球通過兩個檢測開關(guān)。完成單次標(biāo)定過程。

每臺流量計根據(jù)油輪常用外輸數(shù)據(jù)設(shè)定了5個流量標(biāo)定點進行標(biāo)定，分別為：300，700，1000，1300，1600 m3/h。在每個流量點處分別用兩種方法進行標(biāo)定，共分4個步驟：(1)用標(biāo)準體積管標(biāo)定主表；(2)用主表標(biāo)定超聲波流量計；(3)用體積管直接標(biāo)定超聲波流量計；(4)用體積管標(biāo)定主表驗證主表的復(fù)現(xiàn)性。

圖3 原油外輸計量標(biāo)定流程圖Fig.3 Process flow diagram of crude oil custody transfer

圖4 標(biāo)準體積管標(biāo)定系統(tǒng)流程圖Fig.4 Process flow diagram of the proving system

2.2 標(biāo)定結(jié)果分析

根據(jù)美國石油學(xué)會(API) MPMS規(guī)范要求，外輸計量儀表標(biāo)定時須達到0.027%的不確定度，對應(yīng)的重復(fù)性要求根據(jù)下式計算得到：

(5)

式中：a(MF)為流量計不確定度;t(95,n-1)為95%置信區(qū)間，自由度為n-1的學(xué)生分布系數(shù)，w(n)為標(biāo)定數(shù)據(jù)范圍，即最大值減去最小值；n為流量計標(biāo)定次數(shù)；D(n)為變換系數(shù)。

計算結(jié)果如表2所示。標(biāo)定按照連續(xù)5次操作重復(fù)性是否小于0.05%進行評價，重復(fù)性按照下式進行計算：

(6)

式中：R為重復(fù)性；Fmax和Fmin分別表示最大值和最小值。

前兩臺流量計標(biāo)定結(jié)果如圖5和圖6所示，在重復(fù)性要求(三角形標(biāo)識)之下的測量數(shù)據(jù)均為合格數(shù)據(jù)。由此看出，標(biāo)準表法標(biāo)定結(jié)果穩(wěn)定，各流量點液超儀表系數(shù)重復(fù)性均在萬分之五以內(nèi)，滿足API要求。而體積管直接標(biāo)定液超，流量較小時結(jié)果穩(wěn)定，隨著流量的增大，MF系數(shù)無法全部達到0.05%的重復(fù)性要求。

表2 不確定度0.027%下的液超標(biāo)定次數(shù)與重復(fù)性要求

圖5 液體超聲波流量計A標(biāo)定結(jié)果Fig.5 Proving data of flowmeter A

圖6 液體超聲波流量計B標(biāo)定結(jié)果Fig.6 Proving data of flowmeter B

分析原因，超聲波流量計通過智能電子元件高頻測量超聲波傳輸時間差，并通過采樣多次瞬時測量結(jié)果計算得到平均流速，輸出脈沖信號，因此輸出的測量信息滯后于流量特性[9]。同時液超測量各聲道瞬時流速，不僅觀測到主軸向速度，也實時觀測到由于阻力、擾動產(chǎn)生的分流現(xiàn)象，包括瞬時流態(tài)、旋渦等，導(dǎo)致液超測量數(shù)據(jù)分散分布，脈沖輸出不均勻[10]。

流量計的重復(fù)性等同于脈沖輸出數(shù)量的重復(fù)性，標(biāo)定過程中需測量代表流經(jīng)兩個檢測開關(guān)之間的流體體積的脈沖數(shù)量。脈沖測量的滯后性導(dǎo)致參與計數(shù)的一些脈沖實際上發(fā)生在檢測開關(guān)被觸發(fā)之前，同時由于脈沖的不規(guī)律輸出導(dǎo)致標(biāo)定過程對標(biāo)定球通過檢測開關(guān)前后的流量波動十分敏感。相比標(biāo)準表法，體積管直接標(biāo)定液超造成流量和壓力擾動的因素更多，如標(biāo)定球發(fā)射或四向閥換向等，因此體積管直接標(biāo)定效果略遜于標(biāo)準表法。

2.3 體積管標(biāo)定液超影響因素分析

根據(jù)前述分析，液超測量過程中脈沖輸出具有滯后性及不規(guī)則性，由此導(dǎo)致體積管直接標(biāo)定效果不穩(wěn)定。通過進一步分析，得到標(biāo)定過程中影響標(biāo)定效果的兩個重要因素：標(biāo)定體積和標(biāo)定次數(shù)。

2.3.1標(biāo)定體積

液超脈沖輸出的滯后性及不規(guī)則性導(dǎo)致流量計需要更多的脈沖數(shù)量來達到重復(fù)性要求[11]。標(biāo)定體積越大，單次標(biāo)定產(chǎn)生的脈沖數(shù)量越多，脈沖不規(guī)則性對重復(fù)性的影響就越小。同時增大標(biāo)定體積，也可降低脈沖滯后性的影響。對比兩種標(biāo)定方法，體積管標(biāo)定體積為10m3，而標(biāo)準表標(biāo)定時，渦輪流量計K系數(shù)需滿足萬分之一的誤差，即標(biāo)定體積為

對比可得，標(biāo)準表法的標(biāo)定體積遠大于體積管的標(biāo)定體積，因此分析標(biāo)定效果由于體積增大而變好。由于實液標(biāo)定的復(fù)雜性，進行現(xiàn)場實驗驗證不同標(biāo)定體積下的標(biāo)定結(jié)果不太可行。美國賓夕法尼亞州格林斯堡對丙烷外輸液超做的一個標(biāo)定實驗[12]驗證了這一猜測，如圖7所示。隨著體積管標(biāo)定體積的增大，標(biāo)定數(shù)據(jù)的分散度越來越小，重復(fù)性也越來越小。因此增大標(biāo)定體積是解決液超標(biāo)定不穩(wěn)定的一個辦法。表3為API中液超標(biāo)定體積管容積推薦值[13]。但海上平臺空間有限，標(biāo)定所需的體積管容積較大，因此會受到一定限制。

圖7 標(biāo)定體積與重復(fù)性之間的關(guān)系Fig.7 Repeatability versus proving volume

注：1英寸=2.54 cm。

2.3.2標(biāo)定次數(shù)

超聲波流量計測量過程中將觀測到的軸向速度與非軸向速度進行了實時合并，因此測量數(shù)據(jù)分散，脈沖輸出不均勻。這種分散是隨機的，數(shù)據(jù)均勻地分布在流量平均值周圍。因此增加標(biāo)定測量次數(shù)，可以降低數(shù)據(jù)分散帶來的不確定性。表3中5次標(biāo)定重復(fù)性達到0.05%和10次標(biāo)定重復(fù)性達到0.12%所需體積管容積值相差懸殊。又知儀表系數(shù)滿足表2重復(fù)性要求即能保證流量計達到0.027%的不確定度。因此適當(dāng)增加操作次數(shù)可降低液超標(biāo)定所需的體積管容積，即在相同的標(biāo)定體積下，標(biāo)定次數(shù)越多越容易達到重復(fù)性要求。文獻[11]中圖4的例子也驗證了這一點。而在本次實液標(biāo)定中，流量計A在1000m3/h的標(biāo)定數(shù)據(jù)如表4所示，5次標(biāo)定重復(fù)性不滿足要求，但6次標(biāo)定重復(fù)性為0.0512%<0.06%，滿足標(biāo)準；流量計B在700m3/h時用體積管共標(biāo)定了10次，如表5所示，計算得連續(xù)5次標(biāo)定重復(fù)性為0.057594%>0.05%，不滿足要求，但連續(xù)10次標(biāo)定重復(fù)性為0.1039%<0.12%，滿足要求。因此，考慮到超聲波流量計對擾動的敏感性以及數(shù)據(jù)的分散性，在標(biāo)定時可適當(dāng)采用多次結(jié)果進行計算。

表4 流量計A在1 000 m3/h時用體積管標(biāo)定結(jié)果

表5 流量計B在700 m3/h時用體積管標(biāo)定結(jié)果

綜上所述，用體積管標(biāo)定液超時，增大體積管標(biāo)定體積以及采用多次連續(xù)標(biāo)定結(jié)果進行計算都是直接標(biāo)定的有效途徑。

3 結(jié) 語

在海上原油貿(mào)易交接計量系統(tǒng)中，液體超聲波流量計與傳統(tǒng)流量計如容積式、渦輪式和質(zhì)量流量計相比具有諸多優(yōu)點，尺寸小，重量輕，維護、運營成本低，非常適合用于大流量原油貿(mào)易計量。但海上平臺空間有限，體積管體積受到限制，并且FPSO容易受風(fēng)浪影響產(chǎn)生晃動，因此標(biāo)準表法標(biāo)定更為穩(wěn)妥。采用體積管直接標(biāo)定時，需嚴格按照標(biāo)準計算體積管尺寸。此外，增加標(biāo)定次數(shù)，采取多次標(biāo)定結(jié)果進行評價有利于達到重復(fù)性要求，但需要更多的實流標(biāo)定數(shù)據(jù)來驗證其可靠性。

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ProvingofLiquidUltrasonicFlowmetersonFPSO

ZHANG Ying, SUN Qin, SUN Jing

(CNOOC Research Institute, Beijing 100028, China)

Liquid ultrasonic flowmeters have outstanding advantages in large flow rate measurement, but its proving is much more complex than other flowmeters, which limits its application. Four ultrasonic flowmeters were first used in the custody transfer system on FPSO in the South China Sea. We analyze the principle and features of ultrasonic flowmeters, and then design the proving scheme. We attempt to use pipe prover to prove ultrasonic flowmeters for the first time in China. By contrasting pipe prover and master meter proving data, we can draw a conclusion that increasing the standard volume of pipe prover and evaluating the meters with more proving runs can help to solve the proving problem of pipe prover, which is relevant for the other similar upcoming projects.

liquid ultrasonic flowmeter; floating production, storage and offloading system (FPSO); proving; pipe prover

2016-03-18

張穎(1990—)，女，碩士研究生，主要從事海洋石油平臺儀控設(shè)計。

TH814+.92

A

2095-7297(2016)02-0099-06