李增材 郭保玲

1.國家石油天然氣管網(wǎng)集團有限公司 2.北京市燃氣集團研究院

貿(mào)易交接計量系統(tǒng)(lease automatic custody transfer system,LACT)用于企業(yè)間貿(mào)易交接計量,普遍用于長輸管道首末站、分輸站、油庫和油田外輸站場等場所。貿(mào)易交接計量系統(tǒng)通常把涉及計量的各部分進行集成,預先安裝在同一個或多個鋼制基座上,以橇裝形式進行設計和整體供貨。貿(mào)易交接計量橇在出廠前需做試壓及各項功能測試,并取得計量檢定證書,到達現(xiàn)場后只需和上下游管道連接并把信號連接到控制室的儀表柜后便可以投入運行,計量橇已成為交接計量系統(tǒng)的主要供貨形式。

目前,全球新建項目中原油貿(mào)易交接系統(tǒng)采用橇裝形式的約占80%。我國近幾年在石油天然氣工業(yè)的許多大型項目上也都采用了計量橇裝系統(tǒng),例如:蘭成渝成品油管道、珠江三角洲成品油管道及我國在國外投資的哈薩克斯坦原油項目、肯尼亞成品油項目、委內瑞拉MPE3原油處理站項目等[1-2]。

1 主要設備及工藝流程

1.1 主要設備

LACT主要由計量單元和標定單元組成。根據(jù)介質特性、計量要求和運行需求(見圖1)。

具體選用以下元件[3]:

(1)計量單元:應選用計量精度和重復性高的高準確度流量計,包括質量流量計、容積式流量計、超聲流量計等,準確度等級應不低于0.2級,最大允許誤差不大于±0.2%。

(2)標定設備:體積管、四通閥、標定回路及接口等。重復性為衡量體積管的重要技術指標,通常體積管最大允許誤差為±0.05%,重復性為0.02%。

(3)計量儀表:溫度表、壓力表及溫度變送器、壓力變送器。通常,流量計出口側安裝分度值不大于0.1 ℃的溫度計,不低于0.4級的壓力表,溫度變送器最大允許誤差為±0.2%,壓力變送器最大允許誤差為±0.2%。

(4)分析儀表:自動取樣器(包括取樣循環(huán)泵)、水分析儀、密度計、H2S分析儀等。

(5)管路和閥門:控制閥宜選用電動閘閥、流量控制蝶閥等,截斷閥選用排污閥、DBB閥等,保護用閥包括泄放閥、截止閥等。

(5)儀表電路系統(tǒng):電源分配箱、信號接線箱、撓性連接管、防爆穿線管、穿線盒等。

(6)控制機柜:流量計算機、PLC控制器、標定計算機(含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、標定評價兼操作終端等功能)、UPS。

(7)其他設備:消氣器、穩(wěn)流器、過濾器等。

計量單元出口匯管通常設有水分析儀和自動取樣裝置,以檢測油品含水率、硫含量或其他物性指標,每條計量管路出口設置DBB雙截斷閥門。

1.2 工藝流程

計量及標定系統(tǒng)撬裝內的工藝流程分為計量工藝流程和標定工藝流程(見圖2)。

油品交接計量通過計量單元完成,計量單元中的計量工藝流程通常采用N+1形式(即N路運行、1路備用),保證檢修或故障時不間斷運行。每路計量管路上都設置流量計、溫度變送器、壓力變送器及部分就地儀表等,可進行數(shù)據(jù)采集、顯示和流量的溫壓補償。取樣口及分析儀表宜設在計量橇出口匯管各儀表原件之后,以減少油品擾動對測量結果的影響。

在計量工藝流程下游的旁路上設置標定工藝流程,流量計標定通過標定單元完成。正常計量時斷開標定工藝流程,標定時則斷開正常計量通道,開啟標定工藝流程,確保標定工藝流程與計量工藝流程呈串連連接。標定工藝流程包括100%、75%、50%、25%流量計輸出的標定。對于流量計每個輸出值的標定,球形置換器在原油的推動下從收發(fā)球筒沿體積管運動,通過標準體積段,先后觸發(fā)兩個檢測開關并計數(shù);當球被推到體積管另一側的收發(fā)球筒后,四通閥換向進行反向標定,一個來回通球行程為一個標定循環(huán),以上連續(xù)循環(huán)通常重復2～5次,采用平均值數(shù)據(jù)法或平均流量計系數(shù)法確定標定結果[3]。標定流程可與計量流程同步進行,實現(xiàn)不停產(chǎn)在線標定。

2 計量及標定系統(tǒng)

2.1 計量系統(tǒng)

高準確度流量計為計量系統(tǒng)核心設備,主要類型有質量流量計、容積式流量計(即PD流量計)和超聲流量計。其中,容積式流量計包括腰輪流量計、雙轉子流量計、橢圓齒輪流量計、刮板流量計與渦輪流量計等,質量流量計常采用科里奧利流量計。通常,根據(jù)原油黏度、流量范圍和化學成分等特性選擇適宜的流量計類型。其中,API MPMS《原油檢測標準手冊》給出了容積式流量計和渦輪流量計的選用原則,高黏流體宜選用容積式流量計,成品油計量或雷諾數(shù)大于10 000的油品宜選用渦輪式流量計。超聲流量計在國外原油貿(mào)易交接計量中的應用較為成熟,近年來在國內海上原油外輸計量系統(tǒng)中也得到了應用,實測最大誤差小于0.18%。目前,國內相關標準規(guī)范體系還不健全,但因壓降小、量程比高、對油品無擾動、便于維護等優(yōu)勢,具有良好的應用前景[5]。質量流量計直接測量原油質量,不受溫度和壓力的影響,具有準確度高、穩(wěn)定性好、量程比大等特點,但其壓損大、價格昂貴、零點不穩(wěn)定、對外部振動等干擾敏感性高。

國際貿(mào)易交接計量以體積計量為主,我國原油交接計量沿用蘇聯(lián)和東歐的質量計量方式。科里奧利質量流量計具有更好的計量性能,通過密度儀、溫度傳感器和流量計算機等設備也可以實現(xiàn)向體積流量的轉化[6]。通常流量計生產(chǎn)商依托核心設備的專有技術實現(xiàn)了LACT成橇設計和整體供貨。

原油貿(mào)易交接計量技術指標根據(jù)用戶需要而確定,國際上原油動態(tài)計量執(zhí)行API和ISO標準,跨加拿大與美國的Keystone原油管道和里海歐亞地區(qū)的Baku-Tbilisi-Ceyhan原油管道計量系統(tǒng)最大允許誤差為±0.25%、流量計最大允許誤差為±0.15%,伊拉克納西里耶油庫原油貿(mào)易交接計量用流量計最大允許誤差為±0.15%,委內瑞拉PDVSA國家石油公司貿(mào)易交接計量流量計最大允許誤差為±0.1%,貿(mào)易交接計量用流量計最大允許誤差通常為±0.2%[7-8]。GB/T 9109.1-2016《石油和液體石油產(chǎn)品動態(tài)計量第1部分:一般原則》規(guī)定了用于我國貿(mào)易交接計量的流量計最大允許誤差為±0.2%、計量系統(tǒng)凈油標準體積擴展不確定度不大于0.25%、凈油表觀質量擴展不確定度不大于0.35%,以及流量計計量系統(tǒng)和體積管的設計、安裝技術要求等。

2.2 計算機控制單元

計算機控制單元由流量計算機、標定計算機和服務器終端組成。

流量計算機主要接收流量、溫度和壓力信號,進行流量瞬時和累計運算、控制管路,控制閥門開度,調節(jié)標定和計量流量等。計量單元至少設置1臺流量計算機,通常為提高可靠性,每路計量管路設置1臺流量計算機,對采集的工藝參數(shù)進行運算和控制,在線輸出計量數(shù)據(jù)。

標定計算機接收四通閥信號并控制其運動方向,接收體積管溫度、壓力、含水率和密度等信號,控制流量的比例,進行取樣和標定,計算校準的標定體積、儀表系數(shù)M和流量系數(shù)K。標定單元設置標定計算機1臺,基于計量單元流量計算機的運算結果,調節(jié)四通閥開度導通體積管開始標定流程,調整流程可進行單臺流量計的標定。

2.3 標定系統(tǒng)

流量計的標定主要包括體積管法、容積法、稱量法和標準表法,其中體積管法最為常用,且雙向球形體積管常作為LACT橇的一部分進行整體設計和供貨(見圖3)。對于體積管的檢定需使用二等標準量器[9],其不確定度為2.5×10-4。

3 橇裝化設計及供貨特點

國內外工程關于LACT成橇形式存在差異,國內油田和原油長輸管道通常采用自行設計計量單元的形式,但標定單元需專業(yè)廠家提供,該種方式占地往往較大,設備體積大需要專用建筑物。目前,國際上交接計量大都采用專業(yè)供應商采用國際標準設計的計量橇,關于橇裝化設計的難點和特點如下。

3.1 橇裝化設計難點

(1)流量計和流量計算機是核心部件,在成橇緊湊的條件下,應考慮如何合理選型、正確安裝和保障可維護,若處理不好則會嚴重影響計量橇的性能。

(2)標定系統(tǒng)是核心部件之一,用于定期標定流量計,通常由專有技術供應商成橇供貨,如設計條件和要求不到位易影響后期使用且難以調整。因此,應根據(jù)設計條件和現(xiàn)場運行條件進行合理選型、充分考慮標定系統(tǒng)的運行維護及管理要求、設備安裝條件等,并在訂貨條件中予以明確。

(3)對于貿(mào)易交接計量設備,國內和國際相關設計標準規(guī)范存在差異,往往需要得到用戶所在地政府或用戶的審批和認證,且需滿足當?shù)氐臉藴室?guī)范。

(4)管道裝配情況影響測量性能,必須通過模擬和計算將渦流等復雜工況、儀表、設備與配管統(tǒng)一考慮,保證計量橇結構緊湊、計量及標定準確可靠。

(5)選用的流量計算機需得到相關機構認證后方可用于貿(mào)易交接計量,國際認可的貿(mào)易計量認證機構包括OIML、PTB、NEL或API等。

(6)國際貿(mào)易用交接計量單元需要選用國際上具有標定資格的機構進行送檢,主要有荷蘭鹿特丹NMI、德國PIGSAR、美國CEESI IOWA、加拿大TCC[10]。

3.2 橇裝化設計特點

(1)保證計量精度,降低經(jīng)營風險:整體供貨可以保證一體化的設計和嚴格的整體測試,所有儀表、設備、管道可以得到整體評估,避免單臺設備組裝不當導致的滲漏、不嚴密、儀表調試不準確、計量精度不達標等問題,規(guī)避貿(mào)易糾紛和責任界面不清帶來的經(jīng)營風險。

(2)有利于保障工期和質量:國內外生產(chǎn)制造商和成橇集成商已普遍形成標準化橇塊設計,均可為供應商提供整體解決方案,避免工程公司設計帶來的關鍵設備廠家、成橇集成商和工程公司界面管理不清等問題;貿(mào)易交接計量系統(tǒng)涉及諸多專利技術和專有設備,專業(yè)化程度要求高,由專業(yè)生產(chǎn)制造商或成橇集成商整體供貨,有利于保障工程建設工期和質量。

(3)服務專業(yè),便于維護:專業(yè)化供應商整體橇裝化供貨可以提供設計制造、專業(yè)認證、安裝調試、保養(yǎng)維護等全過程的專業(yè)化服務和整體技術解決方案,通常在設備所在地區(qū)設有專業(yè)機構負責設備維護和咨詢服務,有利于貿(mào)易計量橇整體和各部件的專業(yè)化維護。

(4)對設計和采購要求高:國內外貿(mào)易交接計量橇供應商設計標準、理念存在差異,國際供應商通常需要與工程所在國家的企業(yè)合作或以代理的形式供貨,以保障設計標準滿足當?shù)貥藴室?guī)范和法律法規(guī)要求。國內供應商通常采購國際品牌關鍵設備并進行橇裝化組裝,往往需要設計單位的介入且專業(yè)化程度也有待提高。

(5)貿(mào)易交接計量橇價格高昂:在選用相同設備材料的情況下,成橇供貨費用比傳統(tǒng)設計組裝的方式高出30%左右,且需要供貨商專業(yè)的保養(yǎng)維護,后期維護成本高。

4 結語

(1)貿(mào)易交接計量橇作為國際上交接計量系統(tǒng)的主要設計和供貨形式,具有結構緊湊、安裝方便、服務專業(yè)等特點,橇裝化設備費用高,對設計和采購要求高,但由專業(yè)化供應商整體橇裝化設計和供貨有利于降低經(jīng)營風險、提升整體性能、提高維護保障能力。

(2)流量計、計算機和體積管作為LACT的核心設備,其選型和配置是保證計量系統(tǒng)性能的主要因素,必須進行專業(yè)化設計和選型。

(3)LACT及內部設備的選型、認證、配管、安裝等方面存在的技術難題是原油貿(mào)易交接計量及標定系統(tǒng)設計和評估過程中的重要考慮因素,需要結合經(jīng)營需求,合理優(yōu)化、嚴格把關。