FPSO原油外输计量标定系统的选型与设计.doc

FPSO原油外输计量标定系统的选型与设计何骁勇，徐正海，王 浩，纪 超（中海油研究总院，北京 100027）摘要：本文介绍了FPSO原油外输计量标定系统中流量计与标定装置的选型和设计原则，并通过对具体的FPSO原油外输计量标定系统进行选型分析。对于大口径、大流量的原油贸易交接计量，液体超声波流量计在尺寸、压降和免维护性等方面有突出优势。在标定装置的选择上，可优先考虑采用双向球形体积管对液体超声波流量计进行现场检定。关键词：FPSO；计量标定系统；液体超声波流量计；体积管中图分类号:TP274 文献标志码：AFPSO crude oil metering and proving system selection and designHE Xiao-yong,XU Zheng-hai,WANG Hao,JI Chao(CNOOC Research Institute,Beijing 100027,China)Abstract:This paper describes the flowmeter and prover and design principles for FPSO crude oil metering and proving system.Through the research and analysis on the metering and proving system,the paper concludes that for large-caliber,high-volume crude oil custody transfer metering,liquid ultrasonic flowmeters have outstanding advantages in size,pressure drop,maintenance and other aspects.In the selection of proving system,the bidirectional U-Type sphere prover system have the priority.Key words:FPSO;metering and proving system;liquid ultrasonic flowmeter;prover0 引言FPSO（浮式生产储油装置）是海上油田开发的主要生产设施，可对海上井口所产的原油进行油、气、水三相分离处理，并将处理合格的原油输送到货油舱储存和外输。FPSO上一般都设置有1套原油外输计量标定系统，原油外输计量标定系统设置的是否合理，直接关系到FPSO甚至整个油田的正常生产；原油外输计量标定系统计量精度是否满足法定要求，直接关系到贸易交接双方的经济利益。1 系统的组成与要求1.1 计量标定系统组成海上油田FPSO上原油外输计量标定系统一般由位于现场的计量撬、标定撬和位于中控室的流量计算机、控制盘和操作站等几部分组成。计量撬包括计量系统、自动在线取样装置及管线阀门等；标定撬包括体积管标定装置及其管线阀门等。计量标定系统的主要设备组成如表1所示。为了简化采购流程，极大地缩短施工、调试及投运时间，节约安装空间，海上油田的原油外输计量标定系统一般都要求厂家成撬提供，并在海上采油生产平台或FPSO上整体安装。表1 原油外输计量标定系统组成撬 座设备计量撬进口球阀、过滤/消气器、整流器、流量计、压力表和压力变送器、温度表和温度变送器、流量调节阀、出口DBB 阀、去体积管DBB阀、自动取样装置标定撬体积管、阀门、检测开关、压力表和压力变送器、温度表和温度变送器中控室流量计算机（每1路1台，外加1台用于标定）、控制盘、操作站、打印机1.2 原油外输贸易交接计量系统要求1.2.1 计量仪表与标准装置的准确度1流量计基本误差应不大于0.2%；原油密度测定极限误差应不大于1 kg/m3；原油含水测定极限误差应不大于0.1%；标准体积管的复现性应优于0.02%；标准流量计的重复性应优于0.07%；综合计量误差应不大于0.35%。1.2.2 计量仪表的检定作为原油交接计量用的流量计及密度计一般应实行在线实液检定。作为原油交接计量用的计量仪表均属国家强制检定的计量器具，必须按照中华人民共和国强制检定的工作计量器具检定管理办法实行强制检定。2 相关标准与规范国内、外关于原油或液态烃动态计量的标准与规范有很多，但大部分都是关于容积式、涡轮或质量流量计的标准或规范，关于液体超声波流量计的标准很少。目前，国内只有一个超声波流量计检定规程JJG 1030-2007（超声波流量计检定规程）。国外在液体超声波流量计的检定方面主要参考的是API 5.8（Measurement of Liquid Hydrocarbons by Ultrasonic Flow Meters Using Transit Time Technology），其中在2011年发布的最新版API 5.8中取消了用于标定液体超声波流量计体积管的推荐标准段容积。基于液体超声波流量计的原油外输计量标定系统设计可参考的相关标准和规范详见表2。表2 原油动态计量与体积管见检定相关标准与规范序号标准编号标准名称1GB 9109.1-1988原油动态计量 一般原则2GB 9109.2-1988原油动态计量 容积式流量计安装技术规定3GB 9109.3-1988原油动态计量 固定式标准体积管安装技术规定4GB 9109.5-1988原油动态计量 油量计量5JJG 1030-2007超声波流量计检定规程6JJG209-2010体积管检定规程7GB 50253-2006输油管道工程设计规范8API MPMS Chapter 4Proving Systems9API MPMS Chapter 5Metering10API MPMS Chapter 6Metering Assemblies11API MPMS Chapter 7Temperature Determination12API MPMS Chapter 8Sampling13API MPMS Chapter 9Density Determination14OIML-R117-1Dynamic Measuring Systems for Liquids other than Water3 流量计与标定装置选型原则3.1 流量计的选型一直以来用于原油贸易交接计量的流量计主要有容积式流量计、液体涡轮流量计、质量流量计。近些年国内外开始尝试采用液体超声波流量计进行原油的贸易交接计量。容积式流量计的工作原理是将液体分成若干个体积单元，通过累计这些体积单元的数量进行测量。容积式流量计也叫PD流量计（Positive Displacement Flowmeter）。容积式流量计包括的流量计有腰轮流量计、椭圆齿轮流量计、刮板流量计、旋转活塞流量计、往复活塞流量计和双转子流量计等2。其中美国FMC Smith的刮板流量计和美国Brodie的双转子流量计这两种容积式流量计在国内成品油和原油贸易交接计量中应用比较广泛。涡轮流量计是利用置于流体中的叶轮感受流体平均速度来测量流体流量的流量计，所以涡轮流量计属于速度式的流量计。根据被测量介质的不同，涡轮流量计分为气体涡轮流量计和液体涡轮流量计。对于液体涡轮流量计，根据被测量介质粘度的不同，又可分为传统涡轮流量计和高粘涡轮流量计。传统的涡轮流量计在成品油及低粘度原油贸易交接计量中有广泛的应用。在高粘涡轮流量计方面，美国FMC Smith的MV涡轮流量计和法国Faure Herman的双螺旋涡轮流量计在国内的高粘度原油计量贸易交接计量中都有应用业绩。质量流量计是用于计量流过某一横截面的流体质量流量或总量的流量计。质量流量计包括有科里奥利力式质量流量计、量热式流量计和冲量式流量计等。在液态烃的贸易交接计量中，应用较多是科里奥利力式质量流量计。科里奥利力式质量流量计的原理是利用流体在振管内流动时产生的科氏力，以直接或间接的方法测量其力而得到流体质量流量。质量流量计也被广泛用于成品油、原油及化学品的贸易交接计量中，特别是在高精度、小口径和小流量计量中应用较为广泛。超声波流量计是利用超声波在流体中的传播特性来测量流量的流量计。按被测量介质的不同，可分为气体超声波流量计和液体超声波流量计；流量计按换能器安装方式可分为接触式和外夹式两种形式。超声波流量计压降小、量程比高、无可动部件、一般都具有自诊断功能，所以在大口径、大流量计量及免维护性方面优势突出。近年来，随着超声波流量计测量技术的不断进步，德国Krohne、法国Faure Herman、美国Daniel、FMC Smith、CAMERON等公司生产的多声道液体超声波流量计已成功应用于国内外的成品油和原油贸易交接计量中。上述几种原油贸易交接计量流量计的特点与性能比较如表3所示。从表中可以看出容积式流量计量程比低，对于被介质的粘度没有要求，在同等流量情况下比其他流量计尺寸大，重量重。涡轮流量计量程比低，对于介质粘度和清洁度都有要求，量程比随着粘度增加会缩小。质量流量计对被测介质粘度和清洁度没有要求，压降比较大、流量范围随粘度增加会缩小。液体超声波流量计量程比高，压降小，对被测介质清洁度没有要求，适合大流量、低压降计量。另外，在流量计的选型过程中，除了考虑被测介质的粘度、清洁度和外输流量外，还应综合考虑外输系统压降要求、管线材质，流量计的尺寸和重量，标定装置的形式、备品备件数量、免维护性和费用等因素。表3 几种原油计量流量计的特点与性能比较流量计类型容积式传统涡轮高粘涡轮质量液超声量程比小（10：1）小（10：1）中（20：1）中（25：1）大（40：1）压损压损中压损大压损小压损大零压损流量范围2000m3/h4500m3/h6000m3/h3000m3/h10000m3/h尺寸、重量大、重小、轻小、轻小、轻小、轻过滤器需要需要需要不需要不需要介质清洁度要求高高高中等无整流器不需要需要需要不需要需要双向计量不可以不可以不可以可以可以可移动部件多多多无无维护量大大大免维护免维护注：表中的流量计流量范围仅供参考，具体流量范围以厂家的产品手册为准。3.2 流量计标定装置的选型作为贸易交接计量用的流量计，其准确度是用户关心的主要指标，为了保证其达到相应的准确度，必须采用专门的流量计标定装置，并按照相应的流量计检定规程，定期进行检定和校准，已保证运行过程中的准确度。另外，为了保证体积管的精度，还需按照体积管检定规程定期对体积管进行检定。当计量系统中的流量计确定后，还需根据选用的流量计形式选取相应的流量计标定装置，已实现对流量计的现场检定。流量计的检定方法主要有体积管法、容积法、称量法和标准表法。目前，常用的流量计检定方法是体积管法和主表法。体积管按置换形式可分为球式体积管和活塞式体积管。球式体积管分为单向型体积管和双向型体积管。活塞式体积管可分为主动式体积管和被动式体积管两种型式3。其中双向球形体积管的结构和工作原理如图1所示。在标定装置的选择过程中，应综合考虑标定装置的尺寸、重量、安装、操作、费用等因素，针对不同的流量计形式，选择与流量计相适应的流量计标定装置。图1 双向球型体积管工作原理图4 计量标定系统选型与设计某海上油田15万吨级FPSO原油外输贸易交接计量系统设计基础为：原油外输速率5400m3/h，设计温度5060，设计压力ANSI 150#，系统最大压降135 kPa，地面原油粘度6.5120.2 mPa.s（50），5.272.4 mPa.s（60）。根据设计基础和选型原则，下面对原油外输计量标定系统的流量计和标定装置分别进行选型分析和方案比选。4.1 流量计从设计基础中可以看出外输速率比较大，外输原油粘度较高，传统的液体涡轮流量计和质量流量计不适用于本计量系统。适合本计量系统的的流量计形式有容积式流量计、高粘涡轮流量计和液体超声波流量计。容积式、高粘涡轮（双螺旋涡轮）、液体超声波3种流量计方案比选结果详见表4。通过对进行方案比较和分析，可以看出液体超声波流量计相对于容积式流量计，由于流通能力大、量程比高，在同等流量工况条件下，超声波流量计的尺寸和重量会小很多，对海上平台或FPSO的整体布置非常有利。液体超声波与双螺旋涡轮流量计相比，超声波流量计对介质清洁度要求比较低，不用插入被测流场，没有压力损失，本身耗能又很小，特别是对大流量的计量，节能效益更为显著，大大降低了泵的运营成本，符合国家节能环保的要求。另外，由于超声波流量计内部没有可动部件，并具有自诊断功能，使用过程中基本无需维护，维护成本极低，整体运营成本低4。综合以上分析，本FPSO原油外输计量标定系统选用10液体超声波流量计（3用1备）进行原油计量。表4 几种流量计方案比选结果流量计类型路数压降流量m3/h尺寸重量过滤器对介质清洁度的要求可移动部件和维护量容积式4用1备压损大2000163.80吨需要高多双螺旋涡轮3用1备压损中3000120.38吨需要高多超声3用1备零压损2500100.30吨不需要无无，免维护，带自诊断4.2 标定装置当流量计形式确定后，还需根据流量计形式确定与之相应的流量计标定装置。关于液体超声波流量计的检定方法，根据美国石油学会的 API 标准和国外的实际应用案例，一般有两种方法，一种是体积管法，另一种是主表法。另外，我国在2007年发布了用于检定超声波流量计的检定规程JJG 1030-2007超声波流量计检定规程。该规程中推荐的检验方法也有2种，一种是主表法，另一种是声速法（此方法主要用于气体超声波流量计的检定）5。在体积管法和主表法这两种流量计检定方法中，考虑到主表法是采用等精度传递理论，这种方法要求流量量值在传递时需满足诸多苛刻条件，且操作起来比用体积管直接标定麻烦，所以可初步选用体积管法对液体超声波流量计进行检定。体积管又分为球形体积管和活塞式体积管。由于超声波流量计结构特点和计量原理，导致流量计会产生不均匀的脉冲输出。而活塞式体积管由于在运行过程中存在活塞的发射和回收现象可以引起流量的明显扰动以及在一次检定过程中得到的脉冲数较少的原因导致检定结果具备很差的重复性，因此活塞式体积管不适合直接检定液体超声波流量计6。综合以上分析，本FPSO原油外输计量标定系统选用双向球形体积管作为液体超声波流量计的标定装置。4.3 计量标定系统设计根据前面的选型结果，该原油外输计量标定系统的计量撬选用4路10液体超声波流量计（3用1备 ）进行原油计量。计量撬每一个计量回路除配有一台流量计外还必须配有压力表/变送器、温度表/变送器、调节阀、DBB阀、整流器等。由于液体超声波流量计对游离气比较敏感，所以每个计量回路还必须配有消气器。标定撬选用双向球形体积管对流量计进行现场在线标定。为了实现在线标定，标定撬上配有四通阀和到每一个计量回路的DBB阀。根据设计要求中控室配有5台流量计算机、一台操作盘和一台上位机。另外，该外输计量标定系统还配有在线取样系统，可在线或实验室化验油品的含水率、密度及粘度，用于保证外输油品的质量。由于FPSO上空间有限，为了节省安装空间，本原油外输计量标定系统采用计量与标定撬上下层整体安装的方式7,8。整个外输计量标定系统的结构示意图如图2所示。图2 计量标定系统结构示意图4 结束语本文通过对原油外输计量标定系统的中几种常用的流量计形式及标定装置进行比较研究，并结合具体的FPSO原油外输计量标定系统进行选型分析，得出的结论是对于大口径、大流量的原油贸易交接计量，液体超声波流量计在尺寸、压降和免