超聲波流量計與質量流量計原油計量能耗比較

楊海河

（中國石化股份有限公司 濟南分公司，濟南 250101）

0 引言

石油產品無論對國家安全、經濟發展還是百姓的日常生活都是至關重要的。對于煉化企業原油進廠流量的計量是加強物料管理、能源管理、財務結算、效益分析評價與決策的重要依據[1]。因此，原（料）油貿易交接計量儀表準確性、可靠性對原油買賣雙方具有極其重要的意義。

根據不同的測量原理，開發設計了容積式、速度式、差壓式、質量式、超聲波等多種類型的流量計[2]。根據實際工況條件包括：測量介質、壓力、溫度、流速、粘度等，流量計有多種選擇。對于原油這種重要產品，因多種因素限制，目前管輸、水路運輸外購原油交接計量大多采用傳統的容積式流量計進行計量。通過對油品體積、密度、含水、溫度、壓力等參數的測量，間接測量出剔除含水后的純油交接質量。在工藝條件許可的情況下，也可選用滿足計量標準的質量流量計。按照相關的計量規范，原油計量貿易交接的流量計準確度等級應不低于0.2級。由于全球原油需求的持續增長，對油品貿易計量的精度要求越來越高，原油流量的測量儀表也隨著測量技術的發展不斷進步。目前超聲波流量計在原油、成品油和液態天然氣（LNG）的計量方面已經逐步從裝置內擴展到對外貿易結算領域[3]，從技術指標、計量精度等方面已可以滿足貿易計量的需求。

1 原油進廠采用質量流量計量的問題分析

1.1 某煉廠原油進廠計量質量流量計選型

1.1.1 工藝條件

某煉油廠原油管輸進廠，采用質量流量計交接計量,其具體的工藝條件如下：

1）工藝管線外徑/內徑(Pipe O.D/I.D):377/350mm

2）操作壓力(Oper.Press):0.3MPa～0.5MPa

3）操作溫度(Oper.Temp):35℃～45℃

4）流量(Flow Rate):正常200000 Kg/h～300000Kg/h， 最大500000Kg/h

5）標準密度(Oper.Density):880Kg/m3

1.1.2 質量流量計的選型計算書質量流量計以科氏力氏質量流量計（CMF）的應用較為廣泛,是通過測量科里奧利力進行流量測量[2,4]。按照上述工藝條件，選用質量可靠的計量級質量流量計，按照計量標準選用精度為0.2級。流量計的口徑選用DN200，得到質量流量計的計算書如下：

Application Data

Fluid/Gas Name: crude oil Viscosity: 2.0000 cP Max. Rate: 500,000.0000kg/h Density: 880.00 kg/m3Max. Pressure: 3.00bar Max. Temp.: 45.00 Celsius

Your Given Rate

Flow Rate Mass Flow Accuracy Δp Velocity Reynolds kg/h % Rate bar m/s Number 500,000.0000 0.10 1.26 15.39 547150

More Rates

Flow Rate Mass Flow Accurac y Δp Velocity Reynolds kg/h %Rate bar m/s Number 9,600.0000 0.20 0.00 0.30 10505 61,866.6667 0.12 0.02 1.90 67701 114,133. 3333 0.12 0.08 3.51 124896 166,400.0000 0.11 0.16 5.12 182091 218,666.6667 0.11 0.26 6.73 239287 270,933.3333 0.10 0.40 8.34 296482 323,200.0000 0.10 0.55 9.95 353678 375,466.6667 0.10 0.73 11.56 410873 427,733.3333 0.10 0.94 13.17 468068 480,000.0000 0.10 1.17 14.77 525264

通過計算，確認質量流量計可以滿足貿易交接精度的要求。但從計算書可以看出：在測量精度能夠符合貿易交接標準的情況下，最大流量時質量流量計產生的壓差是1.26bar，這個壓差就是永久壓損。

1.2 質量流量計實現原有計量存在的問題

1）由于原料油的粘稠度較高，質量流量計易出現掛壁現象，流量計出現漂移，影響計量的準確性。

2）受質量流量計產品管徑限制，所選CMF質量流量計為口徑為DN200。但原油管線管徑為DN377，所以只能采用縮徑的方式進行測量。縮徑所帶來的問題就是產生壓損，增加了能量消耗。而且，縮頸使管線流通輸送能力受到限制。

1.3 質量流量計能量損耗計算

1.3.1 原油進廠質量流量計每日產生的能耗

式中：W-能耗值，W（瓦）；Δω-永久壓損值，KPa；Qkph-液體或氣體（蒸氣）的質量流量，Kg/h；η-泵和電動機的效率（常取η=0.8）；ρfl-在工況下，在上游取壓孔處，流動液體或氣體（蒸汽）的密度，Kg/m3。

根據公式（1）可以得到流量計產生的功耗：

圖1 時差法工作原理圖Fig.1 Schematic diagram of work with time difference method

1.3.2 質量流量計的能耗費用

假設質量流量計按照每年365天運行，目前當地電價為0.82元/千瓦小時，則可以得到每年的能耗費用：

年耗能費（元/年）=(W/1000)×(運行時數/年)×（0.82元/千瓦小時）

=(24857.9/1000)(24×0.82×365)元=178559.66元。

所以原油計量流量計運行一年的能耗費用為178559.66元。

2 超聲波流量計的測量原理與優勢

2.1 超聲波流量計的原理簡介

超聲波流量計目前較多應用的是以“時間差法”為原理的流量測量儀表 。“時間差法”超聲波流量計的基本原理[2,5]如圖1所示。傳感器1、2是一對可輪流發射或接收超聲脈沖的傳感器。

設超聲波在被測流體中的傳播速度為c，超聲波順流時從傳感器1到2的傳播時間為t1，逆流時從傳感器2到1的傳播時間為t2。聲波在流體中順流、逆流傳播相同距離時存在時間差Δt=t2-t1。

其中：d為流通管道內徑；v是介質流速。

而傳播時間的差異與被測流體的流動速度有關系，因此測出時間的差異就可以得出流體的流速，再乘以流通管道的橫截面積，就可以計算出流體的流量。

由此可見，只要測到順逆流時間差Δt，就可以算出介質流速v：

則可以得到體積流量Q：

2.2 超聲波流量計的特點

超聲波流量計的原理和結構決定了其還有以下特點：

1）量程比高達400:1,可適應較小和較大流速，可應用范圍廣。

2）高性價比，尤其是對大管徑流量測量成本低。

3）其可動部件少、機械結構相對簡單，可維護性好。

4）全通徑設計，不需縮頸，最大管徑可以到36"(DN900)。不會產生壓損和能量損失，在節能方面優勢明顯。

超聲波流量計和其它原理的儀表如差壓式流量計、質量流量計相比，流通通道未設置任何阻礙件，屬無阻礙流量計，即測量過程中不會對被測介質造成壓力損失[4,6]。管道內介質的流動靠泵（能源）產生壓力推動，流量計造成的永久壓損即為能量的損失，超聲波流量計沒有壓損意味著測量過程沒有能量損失。

5）普通的超聲波流量計不能用于原油貿易交接計量。因常規的超聲波流量計用于測量粘稠介質存在信號衰減、漂移以及精確度下降的問題。超聲波流量計用于原油貿易交接計量面臨的挑戰是在測量中保持高精準的同時，需要克服粘稠介質導致的信號衰減 。

3 LCT4計量級超聲波流量計實現原油貿易計量

GE公司Sentinel LCT高精度多通道超聲波流量計[8]是專為高黏度測量而設計。Sentinel LCT在保持常規超聲波流量計優點同時，克服了高黏度物料影響可靠性的、精確度的缺陷.適用于原油及各類液態介質的測量。具有高可靠性和重復性，符合OIMLIk117-1標準。

3.1 GE計量級超聲波流量計技術[3]特點

1）LCT4計量級超聲波流量計產品設計采用了CFD（計算流體力學）技術。CFD在理論流場的基礎上綜合考慮了邊界流、坡口渦流對流場的影響，不同的流場對應不同的模型，因而更貼合實際流場。先模擬計算并建立實際流場的理論模型庫（CFD與流場相對應），再用實流標定的方法驗證模型庫的正確性。該專利設計徹底消除了對介質、流量、溫度、黏度、密度、口徑的依賴，在設計上保證了在復雜工況能確保比較高的重復性。徹底解決了變黏度測量時的精確度問題，確保儀表精確度符合測量要求。

2）LCT4計量級超聲波流量計探頭采用全新技術。新型探頭設計采用導聲纖維集束成棒，高效傳導聲波信號，在幾英尺長的范圍內也只有極小發散。該設計避免了超聲波流量計探頭通常采用的壓電晶體技術受流體溫度波動干擾的弊端，衰減很小，波形非常穩定，信號強，克服并解決了高黏度介質對信號的大幅衰減問題。用波導束技術，可測運動黏度高達600～1000㎜2/s。

3）流量測量不受黏度影響，一次標定即可測量各種黏度的流體，解決了物料切換在線流量標定的問題。同時，新技術采用了可在線更換的探頭，當檢修標定時可量省去整表折裝的問題，只需取下探頭進行標定即可。

3.2 與質量流量計能耗費用比較

LCT計量級超聲波流量計與質量流量計比較，節能效果明顯，而且管徑越大，性價比較越高。以上述煉廠原油進廠計量為例，若選用GE公司LCT4計量級超聲波流量計來替代CMF質量流量計，可以節省的能費用比較如下：

質量流量計是縮徑設計通過上述計算，一年能耗/年約17.8萬元，如果使用壽命若按10年計算，質量流量計全生命周期的運行能耗約為17.8×10=178萬元。

而LCT計量級超聲波流量計是全通徑設計，沒有能耗損失，也就是說10年使用壽命期間比質量流量計節省能耗約178萬元。

4 結術語

目前用于原油計量的LCT計量級超聲波流量計技術已經成熟，國外石油煉制行業已有成功應用，與常用的容積式流量計、質量流量計比較，該產品用于原油貿易交接在技術、可用性尤其是節能方面有明顯的優勢，所以在原油計量采用LCT計量級超聲波流量計是比較好的選擇。

[1]丁曉峰.氣體超聲波流量計在天然氣測量中的應用[J].石油化工自動化,2014(03):46.

[2]陸德民,張振基,黃步余.石油化工自動控制設計手冊[M].3版.北京:化學工業出版社,2000.

[3]鄭永志.超聲波流量計新技術淺析[J].石油化工自動化,2013(04):46-47.

[4]樂嘉謙.儀表工手冊[M].北京:化學工業出版社,1998.

[5]易兵,張發興.超聲波流量測量技術及發展[J].測試技術學報,1995,9(01):14-18.

[6]王樹清,樂嘉謙.自動化與儀表工程師手冊[M].北京:化學工業出版社,2010.

[7]易兵,張發興.超聲波流量測量技術及發展[J].測試技術學報,1995,9(01):14-18.

[8]孫崾舒.GE推出Sen-dnelLCT4高精度超聲波流量計[J].中國計量,2013(09):35.