液體超聲波流量計在FPSO上的實流標定

張 穎，孫 欽，孫 婧

(中海油研究總院，北京 100028)

液體超聲波流量計在FPSO上的實流標定

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勢，但實流標定方法復雜是其用于外輸計量的瓶頸。南海某油田在國內首次將液超應用于浮式生產儲卸油裝置(FPSO)貿易交接計量。通過分析液超測量原理及檢測特性，對其標定方案進行設計，在國內首次嘗試采用體積管直接標定液超。通過對比分析體積管與標準表標定結果，得出結論——增大體積管體積及采用多次連續標定結果進行評價可有效解決體積管直接標定液超問題。對液超在海上平臺的后續應用有重要意義。

液體超聲波流量計；浮式生產儲卸油裝置(FPSO)；實流標定；體積管

0 引 言

原油貿易交接計量是原油貿易的重要環節，通過測算標準條件下貿易結算的不含水原油數量，得出原油價格相關參數，直接影響交接雙方的經濟效益[1]。目前，國內海上原油貿易交接計量中常用的流量計主要有容積式、渦輪式及質量流量計，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，質量流量計價格昂貴、零點不穩定。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用[2]。

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

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靜止狀態下聲波的傳播速度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)

管道內流體的有效橫截面積與雷諾數大小相關[6]，當雷諾數較低時，慣性力受黏性力約束，流體形狀圓潤，有效橫截面積較小；隨著雷諾數的增大，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 管道內流體有效橫截面積與雷諾數關系Fig.2 Flow profile with Reynolds number

流體雷諾數大小影響管道內流體有效橫截面積，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定，用計算得到的儀表系數對流量計示數進行修正，可消除物性變化對流量計算的影響[7]。

2 某FPSO液超標定分析

2.1 標定方案設計

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。

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

表1 標定裝置比較

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

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

每臺流量計根據油輪常用外輸數據設定了5個流量標定點進行標定，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定，共分4個步驟：(1)用標準體積管標定主表；(2)用主表標定超聲波流量計；(3)用體積管直接標定超聲波流量計；(4)用體積管標定主表驗證主表的復現性。

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

圖4 標準體積管標定系統流程圖Fig.4 Process flow diagram of the proving system

2.2 標定結果分析

根據美國石油學會(API) MPMS規范要求，外輸計量儀表標定時須達到0.027%的不確定度，對應的重復性要求根據下式計算得到：

(5)

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

計算結果如表2所示。標定按照連續5次操作重復性是否小于0.05%進行評價，重復性按照下式進行計算：

(6)

式中：R為重復性；Fmax和Fmin分別表示最大值和最小值。

前兩臺流量計標定結果如圖5和圖6所示，在重復性要求(三角形標識)之下的測量數據均為合格數據。由此看出，標準表法標定結果穩定，各流量點液超儀表系數重復性均在萬分之五以內，滿足API要求。而體積管直接標定液超，流量較小時結果穩定，隨著流量的增大，MF系數無法全部達到0.05%的重復性要求。

表2 不確定度0.027%下的液超標定次數與重復性要求

圖5 液體超聲波流量計A標定結果Fig.5 Proving data of flowmeter A

圖6 液體超聲波流量計B標定結果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、擾動產生的分流現象，包括瞬時流態、旋渦等，導致液超測量數據分散分布，脈沖輸出不均勻[10]。

流量計的重復性等同于脈沖輸出數量的重復性，標定過程中需測量代表流經兩個檢測開關之間的流體體積的脈沖數量。脈沖測量的滯后性導致參與計數的一些脈沖實際上發生在檢測開關被觸發之前，同時由于脈沖的不規律輸出導致標定過程對標定球通過檢測開關前后的流量波動十分敏感。相比標準表法，體積管直接標定液超造成流量和壓力擾動的因素更多，如標定球發射或四向閥換向等，因此體積管直接標定效果略遜于標準表法。

2.3 體積管標定液超影響因素分析

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

2.3.1標定體積

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

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

圖7 標定體積與重復性之間的關系Fig.7 Repeatability versus proving volume

注：1英寸=2.54 cm。

2.3.2標定次數

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，因此測量數據分散，脈沖輸出不均勻。這種分散是隨機的，數據均勻地分布在流量平均值周圍。因此增加標定測量次數，可以降低數據分散帶來的不確定性。表3中5次標定重復性達到0.05%和10次標定重復性達到0.12%所需體積管容積值相差懸殊。又知儀表系數滿足表2重復性要求即能保證流量計達到0.027%的不確定度。因此適當增加操作次數可降低液超標定所需的體積管容積，即在相同的標定體積下，標定次數越多越容易達到重復性要求。文獻[11]中圖4的例子也驗證了這一點。而在本次實液標定中，流量計A在1000m3/h的標定數據如表4所示，5次標定重復性不滿足要求，但6次標定重復性為0.0512%<0.06%，滿足標準；流量計B在700m3/h時用體積管共標定了10次，如表5所示，計算得連續5次標定重復性為0.057594%>0.05%，不滿足要求，但連續10次標定重復性為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據的分散性，在標定時可適當采用多次結果進行計算。

表4 流量計A在1 000 m3/h時用體積管標定結果

表5 流量計B在700 m3/h時用體積管標定結果

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

3 結 語

在海上原油貿易交接計量系統中，液體超聲波流量計與傳統流量計如容積式、渦輪式和質量流量計相比具有諸多優點，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容易受風浪影響產生晃動，因此標準表法標定更為穩妥。采用體積管直接標定時，需嚴格按照標準計算體積管尺寸。此外，增加標定次數，采取多次標定結果進行評價有利于達到重復性要求，但需要更多的實流標定數據來驗證其可靠性。

[1] 王鈺涵. 影響原油動態交接計量準確性的因素淺析及解決措施探討[J].化工管理，2015(26):194.

[2] 《海洋石油工程設計指南》編委會. 海洋石油工程電氣、儀控、通信設計[M]. 北京: 石油工業出版社, 2007.

[3] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局, 中國國家標準化管理委員會. GB/T 9109—2010. 原油動態計量[S]. 2010.

[4] 紀超，洪毅，徐正海, 等. 液體超聲波流量計在海上原油貿易計量中的應用[J]. 自動化應用，2014(3)：39.

[5] 陸德民，張振基，黃步余. 石油化工過程自動控制設計手冊(第三版)[M]. 北京：化學工業出版社，2009.

[6] 趙文明，邵仙鶴，王玲，等. 超聲波流量測量影響因素的研究[J]. 自動化儀表，2012，33(9)：80.

[7] Bassey A, Dosunmu A, Amiebibama J, et al. Modeling of meter factors for effective oil accounting during proving and calibration of on-line meters in custody transfer units [C]. Nigeria Annual International Conference and Exhibition, 2011.

[8] Thorogood J. Experiences with the master metering principle and ultrasonic flowmeters at offshore locations (FPSO’s) [C]. 6th South East Asia Hydrocarbon Flow Measurement Workshop, 2007.

[9] 曹智，張強，孫宏燁. 管道式液體超聲波流量計的應用[J]. 現代商貿工業，2013(21)：191.

[10] 孫策，安樹民. 液體超聲流量計檢定方法[C]. 2010’中國油氣計量技術論壇論文集, 2010.

[11] Cousins T. Proving of multi-path liquid ultrasonic flowmeters[C]. 20th NSFMW, 2002.

[12] Augenstein D. Proving liquid ultrasonic flow meters[EB/OL]. http://help.intellisitesuite.com/Hydrocarbon/papers/2430.pdf.

[13] American Petroleum Institute. API MPMS 5.8. Manual of petroleum measurement standards: measurement of liquid hydrocarbons by ultrasonic flow meters[S]. 2005.

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計。

TH814+.92

A

2095-7297(2016)02-0099-06