皮托管流量計在海洋平臺天然氣計量中的應用

劉健

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

皮托管流量計是1根彎成直角的雙層空心復臺管，帶有多個取壓孔，能同時測量流體總壓和靜壓力，與差壓變送器、流量計算機等配套使用，在石油化工、冶金、電力、輕紡等行業被廣泛使用，對氣體、液體、蒸汽、水、風等流體都可實現流量測量。

1 皮托管流量計簡介

1.1 工作原理

皮托管流量計的測量原理主要是利用皮托管測量壓力，再應用伯努利定理算出流體的速度。流體在皮托管迎風面產生一個高壓分布區，高壓分布區的壓力略高于管道的靜壓；在皮托管背風面產生一個低壓分布區，低壓分布區的壓力略低于管道的靜壓。迎風面取壓孔為高壓取壓孔，取壓為p1，背風面取壓孔為低壓取壓孔，取壓為p2，兩者之間的壓力差稱為差壓Δp，由差壓傳感器進行測量。Δp的平方根與管道內流體流速成線性關系，結合實時采集的被測介質的溫度、壓力可以推算出流體的實時流速，再通過溫度、壓力補償可以換算為標況下的體積流量，計算如式(1)～式(3)所示：

Δp=p1-p2

(1)

(3)

式中：v——管道中被測介質流速；K——傳感器修正系數；ρ——被測介質密度；qV——介質體積流量，S——管道截面積。

1.2 性能特點

皮托管流量計具有以下特點：

1)同時測量并顯示管道內介質的標況流量、工況流量、流速、壓力、溫度以及周圍環境大氣壓等多種參數。

2)壓損小，體積小，價格低廉。

3)適用于中、大管徑管道的流量測量。

4)能夠支持雙向測量，并具有指示流向功能，方便現場確認流體流動方向。

5)具有可以實時保存、刪除測量數據的功能。

6)不需要專門的測量工藝與裝備，現場適應能力強。

7)測量準確度高，流量測量精度不低于2級。

1.3 安裝要點

皮托管流量計的安裝要點如下：

1)選擇直管段足夠的位置并開孔。

2)開孔完成后，焊接基座并在插入管道前檢查傳感器的插入尺寸。

3)填料函密封裝置與球閥連接鎖緊，將傳感器插入填料函內，打開球閥，將傳感器插入球閥至管道中心。

4)安裝差壓變送器，按順序打開截止閥，再徹底清理管道內焊渣和污物。

5)連接差壓變送器與導壓管。

6)連接溫、壓變送器等儀表信號線到流量計算機或中心控制系統。

2 在海洋平臺天然氣計量中的應用

2.1 工藝管線流程

某海上石油平臺需要對生產分離器氣相出口的天然氣進行計量，計量流程如圖1所示。該平臺前期投產后采用氣體超聲波流量計實現流量計量，隨著生產時間的推移，流量計變送器表頭出現積液故障報警，流量計量正負波動大的問題。由于工藝配管設計時將該流量計布置在下游管線低點位置，現場技術員推測分離器氣相出口天然氣在管線中逐漸出現積液堵塞，導致氣體超聲波探針浸沒液體中出現計量偏差，無法正常工作。

圖1 生產分離器氣相出口天然氣計量流程示意

2.2 問題排查

為驗證上述推測的真實原因，現場技術員將氣體超聲波流量計進行旁通處理，并拆卸，發現有大量積液流出。積液清除后，重新調整了該流量計傳感器探針安裝角度，并排查了接線、中控溫壓補償換算公式以及核對儀表量程，然后關閉旁通流程，恢復正常計量。但經過一段時間的正常生產，該流量計變送器表頭繼續出現積液故障報警，從而驗證了故障推測的準確性。

2.3 替代方案比選

為快速解決現場氣體超聲波流量計無法正常計量問題，保障海上平臺正常生產，根據現場實際情況，比對海上石油平臺各種常用的氣體計量流量計特點，同時結合流量計生產周期、運輸以及價格等綜合因素，最終確定采用皮托管流量計的替代為最優的可行方案，海洋平臺常用氣體計量流量計對比見表1所列，皮托管流量計與氣體超聲波流量計的比較見表2所列。

2.4 皮托管流量計技術方案

采用相同管段長度的皮托管流量計進行替代，詳細技術方案如下：

1)采用雙相鋼材質皮托管流量計，上下游管線已滿足前10D后5D直管段要求。傳感器開孔設置在迎流方向管道直徑約33%處，傳感器探頭前部形成高壓區，在高壓區處形成不規則渦流，單質硫析出只能一少部分粘附在傳感器內，不影響對流量的測量。傳感器的獨特結構不易受磨損、雜質的影響，沒有可以活動的部件。

表1 海洋平臺常用氣體計量流量計對比

表2 皮托管流量計與氣體超聲波流量計比較

2)為消除因流量計處于上下游管線低點位置導致積液干擾問題，一方面在流量計下游管線上增加低點排液閥，定期排放凝析液，以確保被測天然氣流體相態穩定，流量計穩定運行；另一方面生產作業人員可根據凝析液的析出周期與數量，將皮托管流量計本體上預留的溫壓補償傳感器更換為差壓傳感器，差壓傳感器測量出管道底部凝析液的上下壓差從而得出管道內天然氣流通時的液位高度，液位數據實時傳輸至皮托管流量計算機電子液位修正模塊，在天然氣計量過程中修正管道實流截面，從而確保氣體準確測量。沒有液體凝結時，直接顯示天然氣的流量測量值。

3)采用雙相鋼材質的防爆差壓、壓力與溫度變送器，電子信號傳輸至流量計算機，實現溫壓補償換算。

4)流量計算機安裝于現場防爆接線箱內，接線箱防護等級為IP66，防爆等級為Ex d IIC T4，材質為316LSS，滿足現場危險區環境布置。流量計算機以32位ARM微處理器為核心，配置高速數/模轉換單元與大容量存儲器，采用多重保護與隔離設計，抗電磁干擾性強。流量計算機要求實現斷電時數據可記憶功能。

5)皮托管流量計管段本體長度與原氣體超聲波流量計一致，實現無縫安裝，殼體材質選用雙相鋼，滿足防腐要求。

2.5 安裝方案

為避免因出現含沙或含雜質多導致皮托管流量計傳感器被堵塞而造成計量精度出現偏差，傳感器結構形式采用獨特的防堵設計。經過與流量計廠家技術員論證，采用開放式V字型的斜面能夠有效地防堵，傳感器自上而下插入安裝，從而避免天然氣內的雜質在取樣口位置形成堆積，即使有一部分雜質受傳感器的阻擋，也會在重力的作用下從V字型斜面開口位置掉落在管道內隨介質流走，不會造成取樣口大面積堵塞，保證了傳感器的正常穩定工作。

為實現良好的測量，減少壓力波動對溫度補償的干擾，現場儀表安裝時要求天然氣被測介質先經過流量計傳感器，再經過壓力傳感器，最后流過溫度傳感器的順序進行安裝。皮托管流量計安裝如圖2所示。

2.6 工廠驗收測試

由于本次替代方案是將該海洋平臺已有氣體超聲波流量計拆舊換新，因此為確保皮托管流量計能夠精準無誤地完成海上安裝工作，根據技術方案，工廠驗收測試完成了如下檢驗：

圖2 皮托管流量計安裝示意

1)通過實際測量，皮托管流量計法蘭端面之間的測量管段長度為1 080 mm，與原氣體超聲波流量計長度一致，滿足連接要求。

2)皮托管流量計尺寸、磅級、材質與原氣體超聲波一致，滿足安裝要求。

3)通過實流標定，各測量點數據與標準表數據一致，滿足計量精度要求。

4)通過無損探傷檢驗，滿足焊接強度要求。

5)通過外觀涂裝檢驗，滿足海洋防腐要求。

經工廠驗收測試，當傳感器上產生不同厚度的結垢時，前后測量誤差非常小，從而驗證了傳感器防堵設計方案的準確性，傳感器內即使一部分雜質進入也不能影響計量。

2.7 應用效果

皮托管流量計安裝后，經過調試，實現了天然氣產量穩定計量。現場技術員通過對比皮托管流量計安裝前后的計量的區間數據，如圖3所示，計量數據不再劇烈波動，持續保持在穩定區間內，與平臺外輸到下游接收方的計量數據基本吻合，從而驗證了該流量計替代方案的可行性。

圖3 皮托管流量計替代前后某區間段的計量數據示意

3 結束語

本文主要介紹了皮托管流量計測量原理、性能特點與安裝要點，并重點分析了在海上石油平臺的應用案例，從而為后續海上石油平臺工程設計提供了可借鑒的經驗。皮托管流量計在海洋平臺天然氣計量的成功應用，體現了中國海油“三新三化”研究成果，進一步推動了國產化流量計在海洋石油工程領域的應用前景。通過該次替代方案實施，歸納總結出皮托管流量計與氣體超聲波流量計優缺點對比，為后續項目中分離器氣相出口濕氣計量的儀表設計提供了借鑒。