某油田輕質原油計量系統的設計與應用

黃明基，晁宏洲，程曦，馮杰，張馨夢

中國石油塔里木油田分公司 油氣運銷部（新疆 庫爾勒 841000）

西部某油田處在沙漠腹地，油田建設初期設計安裝了管輸原油計量系統，主要由4套Smith的刮板流量計和雙向球式體積管組成。2019 年國家管網集團公司成立，油田與國家管網西部管道公司之間的貿易交接計量點發生了變化，需新建一套計量設施以滿足動態計量的需求。考慮到該站點是整個油田原油貿易交接的總出口，每年外輸原油500萬t左右，對交接雙方來說都至關重要，計量系統流量計的選型和檢定方式都要充分考慮，以滿足計量精準和科學公正的要求。

1 原油計量系統設計選型

1.1 計量系統組成

原油計量系統一般由多個單元組合而成，用于實現油量測量、原油品質分析和油量計算等功能。貿易交接計量系統至少應包括油量測量單元和品質分析單元，對于一些重要的貿易交接計量站還應增加檢定單元、數據采集處理單元和其他輔助系統。測量單元的核心設備就是流量計，流量計的選型對不同類型油品計量的準確性可謂至關重要；品質分析單元主要包括取樣裝置以及密度、含水的分析設備，可以結合實際情況選配在線密度計和含水分析儀；檢定單元主要包括體積管流量測量校準裝置和標準金屬量器，如果使用體積管檢定質量流量計，為確保量值傳遞的準確性，還需要配備在線密度計。油氣田原油貿易交接計量站計量系統的設計需要結合油品的性質和計量站的重要性，同時兼顧經濟實用的原則，充分運用自動化、信息化、智能化技術，減少人為參與環節，實現計量數值的科學精準。

1.2 油量測量單元設計選型

一般測量原油的流量計有容積式流量計、渦輪流量計、質量流量計和超聲流量計，其中容積式流量計準確度受流體流態的影響較小，適用的黏度范圍相對較寬，應用相對較多；渦輪流量計對流體流態的變化有要求，尤其是對黏度變化較為敏感；科里奧利質量流量計可以直接測量油品質量，對壓損有明確要求的場合需要慎重考慮；超聲流量計在大口徑管道流量測量方面具有優勢，目前在國內貿易交接場合應用的案例較少。隨著油田的逐年開發，該油田油品性質產生了明顯的變化，原油黏度和密度均有所下降，需按照現有的油品性質（密度約825 kg/m3、黏度約3 mPa·s）重新考慮流量計的類型。依據GB/T 9109.2—2014《石油和液體石油產品動態計量第二部分：流量計安裝技術要求》[1]中容積式流量計和渦輪流量計對流體黏度的適用區間圖，油品黏度為3 mPa·s，瞬時流量為200～500 m3/h 時，均超出了容積式流量計和傳統渦輪流量計的最佳使用范圍。與此同時，考慮到原油貿易交接是以質量為單位，使用容積式流量計和渦輪流量計測量的均是體積流量，體積流量轉換質量流量時需要配備高準確度的在線密度計或者人工每2 h取樣分析密度求平均值，無論哪種方式都會引入新的計量誤差，非最佳選擇。超聲波流量計由于測得的也是體積流量，且應用在貿易交接的場合相對較少，將流量計選型鎖定為科里奧利質量流量計，進一步分析現場對壓損的要求，確定了該油田貿易交接口選用質量流量計的可行性。

確定了流量計類型后，需結合油田后續的發展考慮至少近5年原油最大外輸量以確定流量計的數量。在連續計量的場所，可采用并聯方式安裝流量計組，流量計的臺數按照式（1）計算。

式中：n為一組流量計的總臺數；qvp為一組流量計要計量的最大流量，m3/h；qvm為一臺流量計滿足準確度要求的額定最大流量，m3/h；s為連續計量時的備用流量計臺數。

該油田年最大設計外輸量按照700×104t考慮，單臺流量計的額定最大流量為500 m3/h,根據上述公式可計算出需要的流量計總臺數為4 臺，采用成撬的方式。

由于該油田油品為輕質油，飽和蒸汽壓相對較高，需要充分考慮油品含氣對科里奧利質量流量計測量結果的影響，輸送過程中溫度或者壓力的變化都會伴隨著一定氣體的產生，在計量前應增加消氣過濾器，將管道內的氣體和雜質排干凈。同時由于科里奧利質量流量計流量傳感器會使流通截面積變小，從而導致流量傳感器內的流速和壓降增大，有可能引起氣蝕，降低測量準確度或者損壞傳感器，因此需要在臨近流量計處維持足夠的壓力，流量計出口的壓力最好應高于式（2）所計算的壓力值：

式中：pb為最小背壓（表壓），Pa；Δp為最大工作流量下流量計的壓降，Pa；pe為液體在工作溫度下的平衡蒸汽壓（絕壓），Pa。

除此之外，由于油品中含有蠟和其他雜質，長期運行過程中如果蠟和雜質吸附在流量計振動管內壁，就會對流量計的測量結果造成一定影響，可以考慮增加伴熱設施提高測量管處的溫度，并在流量計上設置清洗接口，從而避免掛壁對測量結果的影響。

1.3 品質分析單元設計

品質分析單元計量器具的配備可參考SY/T 5398—2017《石油天然氣交接計量站計量器具配備規范》[2]中表2 的要求進行，主要考慮手工取樣裝置的設置、自動取樣器和在線含水分析儀的配備。

1.3.1 手工取樣裝置的設計

手工取樣裝置的設計按照GB/T 4756—2015《石油液體手工取樣法》[3]中關于管線取樣器的相關要求進行，取樣器含有一個帶有隔離閥的取樣管，取樣管要深入到流體輸送管道內，進樣點靠近管壁的距離不小于管道內徑的1/4。取樣管的入口應面對被取樣液體的流動方向，為避免流體分層不能取到代表性的樣品，取樣器應安裝在輸油管道的立管上。具體如圖1所示。

圖1 手工定點管線取樣器實例

1.3.2 管線自動取樣器的設計

手工管線取樣法適用于均勻液體，其組成和品質不隨時間發生明顯變化，如果液體不是均勻的，最好安裝自動取樣裝置。另一方面，隨著貿易交接的雙方對交接計量準確性的要求越來越高，雙方在交接計量協議的簽訂中也可能會涉及到此部分內容。從公平公正的角度考慮增加此部分內容是必要的。自動取樣器的設計可按照GB/T 27867—2011《石油液體管線自動取樣法》[4]要求進行，首先要選擇合適的取樣點，明確取樣探頭的位置，使取到的液體盡可能代表全部液體，必要時增加靜態混合器或者動力混合器使液體盡可能混合均勻。取樣器安裝時分液裝置和樣品接收器應盡可能靠近，所有連接均采用符合要求的短管，彎頭數量保持最少，樣品接收器位于系統最低點，使無效容積盡可能減小。

1.3.3 在線含水分析儀的設計

在線含水分析儀在計量系統的設計中屬于選配，其測量的數據不能直接參與貿易交接結算，只能作為一種監控手段作為參考。目前國內生產的一些在線含水分析儀經現場使用與人工取樣化驗分析的結果對比相差較大，只能參考含水的變化趨勢，不能達到預期使用效果，從經濟性的角度考慮可以不設置。如果確需設置，做好調查研究與選型是至關重要的。

1.4 檢定單元設計選型

流量計的在線實液檢定可以使用固定式體積管或移動式體積管作為標準器，移動式體積管靈活方便，但是每次檢定或者自檢的過程中都要安裝管線，現場還必須預留足夠的空間用于標定車的停放。如果是車載活塞式體積管，由于體積管的容積相對較小，輕質油品由于標定過程中節流降壓容易汽化，產生的氣體對其標定結果的影響較大，不宜在該站使用。綜合考慮上述因素，該站建設配套固定式體積管用于流量計的檢定，同時設置水驅檢定系統用于檢定體積管。考慮到使用體積管檢定質量流量計時，體積管的標準管段測出的是體積量，質量流量計直接測量質量流量，需要獲得密度值兩者才能匹配。密度的獲取可以通過人工取樣分析，也可以安裝在線密度計，由于油品性質并非固定不變，人工取樣分析的過程代表性相對較差，因此采用在線密度計與體積管配套標定質量流量計。

1.4.1 固定式體積管的設計

采用固定雙向球式體積管并成撬設計，體積管的準確度優于±0.05%，重復性優于0.02%，體積管的最大流量應高于被檢流量計的最大工作流量。體積管采用四通閥作為換向裝置，四通閥宜選用將軍閥配電動執行機構。若體積管的材質為普通碳鋼，內壁需要做粉末燒結或其他類型涂層，如果采用不銹鋼材質可以進行拋光不做內涂層。為確保檢定過程中經過被檢定流量計的油品全部流向體積管，需要在計量標定流程中加強制密封閥門，并在每個計量回路上安裝流量調節閥，以滿足不同流量點的檢定。流量計的出口到體積管的距離應盡可能短，同時減少彎頭的設置，并在體積管附近設置高點排氣閥，防止產生氣體聚集影響檢定結果。在體積管的入口處安裝在線密度計撬用于測量密度，并就近安裝溫度變送器和壓力變送器對油品體積進行修正。

1.4.2 水驅檢定系統的設計

水驅檢定系統的作用是定期對體積管進行標定，達到量值傳遞的目的。水驅系統主要包括水箱、水泵、標準量器、換向器和閥門等。標準量器是最為關鍵的一部分，采用二等標準金屬量器，考慮到金屬量器需定期進行量值溯源，為便于送檢，其體積不宜超過1 000 L。標準金屬量器應有一定的壁厚，以確保量器在液體靜壓力作用下的變形影響可以忽略不計。量器的支腳設置可調螺旋，以供水平調節用。為確定量器處于垂直狀態，應在相互垂直的水平方向上分別安置一個可調的長水準器，并在量器的支腳安裝滾輪，便于移動。

1.5 數據采集處理單元設計選型

數據采集管理系統與體積管檢測、水驅檢定控制系統共用一臺計算機，組成檢定控制系統。該系統應具有標準的基于MODBUS TCP 的TCP/IP 遠程通訊協議，通過通訊接口模塊與流量計算機、檢定計算機通訊，采集油品輸送過程中的溫度、壓力、密度、瞬時流量、累積流量等參數，實時顯示流量計和通訊報警等狀態，并對采集的參數進行自動記錄整理，幫助操作人員監視整個計量過程和誤差分析。可自動輸出Excel 格式的報表，并對報表數據建立專門的數據庫，方便操作人員對歷次輸送數據進行查詢、檢索及統計分析等。歸檔時間可以組態，上位機應具有每1 min 對流量進行一次歸檔，能夠存儲不少于一年的流量數據資料的容量。

1.6 輔助系統設計

輔助系統主要包括保溫伴熱、排污系統和放空系統等。保溫伴熱部分根據實際情況，如果在室內冬季有供暖，可以不用設置保溫伴熱；如果在室外且油品的凝點、析蠟點較高，需要設置保溫伴熱，避免凝管或者掛壁造成計量不準，該站由于油品析蠟點高，為防止壁掛產生，在計量系統部分增加了保溫保熱。排污和放空系統按照相關標準規范進行設計即可。

2 質量流量計量系統應用分析

按照上述設計要求，該站的計量系統分兩部分先后實施。第一期僅采購了測量單元4 路計量部分，分2 個撬進行供貨，每個撬上有2 路計量回路，通過現場施工并聯在一起，形成3 用1 備的計量撬。每個計量回路上設有截斷球閥、消氣過濾器、直管型科里奧利質量流量計、去標定的支路（支路上設有強制密封閥門）、流量調節閥和強制密封截斷閥門。同時在整個計量撬出口設有去移動式標定車的流程。由于檢定系統未同期施工，流量計的首次檢定在自治區計量院采用靜態質量法進行了量值溯源，檢定結果顯示4 臺流量計的誤差均在0.1%以內。考慮到質量流量計安裝過程中會引入安裝誤差[5]，尤其是直管型質量流量計如果受到外來安裝，會對測量管造成一定影響，必然會導致計量結果不準。鑒于此，流量計安裝到位后，又采用了移動活塞式體積管標定車對4臺流量計進行了在線實液檢定，檢定結果顯示4 臺科里奧利質量流量計的準確度和重復性都較好，完全滿足貿易交接使用的要求。但是，在檢定的過程中也進一步驗證了油品中含氣對檢定結果的影響比較大，需要不斷進行排氣，持續地監測油品密度，保證輸送的油品盡可能性質穩定[6]。

計量系統的二期采購了雙向體積管檢定系統和水驅檢定系統，雙向球式體積管可滿足最大650 m3/h的檢定流量，采用了不銹鋼材質，內壁有粉末燒結涂層[7]；換向閥采用了喀麥隆的將軍四通閥，密度計為艾默生高準的產品，精度滿足±0.1 kg/m3；二等標準金屬量器為2個500 L的量器，使用1Cr18Ni9Ti不銹鋼板制造；檢定控制系統為艾默生FLoBoss S600+，整個配置完全滿足貿易交接檢定科里奧利質量流量計的要求[8-10]。此部分主要是雙向球式體積管采用了不銹鋼材質加粉末燒結內壁涂層的形式，目前在國內應用相對比較少，需要在后續使用的過程中進一步驗證其可靠性[11]。

3 結束語

1）計量系統由多個單元組成，一般情況下必須包括油品測量單元和品質分析單元，需要綜合考慮計量站的重要性和經濟性等因素，設計檢定系統和數據采集管理系統等內容。

2）計量系統中流量計的選型至關重要，要綜合考慮油品的性質，包括密度、黏度、飽和蒸汽壓等參數，結合計量的精準性和后期的維護便利性等因素選擇合適的流量計，對于輕質原油使用科里奧利質量流量計進行貿易交接也是不錯的選擇。

3）口徑超過150 mm的體積管一般采用固定式，選擇雙向球式體積管時要充分考慮內壁涂層的形式，涂層不脫落是保證其長期有效使用的關鍵因素。

4）用體積管檢定質量流量計必須要考慮配套設置在線密度計，宜采用振動管密度計，精度至少達到0.15 kg/m3，且密度計應安裝在體積管入口。

5）二等標準金屬量器的選擇要考慮其送檢的便利性，選用的量器容積不宜過大，可結合體積管的容積選擇2個或多個量器組合使用。

6）計量系統流程中的關鍵閥門應采用強制密封閥門，確保檢定過程中流經被檢流量計的原油全部流向體積管，并設置流量調節閥，以滿足流量計各個流量點的檢定。