外夾式超聲波流量計在順序輸送成品油管道中的應用

牛占坡

(中國石油天然氣管道工程有限公司,河北 廊坊 065000)

0 引言

油品順序輸送是指在一條管道中按一定順序連續輸送多種油品的管道輸油工藝。19世紀末,美國首先采用順序輸送工藝輸送了3種品級的煤油,隨著順序輸送的混油機理和計算理論的逐步完善,現階段技術已基本成熟,輸送的品種多、規模大[1]。順序輸送的油品主要是汽油、煤油、柴油等輕質油品類,液化石油氣類和重質油品類。同類油品中不同規格或不同牌號的油品,也可按批量順序輸送;不同油田的、不同性質的原油,按照煉制要求也可以采取分批順序輸送[2]。多種油品采用順序輸送與采用多條單一油品管道輸送相比,具有高效性、節能性、靈活性等優勢,具有很高的經濟價值。

1 技術背景

1.1 負壓波檢漏技術的基本原理

假定成品油管道的某個位置發生泄漏,便會在管道的內外形成一定的壓差,管道內部流體會迅速流出,在泄漏點位置引起壓力突降。泄漏點周圍的介質在壓差的作用下會向泄漏點流動,形成一個以泄漏點為中心的壓力波動,即負壓波。負壓波以一定的速度向泄漏點的兩端傳播,并且由于液體的不可壓縮性,在管道兩端的壓力傳感器就可以檢測到壓力波動的信號,并根據兩端傳感器接收到負壓波的時間差就可以找到泄漏點的位置。負壓波檢測及定位原理如圖1所示。

圖1 負壓波檢測及定位原理

1.2 超聲波流量計檢測原理

外夾式超聲波流量計是基于時差技術的超聲波儀表,應用非插入式安裝方式,超聲波換能器發射和接收穿過管道壁的聲波信號,流體折射角由斯涅耳折射定律決定[3]。超聲波流量計測量原理如圖2所示。

圖2 超聲波流量計測量原理

波束折射角由式(1)計算:

sinθ=c/Vφ

(1)

其中,c為聲波在流體中的速度;Vφ為相位速度(在管壁中是常數)。

流量計對流體中的聲速或波束角進行自動補償,以響應換能器A和B之間平均時差的變化。用測得的平均傳播時間減去計算得出的固有時間(換能器和管壁中),即可算出聲波在流體中傳播所需的時間(T流體)。聲波順流傳播所用時間(TA，B)比逆流傳播所用時間(TB，A)要短。利用時差(Δt) 來計算管道內流體的流速[3],見式(2)。

v=Vφ/2 · Δt/T流體

(2)

根據測得的流速和已知的管道截面積,即可得到該位置的流量,再結合上下游流量計的流量數值,即可經過比對后,確定該區段是否存在泄漏。

2 應用問題

成品油通過管道輸送被認為是一種相對安全、經濟、穩定的方式,但在實際操作中,仍然存在一些挑戰和問題。

2.1 成品油通過管道輸送面臨的挑戰

首先,管道的安全性問題仍然不能被忽視。在過去的幾十年中,由于腐蝕、材料缺陷或人為因素,管道泄漏事故時有發生。這不僅造成了極大的經濟損失,還對環境造成嚴重的污染,對人類的健康和生活造成重大影響,造成了惡劣的社會影響。

其次,管道的維護和修復也是一個重大的挑戰。一旦泄漏發生,需要對管道進行修復,這可能需要暫停輸送,從而影響到油品的供應和管道的運營效率。而在一些偏遠地區或地下管道,修復的難度和成本可能會更高。

總之,管道輸送成品油有許多優點,但也需要對運行平穩性、安全性給予足夠重視和有效的管理。因此,許多管道運營者采取更先進的技術和更嚴格的監管措施,以確保管道的穩定和安全運行。質量平衡+負壓波檢漏方法,便是在成品油管道中較為成熟的泄漏檢測方案,以便在泄漏發生時能夠及時檢測、報警,并采取相應的措施。

2.2 成品油通過管道輸送存在的問題

然而,質量平衡+負壓波檢漏方法在實際應用過程中也出現了一些問題,尤其是在順序輸送成品油管道中,暴露了以下幾個問題。

2.2.1 應用局限性

負壓波檢測在處理大量泄漏時比較敏感,并且能夠及時檢測到泄漏,泄漏位置定位相對較準。然而,負壓波泄漏檢測在處理緩慢泄漏場景時表現得不夠理想。例如,鉆孔盜油等緩慢泄漏場景可能無法被及時檢測到,這可能導致泄漏加重和管道損壞加劇。

2.2.2 誤報率較高

順序輸送成品油管道在輸送介質時,會根據下游的用戶需求或者既定規則去切換油品的輸送,在油品切換過程中,會造成全線的壓力波動;同時,管道、站場自身設備的影響同樣可能導致管道壓力波動,使負壓波泄漏檢測系統誤報率較高,給管道的平穩運行帶來了不利影響,給運營單位帶來了較多不必要的開挖尋漏點工作。在某些極端情況下,運營單位不得不選擇關閉泄漏檢測系統,通過增加人工巡檢的頻次來降低泄漏風險。

3 方案優化

某成品油順序輸送管線項目,全線350 km,沿線設置外輸首站、11座閥室、末站接收站罐區,主要輸送介質為柴油、GB1汽油、GB2汽油,采用順序輸送方式,柴汽油比例大致為7∶3。

泄漏檢測系統,初設方案為傳統的質量平衡+負壓波檢漏方案:即在首站和末站分別安裝了一套流量計,以實現泄漏的定性;同時在沿線的各個閥室安裝高靈敏度壓力變送器和負壓波檢漏服務器,以實現泄漏的定位。但經過多方調研和分析,原方案在順序輸送成品油管道中的應用效果不佳。后經多方論證后,提出“質量平衡+分段質量平衡”的方案,在首末站分別設置一套計量撬,在沿線閥室設置外夾式超聲波流量計進行分段計量,以實現對泄漏的檢測以及粗定位的功能。

4 方案實施及預期效果

4.1 泄漏檢測

在首末站分別設置計量撬,在沿線各個閥室分別設置外夾式超聲波流量計,實現分段計量。

同時,在SCADA系統界面按需設置泄漏檢測系統HMI畫面,實現質量平衡+分段質量平衡的檢測與顯示。但不足之處是,只能確定泄漏發生在哪個區段,無法準確定位,需要結合人工巡檢確定最終的泄漏位置。

4.2 混油界面檢測

該項目主要輸送的介質為柴油、GB1和GB2汽油,介質主要物性如表1所示,客戶主要識別和追蹤的混油界面為柴油和汽油的界面。

表1 某項目輸送介質主要物性參數

超聲波在不同密度的介質中,傳播速度會有不同,根據測量和計算的聲波傳播速度,即可判定流經流量計的油品,尤其是識別柴油和汽油,進而判定混油界面,并在SCADA系統中集成油品及混油界面追蹤畫面,實現識別與顯示。

5 結語

綜上,針對順序輸送成品油管道的特點,本文通過實際案例,提出一種效果較好、經濟性高的泄漏檢測新方案,為未來的項目實施提供另一種選擇。質量平衡+分段質量平衡的泄漏檢測方案可提高系統可靠性,減少誤報率,降低因誤報而引起的安全風險,減少因誤報而引起的停輸時間和維修成本,提高管道運營的效率。同時,該方案具備混油界面檢測和油品批次追蹤功能,為管道精細化運營和管理奠定基礎,從而帶來更好的經濟效益和社會效益。