液体超声波流量计在FPSO外输计量中的应用

邓祖跃　刘永兵

摘要：本文主要介绍液体超声波流量计在实际应用中出现的问题及解决办法，通过体积管法和主表法结合的方式对超声波流量计进行标定，实现了液体超声波流量计在FPSO原油贸易计量中的应用，通过介绍该外输计量系统在应用出现的标定球破裂、取样系统积水、主表涡轮流量计的与S600数据传输等问题的解决方案和探讨。希望对以后的外输计量设计选型及应用提供借鉴和参考。

关键字：液体超声波流量计；FPSO；体积管；外输计量系统

1、FPSO外输计量系统概述

FPSO原油计量和标定系统主要由计量撬、标定撬和控制系统三部分组成。设计采取三用一备的方式运行，每路外输管线的计量能力可达1800 m?/h，它的功能是将储油轮油舱中的原油输送至驳油轮的过程中（图 1），对原油进行精度达千分之二的精确计量和控制，为原油贸易结算提供可靠的依据；同时具备自动取样功能。

计量撬主要由DANIEL 3804超声波流量计、电动马达阀（DBB阀）、流量控制阀、自动取样器、除气过滤器、温度、压力变送器等组成；标定撬由福尔赫曼FAURE HERMAN 8500涡轮流量计、电动四通阀、电动马达阀、30寸球形体积管、两个500L的水标罐等组成；计量控制系统由上位机、五台流量计算机、两个控制盘等设备组成。

2、超声波流量计在标定过程中出现的问题

2.1采用体积管法和主表法结合的方式标定超声波流量计

FPSO的原油外输计量系统首次使用超声波流量计用于原油外输的外贸计量；用30寸球形体积管标定超声波流量计，其中流量计采用DANIEL 3804超声波流量计，它的标定原理是用球形体积管对每台流量计进行标定，当球形体积管内的球在30寸的管道内运行一周排出的液体量和超声波流量计的读数进行比较。然后通过四通阀的换向实现流程的切换。每台流量计连续标定5～10次，每次结果都要在允许误差范围以内。

厂家原设计方案中使用体积管直接标定超声波流量计，通过多方调研，与国家石油天然气大流量计量站、厂家讨论液体超声波流量计的标定方式，考虑到首次使用超声波流量计存在一定标定风险。因此在设计时特别要求在标定回路总管增加一个12寸的涡轮流量计以便在体积管直接标液超不合格时进行等精度传递法标定。涡轮流量计作为主表，用于量值传递，先用球形体积管标定涡轮流量计，再用涡轮流量计标定液体超声波流量计，使用涡轮流量计标定液体超声波流量计可以得到更好的重复性数据。液体超声波流量计由于其工作原理与传统的体积流量计或者涡轮流量计不一样，超声波流量计的输出信号是不均匀的，需要通过流速和数学模型进行计算。如果使用球形体积管标定液体超声波流量计重复性精度在流量计精度的1/3以内，（0.15%*1/3=0.05%），可能影响原油外输计量标定撬取得国家石油天然气大流量计量站的标定证书。为了保证计量标定的取证工作顺利完成，以及参考国内成功经验做法；因此选用体积管法和主表法结合的方式标定超声波流量计，即等精度传递法。

也就是说，标准表法流量标准装置的准确度同上一级标准装置的准确度大致相等。同理，用该标准表法流量标准装置检定其它流量计也可以得到相似的结果。只要该流量计的重复性足够好，就可用该流量计作为传递标准将流量量值传递给下一级流量标准装置或流量仪表。

2.2 球形体积管标定球的材质选用

此项目于2014年10月进油，经过现场多次测试过油标流程均正常，最后一次测试标定流程后将四通阀反向，确认管内原油将球顶到发球腔内，体积管电伴热一直打开，温度保持在50℃～60℃；

在进行油标取证时，将四通阀反向，LUSM和涡轮主表流速均保持在200m?/h，体积管进出口压力与LUSM处压力均为200kpa左右，排气并维持此流程约20分钟后开始正常标定流程，无法接收到检测开关信号，后经多次不同流量测试，均未能接收到检测开关信号；检查检测开关接线，并在现场进行短接测试，检测开关信号均正常；检查四通阀动作，观察现场阀位指示，正反向均动作正常；在500m?/h流速下，四通阀反向保持20分钟，后停泵，排油，打开发球腔，没有找到标定球；

怀疑标定球可能损坏，再次进行以下流程测试，观察是否能将球顶到发球腔内。在流速1200m3/h，压力200Kpa左右，四通阀反向，稳定运行约15分钟后停泵，泄压，打开发球腔，发现发球腔到四通阀直管段连接处有黄绿色残留物如下图，怀疑是标定球溶解残留。

由厂家参数表可知U-53最高耐受温度77℃，在实际使用过程中体积管温度将接近或者达到标定球的极限温度，是标定球损坏的一个诱因。

体积管水标时，油轮尚未出坞，船厂处于北方，年最高温度低于南海油轮工作环境，标定球不存在超温情况。当油轮到达工作海域后，南海气温高，加之计量撬电伴热双重作用，体积管内温度高于标定球最高使用溫度，从而导致标定球损坏。

3、主表涡轮流量计的与S600数据传输问题

在进行油标取证过程中出现在线标定时主表（涡轮流量计）没有读数的情况。按照S600流量计算机中的说明，涡轮流量计典型接线：

调整回路中R阻值，观察到在电阻680欧姆时S600能正确接收脉冲信号，脉冲高电平在19.5VDC左右，但是只维持了约5分钟，就开始接收不稳定，时好时坏；调整电阻从100-1000欧姆，均未能解决此问题；经过排查，检查接地正常，按目前接线方式，可能受电磁干扰。

经分析认为，现场涡轮流量计距离流量计算机距离较远。流量计安装在现场，流量计算机安装于中控机柜。二者直线距离为129米，电缆长度更长。而且电缆敷设使用电缆桥架方式，多个设备，多种类型电缆均有敷设在一起。3.9V的脉冲电压极易受到干扰，造成流量计算机检测不到。因此较为实际的方法是提高脉冲电平。由于计量撬处于2类危险区，在原设计选型中脉冲放大器选用的是FUER HERMAN FH71-STD（标准型），该型放大器最大的优点是满足本安标准，适于危险区使用。缺点是电平较低。如果需要较高电平则需要选择3线制（OC开路）方案，该方案涡轮流量计脉冲放大器采用FH71-OC型。优点是流量计算器脉冲输入端获得的电平较高，干扰影响小。缺点是FH71-OC不符合本安要求，安装于2类危险区时需要安装在防爆接线盒内。OC开路方案接线图。

采取OC开路方案后实测到S600流量计算机脉冲输入端，脉冲高电平为12V左右。导通流程测试涡轮流量计自始至终没有出现流量为零情况，主表涡轮流量计的与S600数据传输问题得到解决。

2.4 取样系统存在循环取样积水情况

外输原油经取样循环泵一部分返回主管线，另一部分流入采样系统。采样系统根据外输流量，自动控制气体取样泵按照计算的取样间隔进行取样。由图中所示，主循环管线为6”，取样管线为1“。当外输结束后一部分油品残留于循环管线和取样管线中。在设备静置期间，由于管线伴热的加热，残留油品产生了油水分离现象。分离的水份积聚于取样管线低点处。当下次外输时积聚的水份被循环至取样柜随即被取样泵抽入取样桶，导致外输开始时取的油样含水过高，从而影响整批油样含水量。在第三次外输作业过程中，由于没有进行取样系统的排残工作，出现取样含水超过3%的情况，正常值是小于0.5%，。实践证明在下次外输开始前对取样管线中的残液进行放残，可有效减少水份被取入取样系统的数量。原系统中设计了低点排放，但是是作为管线和设备维修时排放使用。排放出的残液需要人工收集，不便于操作，需要对其进行改造。改造方案：在原有排放点基础上将出口加装管线延伸至闭排管汇。在外输开始前打开排液阀门，使排出的残液直接进入闭排，防止取样管线存水。在实际使用中又发现，外输开始前各个阀门处于关闭状态，打开排液阀门利用重力排残，时间过长，效果不佳。而且闭排管汇入口高于排液管线出口，导致仍有一部分液体残留在管线中。结合每次外输前均需要对管线充氮气进行气密保压这一情况，利用充气开始前或者结束后泄压的时机，使用氮气将取样管线中最后残留的液体吹除，可取得较好的排残效果。经过排残操作，清空了管线中的残液，减少了水份进入取样系统的机会，保证所取油样的准确性和可靠性，利用商业结算避免了商业纠纷。

3、结束语

本文通过对超声波流量计首次在FPSO外输计量的应用中出现的问题跟踪和处理，对于液体超声波流量计在FPSO外输计量的应用和设计选型时应考虑：现阶段体积管直接标定超声波流量计还存在不稳定的现象，为了避免无法取证的风险可采用等精度传递的标定方案；球形体积管标定球的材质选用考虑电伴热和夏季高温的情况，选用耐高温材质的标定球；在主表涡轮流量计的选择方面，考虑外界的干扰因素，可采用高电平的抗干扰能力强三线制流量计；自动取样系统的设计中，要考虑残液的排放和吹扫的问题，避免出现贸易纠纷的问题。

参考文献

1、JJG 667-2010，中華人民共和国国家计量检定规程——液体容积式流量计检定规程[S].北京：国家质量监督检验检疫总局，2010

2、孙策，安树民.液体超声波流量计检定方法[C].2010中国油气计量技术论坛论文集，北京：2010

3、何骁勇，徐正海，FPSO原油外输计量标定系统的选型与设计[C].2013

4、梁国伟，盛健，流量仪表等精度传递的实验研究和准确度分析[C] 2001

作者简介

邓祖跃，本科，高级技师，中海石油深圳分公司，石油化工行业

刘永兵，本科，助工，中海石油深圳分公司，石油化工行业