液体超声波流量计在FPSO上的实流标定

张 颖，孙 钦，孙 婧

(中海油研究总院，北京 100028)

液体超声波流量计在FPSO上的实流标定

张 颖，孙 钦，孙 婧

(中海油研究总院，北京 100028)

液体超声波流量计(简称液超)在大口径管道计量中有突出的优势，但实流标定方法复杂是其用于外输计量的瓶颈。南海某油田在国内首次将液超应用于浮式生产储卸油装置(FPSO)贸易交接计量。通过分析液超测量原理及检测特性，对其标定方案进行设计，在国内首次尝试采用体积管直接标定液超。通过对比分析体积管与标准表标定结果，得出结论——增大体积管体积及采用多次连续标定结果进行评价可有效解决体积管直接标定液超问题。对液超在海上平台的后续应用有重要意义。

液体超声波流量计；浮式生产储卸油装置(FPSO)；实流标定；体积管

0 引 言

原油贸易交接计量是原油贸易的重要环节，通过测算标准条件下贸易结算的不含水原油数量，得出原油价格相关参数，直接影响交接双方的经济效益[1]。目前，国内海上原油贸易交接计量中常用的流量计主要有容积式、涡轮式及质量流量计，但容积式流量计体积庞大、压损大，涡轮流量计对黏度敏感、不能长期保持校准特性，质量流量计价格昂贵、零点不稳定。液体超声波流量计(液超，UFM)通过非干扰性介入测量方式，保证流量测量的同时维持流体的完整性，解决了常用流量计的缺点，且其内部无可动部件，采购建造和后期运营维护成本低，非常适合海上平台的应用[2]。

根据我国计量法律和法规，原油贸易计量属于依法强制管理的范畴，计量器具必须符合相关标准并按规程进行标定[3]。液超测量具有滞后性，并且对流量扰动敏感，这使液超的实流标定成为一大难点。目前液超常用的标定方式为标准表法，采用经过标定、满足要求的标准表标定液超，过程较繁琐，耗时长，且标准表的加入不利于降低成本。体积管标定液超操作简便，但应用案例较少，且标定球往复运动易引起流量扰动，不利于稳定。本文从实际出发，对南海某浮式生产储卸油装置(FPSO)贸易交接级液超流量计[4]的标定系统流程进行设计，在国内首次尝试采用体积管标定液超，并对比分析体积管与标准表实流标定数据，得出影响体积管标定液超效果的主要因素。研究结果对液超在贸易交接计量中的的应用有重要的指导意义。

1 液超特性分析

时间差法超声波流量计通过测量声波在流动介质中顺流传播和逆流传播的时间差计算得到流量大小[5]。声波在流体中的实际传播速度由介质静止状态下声波的传播速度c和流体轴向平均速度Vm在声波传播方向上的分量组成，如图1所示。

图1 超声波流量计测量原理Fig.1 Principle of ultrasonic flowmeters

顺流和逆流传播时间与各量之间的关系为

(1)

(2)

式中：tA→B为超声波顺流(即从换能器A到换能器B)传播时间；tB→A为超声波逆流(即从换能器B到换能器A)传播时间；L为声道长度；c为声波在流体中的传播速度；Vm为流体轴向平均速度；Φ为声道角，即超声波传播方向与流体流动方向的夹角。

联立两式，得到流体平均速度：

(3)

由式(3)得流体直径方向平均线速度，而流动横截面上的平均面速度(即流量)可按下式计算：

(4)

管道内流体的有效横截面积与雷诺数大小相关[6]，当雷诺数较低时，惯性力受黏性力约束，流体形状圆润，有效横截面积较小；随着雷诺数的增大，速度分布曲线顶部变得广阔而平坦，有效横截面积增大，如图2所示。

图2 管道内流体有效横截面积与雷诺数关系Fig.2 Flow profile with Reynolds number

流体雷诺数大小影响管道内流体有效横截面积，进而影响流量的计算。但若流体物性变化不大，通常认为有效横截面积不变。因此定期对流量计进行实液标定，用计算得到的仪表系数对流量计示数进行修正，可消除物性变化对流量计算的影响[7]。

2 某FPSO液超标定分析

2.1 标定方案设计

中国南海某油田新建15万吨级FPSO，外输合格原油密度835 kg/m3，最大外输速率5 400 m3/h，结合原油黏度、外输压降要求等条件，最终选用液体超声波流量计进行外输计量。

参与贸易结算的流量计需定期标定以保证计量准确性。一般流量计常用的标定装置主要有球形体积管、活塞式体积管和标准表。标定过程中将被检流量计与标定装置串联，用体积管的标准体积(或已知精度的标准表)来认证被检流量计的精度。各标定装置对比如表1所示。

表1 标定装置比较

活塞式体积管以活塞为置换器，标准体积小，活塞运动速度大，流量扰动大，不利于液超标定。目前国内外液超标定多采用标准表法[8]，将标准表和被标定流量计串联，用已知精度的标准表认证被标定流量计。标定过程中无置换器，流量扰动小，标定效果稳定。但标准表法标定过程繁琐，需先标定标准表，再用标准表标定液超，标准表的性能会影响标定结果，且标准表的加入不利于降低成本。本次标定设计中尝试采用双向体积管标定液超，为保证效果加入涡轮标准表进行辅助，若成功应用则可在今后的设计中省去标准表。标定流程设计如图3所示。外输流体分为4路，过滤后经液超计量并行外输。体积管标定液超时，流量经被标定流量计后直接流经体积管标定后外输；标准表法标定时，先用体积管标定涡轮主表，再将被标定流量计与标准表串联，进行标定。未被标定的液超正常外输。

体积管标定液超流程如图4所示。标定系统由标准体积管、标定球、检测开关、换向阀、标定计算机、温压传感器及管线阀门组成。流量计和体积管串联，流体经流量计、换向阀后进入体积管。当标定球通过第一个检测开关时，脉冲计数器启动计数，开始标定体积。当标定球通过第二个检测开关时，计数器停止计数。流体由四向阀外输。四向阀完成换向后，流体反向推动标定球通过两个检测开关。完成单次标定过程。

每台流量计根据油轮常用外输数据设定了5个流量标定点进行标定，分别为：300，700，1000，1300，1600 m3/h。在每个流量点处分别用两种方法进行标定，共分4个步骤：(1)用标准体积管标定主表；(2)用主表标定超声波流量计；(3)用体积管直接标定超声波流量计；(4)用体积管标定主表验证主表的复现性。

图3 原油外输计量标定流程图Fig.3 Process flow diagram of crude oil custody transfer

图4 标准体积管标定系统流程图Fig.4 Process flow diagram of the proving system

2.2 标定结果分析

根据美国石油学会(API) MPMS规范要求，外输计量仪表标定时须达到0.027%的不确定度，对应的重复性要求根据下式计算得到：

(5)

式中：a(MF)为流量计不确定度;t(95,n-1)为95%置信区间，自由度为n-1的学生分布系数，w(n)为标定数据范围，即最大值减去最小值；n为流量计标定次数；D(n)为变换系数。

计算结果如表2所示。标定按照连续5次操作重复性是否小于0.05%进行评价，重复性按照下式进行计算：

(6)

式中：R为重复性；Fmax和Fmin分别表示最大值和最小值。

前两台流量计标定结果如图5和图6所示，在重复性要求(三角形标识)之下的测量数据均为合格数据。由此看出，标准表法标定结果稳定，各流量点液超仪表系数重复性均在万分之五以内，满足API要求。而体积管直接标定液超，流量较小时结果稳定，随着流量的增大，MF系数无法全部达到0.05%的重复性要求。

表2 不确定度0.027%下的液超标定次数与重复性要求

图5 液体超声波流量计A标定结果Fig.5 Proving data of flowmeter A

图6 液体超声波流量计B标定结果Fig.6 Proving data of flowmeter B

分析原因，超声波流量计通过智能电子元件高频测量超声波传输时间差，并通过采样多次瞬时测量结果计算得到平均流速，输出脉冲信号，因此输出的测量信息滞后于流量特性[9]。同时液超测量各声道瞬时流速，不仅观测到主轴向速度，也实时观测到由于阻力、扰动产生的分流现象，包括瞬时流态、旋涡等，导致液超测量数据分散分布，脉冲输出不均匀[10]。

流量计的重复性等同于脉冲输出数量的重复性，标定过程中需测量代表流经两个检测开关之间的流体体积的脉冲数量。脉冲测量的滞后性导致参与计数的一些脉冲实际上发生在检测开关被触发之前，同时由于脉冲的不规律输出导致标定过程对标定球通过检测开关前后的流量波动十分敏感。相比标准表法，体积管直接标定液超造成流量和压力扰动的因素更多，如标定球发射或四向阀换向等，因此体积管直接标定效果略逊于标准表法。

2.3 体积管标定液超影响因素分析

根据前述分析，液超测量过程中脉冲输出具有滞后性及不规则性，由此导致体积管直接标定效果不稳定。通过进一步分析，得到标定过程中影响标定效果的两个重要因素：标定体积和标定次数。

2.3.1标定体积

液超脉冲输出的滞后性及不规则性导致流量计需要更多的脉冲数量来达到重复性要求[11]。标定体积越大，单次标定产生的脉冲数量越多，脉冲不规则性对重复性的影响就越小。同时增大标定体积，也可降低脉冲滞后性的影响。对比两种标定方法，体积管标定体积为10m3，而标准表标定时，涡轮流量计K系数需满足万分之一的误差，即标定体积为

对比可得，标准表法的标定体积远大于体积管的标定体积，因此分析标定效果由于体积增大而变好。由于实液标定的复杂性，进行现场实验验证不同标定体积下的标定结果不太可行。美国宾夕法尼亚州格林斯堡对丙烷外输液超做的一个标定实验[12]验证了这一猜测，如图7所示。随着体积管标定体积的增大，标定数据的分散度越来越小，重复性也越来越小。因此增大标定体积是解决液超标定不稳定的一个办法。表3为API中液超标定体积管容积推荐值[13]。但海上平台空间有限，标定所需的体积管容积较大，因此会受到一定限制。

图7 标定体积与重复性之间的关系Fig.7 Repeatability versus proving volume

注：1英寸=2.54 cm。

2.3.2标定次数

超声波流量计测量过程中将观测到的轴向速度与非轴向速度进行了实时合并，因此测量数据分散，脉冲输出不均匀。这种分散是随机的，数据均匀地分布在流量平均值周围。因此增加标定测量次数，可以降低数据分散带来的不确定性。表3中5次标定重复性达到0.05%和10次标定重复性达到0.12%所需体积管容积值相差悬殊。又知仪表系数满足表2重复性要求即能保证流量计达到0.027%的不确定度。因此适当增加操作次数可降低液超标定所需的体积管容积，即在相同的标定体积下，标定次数越多越容易达到重复性要求。文献[11]中图4的例子也验证了这一点。而在本次实液标定中，流量计A在1000m3/h的标定数据如表4所示，5次标定重复性不满足要求，但6次标定重复性为0.0512%<0.06%，满足标准；流量计B在700m3/h时用体积管共标定了10次，如表5所示，计算得连续5次标定重复性为0.057594%>0.05%，不满足要求，但连续10次标定重复性为0.1039%<0.12%，满足要求。因此，考虑到超声波流量计对扰动的敏感性以及数据的分散性，在标定时可适当采用多次结果进行计算。

表4 流量计A在1 000 m3/h时用体积管标定结果

表5 流量计B在700 m3/h时用体积管标定结果

综上所述，用体积管标定液超时，增大体积管标定体积以及采用多次连续标定结果进行计算都是直接标定的有效途径。

3 结 语

在海上原油贸易交接计量系统中，液体超声波流量计与传统流量计如容积式、涡轮式和质量流量计相比具有诸多优点，尺寸小，重量轻，维护、运营成本低，非常适合用于大流量原油贸易计量。但海上平台空间有限，体积管体积受到限制，并且FPSO容易受风浪影响产生晃动，因此标准表法标定更为稳妥。采用体积管直接标定时，需严格按照标准计算体积管尺寸。此外，增加标定次数，采取多次标定结果进行评价有利于达到重复性要求，但需要更多的实流标定数据来验证其可靠性。

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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

张颖(1990—)，女，硕士研究生，主要从事海洋石油平台仪控设计。

TH814+.92

A

2095-7297(2016)02-0099-06