某油田轻质原油计量系统的设计与应用

黄明基，晁宏洲，程曦，冯杰，张馨梦

中国石油塔里木油田分公司 油气运销部（新疆 库尔勒 841000）

西部某油田处在沙漠腹地，油田建设初期设计安装了管输原油计量系统，主要由4套Smith的刮板流量计和双向球式体积管组成。2019 年国家管网集团公司成立，油田与国家管网西部管道公司之间的贸易交接计量点发生了变化，需新建一套计量设施以满足动态计量的需求。考虑到该站点是整个油田原油贸易交接的总出口，每年外输原油500万t左右，对交接双方来说都至关重要，计量系统流量计的选型和检定方式都要充分考虑，以满足计量精准和科学公正的要求。

1 原油计量系统设计选型

1.1 计量系统组成

原油计量系统一般由多个单元组合而成，用于实现油量测量、原油品质分析和油量计算等功能。贸易交接计量系统至少应包括油量测量单元和品质分析单元，对于一些重要的贸易交接计量站还应增加检定单元、数据采集处理单元和其他辅助系统。测量单元的核心设备就是流量计，流量计的选型对不同类型油品计量的准确性可谓至关重要；品质分析单元主要包括取样装置以及密度、含水的分析设备，可以结合实际情况选配在线密度计和含水分析仪；检定单元主要包括体积管流量测量校准装置和标准金属量器，如果使用体积管检定质量流量计，为确保量值传递的准确性，还需要配备在线密度计。油气田原油贸易交接计量站计量系统的设计需要结合油品的性质和计量站的重要性，同时兼顾经济实用的原则，充分运用自动化、信息化、智能化技术，减少人为参与环节，实现计量数值的科学精准。

1.2 油量测量单元设计选型

一般测量原油的流量计有容积式流量计、涡轮流量计、质量流量计和超声流量计，其中容积式流量计准确度受流体流态的影响较小，适用的黏度范围相对较宽，应用相对较多；涡轮流量计对流体流态的变化有要求，尤其是对黏度变化较为敏感；科里奥利质量流量计可以直接测量油品质量，对压损有明确要求的场合需要慎重考虑；超声流量计在大口径管道流量测量方面具有优势，目前在国内贸易交接场合应用的案例较少。随着油田的逐年开发，该油田油品性质产生了明显的变化，原油黏度和密度均有所下降，需按照现有的油品性质（密度约825 kg/m3、黏度约3 mPa·s）重新考虑流量计的类型。依据GB/T 9109.2—2014《石油和液体石油产品动态计量第二部分：流量计安装技术要求》[1]中容积式流量计和涡轮流量计对流体黏度的适用区间图，油品黏度为3 mPa·s，瞬时流量为200～500 m3/h 时，均超出了容积式流量计和传统涡轮流量计的最佳使用范围。与此同时，考虑到原油贸易交接是以质量为单位，使用容积式流量计和涡轮流量计测量的均是体积流量，体积流量转换质量流量时需要配备高准确度的在线密度计或者人工每2 h取样分析密度求平均值，无论哪种方式都会引入新的计量误差，非最佳选择。超声波流量计由于测得的也是体积流量，且应用在贸易交接的场合相对较少，将流量计选型锁定为科里奥利质量流量计，进一步分析现场对压损的要求，确定了该油田贸易交接口选用质量流量计的可行性。

确定了流量计类型后，需结合油田后续的发展考虑至少近5年原油最大外输量以确定流量计的数量。在连续计量的场所，可采用并联方式安装流量计组，流量计的台数按照式（1）计算。

式中：n为一组流量计的总台数；qvp为一组流量计要计量的最大流量，m3/h；qvm为一台流量计满足准确度要求的额定最大流量，m3/h；s为连续计量时的备用流量计台数。

该油田年最大设计外输量按照700×104t考虑，单台流量计的额定最大流量为500 m3/h,根据上述公式可计算出需要的流量计总台数为4 台，采用成撬的方式。

由于该油田油品为轻质油，饱和蒸汽压相对较高，需要充分考虑油品含气对科里奥利质量流量计测量结果的影响，输送过程中温度或者压力的变化都会伴随着一定气体的产生，在计量前应增加消气过滤器，将管道内的气体和杂质排干净。同时由于科里奥利质量流量计流量传感器会使流通截面积变小，从而导致流量传感器内的流速和压降增大，有可能引起气蚀，降低测量准确度或者损坏传感器，因此需要在临近流量计处维持足够的压力，流量计出口的压力最好应高于式（2）所计算的压力值：

式中：pb为最小背压（表压），Pa；Δp为最大工作流量下流量计的压降，Pa；pe为液体在工作温度下的平衡蒸汽压（绝压），Pa。

除此之外，由于油品中含有蜡和其他杂质，长期运行过程中如果蜡和杂质吸附在流量计振动管内壁，就会对流量计的测量结果造成一定影响，可以考虑增加伴热设施提高测量管处的温度，并在流量计上设置清洗接口，从而避免挂壁对测量结果的影响。

1.3 品质分析单元设计

品质分析单元计量器具的配备可参考SY/T 5398—2017《石油天然气交接计量站计量器具配备规范》[2]中表2 的要求进行，主要考虑手工取样装置的设置、自动取样器和在线含水分析仪的配备。

1.3.1 手工取样装置的设计

手工取样装置的设计按照GB/T 4756—2015《石油液体手工取样法》[3]中关于管线取样器的相关要求进行，取样器含有一个带有隔离阀的取样管，取样管要深入到流体输送管道内，进样点靠近管壁的距离不小于管道内径的1/4。取样管的入口应面对被取样液体的流动方向，为避免流体分层不能取到代表性的样品，取样器应安装在输油管道的立管上。具体如图1所示。

图1 手工定点管线取样器实例

1.3.2 管线自动取样器的设计

手工管线取样法适用于均匀液体，其组成和品质不随时间发生明显变化，如果液体不是均匀的，最好安装自动取样装置。另一方面，随着贸易交接的双方对交接计量准确性的要求越来越高，双方在交接计量协议的签订中也可能会涉及到此部分内容。从公平公正的角度考虑增加此部分内容是必要的。自动取样器的设计可按照GB/T 27867—2011《石油液体管线自动取样法》[4]要求进行，首先要选择合适的取样点，明确取样探头的位置，使取到的液体尽可能代表全部液体，必要时增加静态混合器或者动力混合器使液体尽可能混合均匀。取样器安装时分液装置和样品接收器应尽可能靠近，所有连接均采用符合要求的短管，弯头数量保持最少，样品接收器位于系统最低点，使无效容积尽可能减小。

1.3.3 在线含水分析仪的设计

在线含水分析仪在计量系统的设计中属于选配，其测量的数据不能直接参与贸易交接结算，只能作为一种监控手段作为参考。目前国内生产的一些在线含水分析仪经现场使用与人工取样化验分析的结果对比相差较大，只能参考含水的变化趋势，不能达到预期使用效果，从经济性的角度考虑可以不设置。如果确需设置，做好调查研究与选型是至关重要的。

1.4 检定单元设计选型

流量计的在线实液检定可以使用固定式体积管或移动式体积管作为标准器，移动式体积管灵活方便，但是每次检定或者自检的过程中都要安装管线，现场还必须预留足够的空间用于标定车的停放。如果是车载活塞式体积管，由于体积管的容积相对较小，轻质油品由于标定过程中节流降压容易汽化，产生的气体对其标定结果的影响较大，不宜在该站使用。综合考虑上述因素，该站建设配套固定式体积管用于流量计的检定，同时设置水驱检定系统用于检定体积管。考虑到使用体积管检定质量流量计时，体积管的标准管段测出的是体积量，质量流量计直接测量质量流量，需要获得密度值两者才能匹配。密度的获取可以通过人工取样分析，也可以安装在线密度计，由于油品性质并非固定不变，人工取样分析的过程代表性相对较差，因此采用在线密度计与体积管配套标定质量流量计。

1.4.1 固定式体积管的设计

采用固定双向球式体积管并成撬设计，体积管的准确度优于±0.05%，重复性优于0.02%，体积管的最大流量应高于被检流量计的最大工作流量。体积管采用四通阀作为换向装置，四通阀宜选用将军阀配电动执行机构。若体积管的材质为普通碳钢，内壁需要做粉末烧结或其他类型涂层，如果采用不锈钢材质可以进行抛光不做内涂层。为确保检定过程中经过被检定流量计的油品全部流向体积管，需要在计量标定流程中加强制密封阀门，并在每个计量回路上安装流量调节阀，以满足不同流量点的检定。流量计的出口到体积管的距离应尽可能短，同时减少弯头的设置，并在体积管附近设置高点排气阀，防止产生气体聚集影响检定结果。在体积管的入口处安装在线密度计撬用于测量密度，并就近安装温度变送器和压力变送器对油品体积进行修正。

1.4.2 水驱检定系统的设计

水驱检定系统的作用是定期对体积管进行标定，达到量值传递的目的。水驱系统主要包括水箱、水泵、标准量器、换向器和阀门等。标准量器是最为关键的一部分，采用二等标准金属量器，考虑到金属量器需定期进行量值溯源，为便于送检，其体积不宜超过1 000 L。标准金属量器应有一定的壁厚，以确保量器在液体静压力作用下的变形影响可以忽略不计。量器的支脚设置可调螺旋，以供水平调节用。为确定量器处于垂直状态，应在相互垂直的水平方向上分别安置一个可调的长水准器，并在量器的支脚安装滚轮，便于移动。

1.5 数据采集处理单元设计选型

数据采集管理系统与体积管检测、水驱检定控制系统共用一台计算机，组成检定控制系统。该系统应具有标准的基于MODBUS TCP 的TCP/IP 远程通讯协议，通过通讯接口模块与流量计算机、检定计算机通讯，采集油品输送过程中的温度、压力、密度、瞬时流量、累积流量等参数，实时显示流量计和通讯报警等状态，并对采集的参数进行自动记录整理，帮助操作人员监视整个计量过程和误差分析。可自动输出Excel 格式的报表，并对报表数据建立专门的数据库，方便操作人员对历次输送数据进行查询、检索及统计分析等。归档时间可以组态，上位机应具有每1 min 对流量进行一次归档，能够存储不少于一年的流量数据资料的容量。

1.6 辅助系统设计

辅助系统主要包括保温伴热、排污系统和放空系统等。保温伴热部分根据实际情况，如果在室内冬季有供暖，可以不用设置保温伴热；如果在室外且油品的凝点、析蜡点较高，需要设置保温伴热，避免凝管或者挂壁造成计量不准，该站由于油品析蜡点高，为防止壁挂产生，在计量系统部分增加了保温保热。排污和放空系统按照相关标准规范进行设计即可。

2 质量流量计量系统应用分析

按照上述设计要求，该站的计量系统分两部分先后实施。第一期仅采购了测量单元4 路计量部分，分2 个撬进行供货，每个撬上有2 路计量回路，通过现场施工并联在一起，形成3 用1 备的计量撬。每个计量回路上设有截断球阀、消气过滤器、直管型科里奥利质量流量计、去标定的支路（支路上设有强制密封阀门）、流量调节阀和强制密封截断阀门。同时在整个计量撬出口设有去移动式标定车的流程。由于检定系统未同期施工，流量计的首次检定在自治区计量院采用静态质量法进行了量值溯源，检定结果显示4 台流量计的误差均在0.1%以内。考虑到质量流量计安装过程中会引入安装误差[5]，尤其是直管型质量流量计如果受到外来安装，会对测量管造成一定影响，必然会导致计量结果不准。鉴于此，流量计安装到位后，又采用了移动活塞式体积管标定车对4台流量计进行了在线实液检定，检定结果显示4 台科里奥利质量流量计的准确度和重复性都较好，完全满足贸易交接使用的要求。但是，在检定的过程中也进一步验证了油品中含气对检定结果的影响比较大，需要不断进行排气，持续地监测油品密度，保证输送的油品尽可能性质稳定[6]。

计量系统的二期采购了双向体积管检定系统和水驱检定系统，双向球式体积管可满足最大650 m3/h的检定流量，采用了不锈钢材质，内壁有粉末烧结涂层[7]；换向阀采用了喀麦隆的将军四通阀，密度计为艾默生高准的产品，精度满足±0.1 kg/m3；二等标准金属量器为2个500 L的量器，使用1Cr18Ni9Ti不锈钢板制造；检定控制系统为艾默生FLoBoss S600+，整个配置完全满足贸易交接检定科里奥利质量流量计的要求[8-10]。此部分主要是双向球式体积管采用了不锈钢材质加粉末烧结内壁涂层的形式，目前在国内应用相对比较少，需要在后续使用的过程中进一步验证其可靠性[11]。

3 结束语

1）计量系统由多个单元组成，一般情况下必须包括油品测量单元和品质分析单元，需要综合考虑计量站的重要性和经济性等因素，设计检定系统和数据采集管理系统等内容。

2）计量系统中流量计的选型至关重要，要综合考虑油品的性质，包括密度、黏度、饱和蒸汽压等参数，结合计量的精准性和后期的维护便利性等因素选择合适的流量计，对于轻质原油使用科里奥利质量流量计进行贸易交接也是不错的选择。

3）口径超过150 mm的体积管一般采用固定式，选择双向球式体积管时要充分考虑内壁涂层的形式，涂层不脱落是保证其长期有效使用的关键因素。

4）用体积管检定质量流量计必须要考虑配套设置在线密度计，宜采用振动管密度计，精度至少达到0.15 kg/m3，且密度计应安装在体积管入口。

5）二等标准金属量器的选择要考虑其送检的便利性，选用的量器容积不宜过大，可结合体积管的容积选择2个或多个量器组合使用。

6）计量系统流程中的关键阀门应采用强制密封阀门，确保检定过程中流经被检流量计的原油全部流向体积管，并设置流量调节阀，以满足流量计各个流量点的检定。