原油貿(mào)易交接計(jì)量及標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

李增材 郭保玲

1.國(guó)家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司 2.北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)研究院

貿(mào)易交接計(jì)量系統(tǒng)(lease automatic custody transfer system,LACT)用于企業(yè)間貿(mào)易交接計(jì)量,普遍用于長(zhǎng)輸管道首末站、分輸站、油庫(kù)和油田外輸站場(chǎng)等場(chǎng)所。貿(mào)易交接計(jì)量系統(tǒng)通常把涉及計(jì)量的各部分進(jìn)行集成,預(yù)先安裝在同一個(gè)或多個(gè)鋼制基座上,以橇裝形式進(jìn)行設(shè)計(jì)和整體供貨。貿(mào)易交接計(jì)量橇在出廠前需做試壓及各項(xiàng)功能測(cè)試,并取得計(jì)量檢定證書,到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后只需和上下游管道連接并把信號(hào)連接到控制室的儀表柜后便可以投入運(yùn)行,計(jì)量橇已成為交接計(jì)量系統(tǒng)的主要供貨形式。

目前,全球新建項(xiàng)目中原油貿(mào)易交接系統(tǒng)采用橇裝形式的約占80%。我國(guó)近幾年在石油天然氣工業(yè)的許多大型項(xiàng)目上也都采用了計(jì)量橇裝系統(tǒng),例如:蘭成渝成品油管道、珠江三角洲成品油管道及我國(guó)在國(guó)外投資的哈薩克斯坦原油項(xiàng)目、肯尼亞成品油項(xiàng)目、委內(nèi)瑞拉MPE3原油處理站項(xiàng)目等[1-2]。

1 主要設(shè)備及工藝流程

1.1 主要設(shè)備

LACT主要由計(jì)量單元和標(biāo)定單元組成。根據(jù)介質(zhì)特性、計(jì)量要求和運(yùn)行需求(見圖1)。

具體選用以下元件[3]:

(1)計(jì)量單元:應(yīng)選用計(jì)量精度和重復(fù)性高的高準(zhǔn)確度流量計(jì),包括質(zhì)量流量計(jì)、容積式流量計(jì)、超聲流量計(jì)等,準(zhǔn)確度等級(jí)應(yīng)不低于0.2級(jí),最大允許誤差不大于±0.2%。

(2)標(biāo)定設(shè)備:體積管、四通閥、標(biāo)定回路及接口等。重復(fù)性為衡量體積管的重要技術(shù)指標(biāo),通常體積管最大允許誤差為±0.05%,重復(fù)性為0.02%。

(3)計(jì)量?jī)x表:溫度表、壓力表及溫度變送器、壓力變送器。通常,流量計(jì)出口側(cè)安裝分度值不大于0.1 ℃的溫度計(jì),不低于0.4級(jí)的壓力表,溫度變送器最大允許誤差為±0.2%,壓力變送器最大允許誤差為±0.2%。

(4)分析儀表:自動(dòng)取樣器(包括取樣循環(huán)泵)、水分析儀、密度計(jì)、H2S分析儀等。

(5)管路和閥門:控制閥宜選用電動(dòng)閘閥、流量控制蝶閥等,截?cái)嚅y選用排污閥、DBB閥等,保護(hù)用閥包括泄放閥、截止閥等。

(5)儀表電路系統(tǒng):電源分配箱、信號(hào)接線箱、撓性連接管、防爆穿線管、穿線盒等。

(6)控制機(jī)柜:流量計(jì)算機(jī)、PLC控制器、標(biāo)定計(jì)算機(jī)(含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、標(biāo)定評(píng)價(jià)兼操作終端等功能)、UPS。

(7)其他設(shè)備:消氣器、穩(wěn)流器、過濾器等。

計(jì)量單元出口匯管通常設(shè)有水分析儀和自動(dòng)取樣裝置,以檢測(cè)油品含水率、硫含量或其他物性指標(biāo),每條計(jì)量管路出口設(shè)置DBB雙截?cái)嚅y門。

1.2 工藝流程

計(jì)量及標(biāo)定系統(tǒng)撬裝內(nèi)的工藝流程分為計(jì)量工藝流程和標(biāo)定工藝流程(見圖2)。

油品交接計(jì)量通過計(jì)量單元完成,計(jì)量單元中的計(jì)量工藝流程通常采用N+1形式(即N路運(yùn)行、1路備用),保證檢修或故障時(shí)不間斷運(yùn)行。每路計(jì)量管路上都設(shè)置流量計(jì)、溫度變送器、壓力變送器及部分就地儀表等,可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、顯示和流量的溫壓補(bǔ)償。取樣口及分析儀表宜設(shè)在計(jì)量橇出口匯管各儀表原件之后,以減少油品擾動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

在計(jì)量工藝流程下游的旁路上設(shè)置標(biāo)定工藝流程,流量計(jì)標(biāo)定通過標(biāo)定單元完成。正常計(jì)量時(shí)斷開標(biāo)定工藝流程,標(biāo)定時(shí)則斷開正常計(jì)量通道,開啟標(biāo)定工藝流程,確保標(biāo)定工藝流程與計(jì)量工藝流程呈串連連接。標(biāo)定工藝流程包括100%、75%、50%、25%流量計(jì)輸出的標(biāo)定。對(duì)于流量計(jì)每個(gè)輸出值的標(biāo)定,球形置換器在原油的推動(dòng)下從收發(fā)球筒沿體積管運(yùn)動(dòng),通過標(biāo)準(zhǔn)體積段,先后觸發(fā)兩個(gè)檢測(cè)開關(guān)并計(jì)數(shù);當(dāng)球被推到體積管另一側(cè)的收發(fā)球筒后,四通閥換向進(jìn)行反向標(biāo)定,一個(gè)來回通球行程為一個(gè)標(biāo)定循環(huán),以上連續(xù)循環(huán)通常重復(fù)2～5次,采用平均值數(shù)據(jù)法或平均流量計(jì)系數(shù)法確定標(biāo)定結(jié)果[3]。標(biāo)定流程可與計(jì)量流程同步進(jìn)行,實(shí)現(xiàn)不停產(chǎn)在線標(biāo)定。

2 計(jì)量及標(biāo)定系統(tǒng)

2.1 計(jì)量系統(tǒng)

高準(zhǔn)確度流量計(jì)為計(jì)量系統(tǒng)核心設(shè)備,主要類型有質(zhì)量流量計(jì)、容積式流量計(jì)(即PD流量計(jì))和超聲流量計(jì)。其中,容積式流量計(jì)包括腰輪流量計(jì)、雙轉(zhuǎn)子流量計(jì)、橢圓齒輪流量計(jì)、刮板流量計(jì)與渦輪流量計(jì)等,質(zhì)量流量計(jì)常采用科里奧利流量計(jì)。通常,根據(jù)原油黏度、流量范圍和化學(xué)成分等特性選擇適宜的流量計(jì)類型。其中,API MPMS《原油檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)》給出了容積式流量計(jì)和渦輪流量計(jì)的選用原則,高黏流體宜選用容積式流量計(jì),成品油計(jì)量或雷諾數(shù)大于10 000的油品宜選用渦輪式流量計(jì)。超聲流量計(jì)在國(guó)外原油貿(mào)易交接計(jì)量中的應(yīng)用較為成熟,近年來在國(guó)內(nèi)海上原油外輸計(jì)量系統(tǒng)中也得到了應(yīng)用,實(shí)測(cè)最大誤差小于0.18%。目前,國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系還不健全,但因壓降小、量程比高、對(duì)油品無擾動(dòng)、便于維護(hù)等優(yōu)勢(shì),具有良好的應(yīng)用前景[5]。質(zhì)量流量計(jì)直接測(cè)量原油質(zhì)量,不受溫度和壓力的影響,具有準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好、量程比大等特點(diǎn),但其壓損大、價(jià)格昂貴、零點(diǎn)不穩(wěn)定、對(duì)外部振動(dòng)等干擾敏感性高。

國(guó)際貿(mào)易交接計(jì)量以體積計(jì)量為主,我國(guó)原油交接計(jì)量沿用蘇聯(lián)和東歐的質(zhì)量計(jì)量方式?？评飱W利質(zhì)量流量計(jì)具有更好的計(jì)量性能,通過密度儀、溫度傳感器和流量計(jì)算機(jī)等設(shè)備也可以實(shí)現(xiàn)向體積流量的轉(zhuǎn)化[6]。通常流量計(jì)生產(chǎn)商依托核心設(shè)備的專有技術(shù)實(shí)現(xiàn)了LACT成橇設(shè)計(jì)和整體供貨。

原油貿(mào)易交接計(jì)量技術(shù)指標(biāo)根據(jù)用戶需要而確定,國(guó)際上原油動(dòng)態(tài)計(jì)量執(zhí)行API和ISO標(biāo)準(zhǔn),跨加拿大與美國(guó)的Keystone原油管道和里海歐亞地區(qū)的Baku-Tbilisi-Ceyhan原油管道計(jì)量系統(tǒng)最大允許誤差為±0.25%、流量計(jì)最大允許誤差為±0.15%,伊拉克納西里耶油庫(kù)原油貿(mào)易交接計(jì)量用流量計(jì)最大允許誤差為±0.15%,委內(nèi)瑞拉PDVSA國(guó)家石油公司貿(mào)易交接計(jì)量流量計(jì)最大允許誤差為±0.1%,貿(mào)易交接計(jì)量用流量計(jì)最大允許誤差通常為±0.2%[7-8]。GB/T 9109.1-2016《石油和液體石油產(chǎn)品動(dòng)態(tài)計(jì)量第1部分:一般原則》規(guī)定了用于我國(guó)貿(mào)易交接計(jì)量的流量計(jì)最大允許誤差為±0.2%、計(jì)量系統(tǒng)凈油標(biāo)準(zhǔn)體積擴(kuò)展不確定度不大于0.25%、凈油表觀質(zhì)量擴(kuò)展不確定度不大于0.35%,以及流量計(jì)計(jì)量系統(tǒng)和體積管的設(shè)計(jì)、安裝技術(shù)要求等。

2.2 計(jì)算機(jī)控制單元

計(jì)算機(jī)控制單元由流量計(jì)算機(jī)、標(biāo)定計(jì)算機(jī)和服務(wù)器終端組成。

流量計(jì)算機(jī)主要接收流量、溫度和壓力信號(hào),進(jìn)行流量瞬時(shí)和累計(jì)運(yùn)算、控制管路,控制閥門開度,調(diào)節(jié)標(biāo)定和計(jì)量流量等。計(jì)量單元至少設(shè)置1臺(tái)流量計(jì)算機(jī),通常為提高可靠性,每路計(jì)量管路設(shè)置1臺(tái)流量計(jì)算機(jī),對(duì)采集的工藝參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算和控制,在線輸出計(jì)量數(shù)據(jù)。

標(biāo)定計(jì)算機(jī)接收四通閥信號(hào)并控制其運(yùn)動(dòng)方向,接收體積管溫度、壓力、含水率和密度等信號(hào),控制流量的比例,進(jìn)行取樣和標(biāo)定,計(jì)算校準(zhǔn)的標(biāo)定體積、儀表系數(shù)M和流量系數(shù)K。標(biāo)定單元設(shè)置標(biāo)定計(jì)算機(jī)1臺(tái),基于計(jì)量單元流量計(jì)算機(jī)的運(yùn)算結(jié)果,調(diào)節(jié)四通閥開度導(dǎo)通體積管開始標(biāo)定流程,調(diào)整流程可進(jìn)行單臺(tái)流量計(jì)的標(biāo)定。

2.3 標(biāo)定系統(tǒng)

流量計(jì)的標(biāo)定主要包括體積管法、容積法、稱量法和標(biāo)準(zhǔn)表法,其中體積管法最為常用,且雙向球形體積管常作為L(zhǎng)ACT橇的一部分進(jìn)行整體設(shè)計(jì)和供貨(見圖3)。對(duì)于體積管的檢定需使用二等標(biāo)準(zhǔn)量器[9],其不確定度為2.5×10-4。

3 橇裝化設(shè)計(jì)及供貨特點(diǎn)

國(guó)內(nèi)外工程關(guān)于LACT成橇形式存在差異,國(guó)內(nèi)油田和原油長(zhǎng)輸管道通常采用自行設(shè)計(jì)計(jì)量單元的形式,但標(biāo)定單元需專業(yè)廠家提供,該種方式占地往往較大,設(shè)備體積大需要專用建筑物。目前,國(guó)際上交接計(jì)量大都采用專業(yè)供應(yīng)商采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的計(jì)量橇,關(guān)于橇裝化設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和特點(diǎn)如下。

3.1 橇裝化設(shè)計(jì)難點(diǎn)

(1)流量計(jì)和流量計(jì)算機(jī)是核心部件,在成橇緊湊的條件下,應(yīng)考慮如何合理選型、正確安裝和保障可維護(hù),若處理不好則會(huì)嚴(yán)重影響計(jì)量橇的性能。

(2)標(biāo)定系統(tǒng)是核心部件之一,用于定期標(biāo)定流量計(jì),通常由專有技術(shù)供應(yīng)商成橇供貨,如設(shè)計(jì)條件和要求不到位易影響后期使用且難以調(diào)整。因此,應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)條件和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行條件進(jìn)行合理選型、充分考慮標(biāo)定系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)及管理要求、設(shè)備安裝條件等,并在訂貨條件中予以明確。

(3)對(duì)于貿(mào)易交接計(jì)量設(shè)備,國(guó)內(nèi)和國(guó)際相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范存在差異,往往需要得到用戶所在地政府或用戶的審批和認(rèn)證,且需滿足當(dāng)?shù)氐臉?biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

(4)管道裝配情況影響測(cè)量性能,必須通過模擬和計(jì)算將渦流等復(fù)雜工況、儀表、設(shè)備與配管統(tǒng)一考慮,保證計(jì)量橇結(jié)構(gòu)緊湊、計(jì)量及標(biāo)定準(zhǔn)確可靠。

(5)選用的流量計(jì)算機(jī)需得到相關(guān)機(jī)構(gòu)認(rèn)證后方可用于貿(mào)易交接計(jì)量,國(guó)際認(rèn)可的貿(mào)易計(jì)量認(rèn)證機(jī)構(gòu)包括OIML、PTB、NEL或API等。

(6)國(guó)際貿(mào)易用交接計(jì)量單元需要選用國(guó)際上具有標(biāo)定資格的機(jī)構(gòu)進(jìn)行送檢,主要有荷蘭鹿特丹NMI、德國(guó)PIGSAR、美國(guó)CEESI IOWA、加拿大TCC[10]。

3.2 橇裝化設(shè)計(jì)特點(diǎn)

(1)保證計(jì)量精度,降低經(jīng)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn):整體供貨可以保證一體化的設(shè)計(jì)和嚴(yán)格的整體測(cè)試,所有儀表、設(shè)備、管道可以得到整體評(píng)估,避免單臺(tái)設(shè)備組裝不當(dāng)導(dǎo)致的滲漏、不嚴(yán)密、儀表調(diào)試不準(zhǔn)確、計(jì)量精度不達(dá)標(biāo)等問題,規(guī)避貿(mào)易糾紛和責(zé)任界面不清帶來的經(jīng)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)。

(2)有利于保障工期和質(zhì)量:國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)制造商和成橇集成商已普遍形成標(biāo)準(zhǔn)化橇塊設(shè)計(jì),均可為供應(yīng)商提供整體解決方案,避免工程公司設(shè)計(jì)帶來的關(guān)鍵設(shè)備廠家、成橇集成商和工程公司界面管理不清等問題;貿(mào)易交接計(jì)量系統(tǒng)涉及諸多專利技術(shù)和專有設(shè)備,專業(yè)化程度要求高,由專業(yè)生產(chǎn)制造商或成橇集成商整體供貨,有利于保障工程建設(shè)工期和質(zhì)量。

(3)服務(wù)專業(yè),便于維護(hù):專業(yè)化供應(yīng)商整體橇裝化供貨可以提供設(shè)計(jì)制造、專業(yè)認(rèn)證、安裝調(diào)試、保養(yǎng)維護(hù)等全過程的專業(yè)化服務(wù)和整體技術(shù)解決方案,通常在設(shè)備所在地區(qū)設(shè)有專業(yè)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)設(shè)備維護(hù)和咨詢服務(wù),有利于貿(mào)易計(jì)量橇整體和各部件的專業(yè)化維護(hù)。

(4)對(duì)設(shè)計(jì)和采購(gòu)要求高:國(guó)內(nèi)外貿(mào)易交接計(jì)量橇供應(yīng)商設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、理念存在差異,國(guó)際供應(yīng)商通常需要與工程所在國(guó)家的企業(yè)合作或以代理的形式供貨,以保障設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)滿足當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)規(guī)范和法律法規(guī)要求。國(guó)內(nèi)供應(yīng)商通常采購(gòu)國(guó)際品牌關(guān)鍵設(shè)備并進(jìn)行橇裝化組裝,往往需要設(shè)計(jì)單位的介入且專業(yè)化程度也有待提高。

(5)貿(mào)易交接計(jì)量橇價(jià)格高昂:在選用相同設(shè)備材料的情況下,成橇供貨費(fèi)用比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)組裝的方式高出30%左右,且需要供貨商專業(yè)的保養(yǎng)維護(hù),后期維護(hù)成本高。

4 結(jié)語

(1)貿(mào)易交接計(jì)量橇作為國(guó)際上交接計(jì)量系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)和供貨形式,具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、服務(wù)專業(yè)等特點(diǎn),橇裝化設(shè)備費(fèi)用高,對(duì)設(shè)計(jì)和采購(gòu)要求高,但由專業(yè)化供應(yīng)商整體橇裝化設(shè)計(jì)和供貨有利于降低經(jīng)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)、提升整體性能、提高維護(hù)保障能力。

(2)流量計(jì)、計(jì)算機(jī)和體積管作為L(zhǎng)ACT的核心設(shè)備,其選型和配置是保證計(jì)量系統(tǒng)性能的主要因素,必須進(jìn)行專業(yè)化設(shè)計(jì)和選型。

(3)LACT及內(nèi)部設(shè)備的選型、認(rèn)證、配管、安裝等方面存在的技術(shù)難題是原油貿(mào)易交接計(jì)量及標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)和評(píng)估過程中的重要考慮因素,需要結(jié)合經(jīng)營(yíng)需求,合理優(yōu)化、嚴(yán)格把關(guān)。