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分析和探討海上油田輕質原油貿易交接計量系統的設計要點

來源: 作者: 發布日期:2020-04-21

       摘要:以南海某油田FPSO貿易計量交接系統設計為例,分析和探討了海上油田輕質原油貿易交接計量系統的設計要點,包括:計量系統總體設計、流量計選型、計量管路尺寸選擇以及取樣系統形式等方面內容,非常后總結了相關設計思路和推薦做法,為今后其他類似工程設計提供了參考和借鑒。

 
       輕質原油密度、黏度較低,中國稠油學術會議推薦將動力黏度小于20mPa·s(50℃),相對密度小于0.9g/cm3(15.6℃)的原油劃分為輕質原油[1]。鑒于輕質原油的物性特點,在計量系統的設計上需考慮與其物性相匹配的適應性。
 
       本文以南海某輕質油田FPSO貿易交接計量系統設計為例,針對流量計選型、計量管路尺寸選擇以及取樣系統形式等設計要點進行了分析和探討。該油田所產原油為輕質原油,原油密度、黏度等工藝參數詳見表1所列。
原油物性和工藝參數
       原油經FPSO工藝設施處理合格后儲存,并通過貿易交接計量后外輸至穿梭油輪銷售。根據輕質原油的劃分原則,該油田原油密度和黏度均很低,屬輕質原油,因此其貿易交接計量系統的設計完全可以體現出輕質原油計量設計的特點,可以作為分析對象和討論基礎。
 
1計量系統總體設計
       計量系統按非常大外輸流量4800m3/h設計,計量管路設計為4路(3用1備),每路流量為1600m3/h,配置入口隔離閥、過濾消氣器、流量計、控制閥、標定切換閥、單向閥及安全閥等;選用雙向球型體積管實現在線標定,標定流速控制在1.5m/s以內;配置自動取樣系統和注水實驗設備,用于測量原油含水率和檢定取樣系統。
 
2流量計選型分析
       目前,可達到貿易交接計量精度的流量計主要有:渦輪流量計、容積流量計、超聲波流量計和質量流量計,且都適用于輕質原油計量工況。具
體選型分析如下:
 
       1)超聲波流量計和質量流量計。為便于流量計標定,通常海上油田貿易交接計量系統都會配置在線標定系統。由于目前超聲波流量計和質量流量計在線標定的國家規范還處于探討和試行階段,推薦的標定方法較為復雜,現場管理和操作不便,因此兩種流量計對于輕質原油計量的優勢不明顯。
 
       a)超聲波流量計在線標定方式。根據GB/T36989—2018《用超聲流量計測量液態烴流量》規范內容,超聲波流量計與典型機械式流量計相比,使用常規體積管檢定可能會使重復性的離散性更大;诂F場數據,超聲波流量計可能需要更大容積的體積管才能使流量計系數不確定度達到同一指標。由于現場無法提供較大容積的體積管,因此可以采用符合APIMPMS4.5:2011Mastermeterprovers中要求的標準表法進行超聲波流量計的標定[2]?紤]到海上油田設施空間有限及標定穩定性等因素,超聲波流量計推薦采用標準表法標定。標定時,由標準體積管先標定標準表,之后再通過標準表進行等精度傳遞標定超聲波流量計,標定流程較為復雜。由于增加了標準表路(標準表選用其他型式流量計),導致了撬塊尺寸、質量以及投資費用的增加,因此暫不推薦選用。
 
       b)質量流量計在線標定方式。質量流量計在線標定若采用標準體積管加在線密度計方法,其中密度計的標定需要送至中國計量科學研究院進行標定,由于送檢耗時較長,不便于現場操作和管理。質量流量計在線標定也可采用標準表法,參考JJF1708—2018《標準表法科里奧利質量流量計在線校準規范》。標準表選用0.05%精度等級的質量流量計,由其來標定0.15%精度等級的工作表。標準表法雖可取代體積管等標定方法,進而減少撬塊尺寸和質量,但標準表的標定目前只能送至瑞士或荷蘭計量院(采用稱重法,精度0.015%),送檢操作也較為不便。
 
       考慮到以上因素,輕質原油計量暫不推薦選用超聲波流量計和質量流量計。
 
       2)渦輪流量計和容積流量計。渦輪流量計和容積流量計的選型分析主要考慮黏度適用性、流量計尺寸及投資費用等方面。
渦輪流量計和容積流量計選用指導示意
       a)黏度適用性。渦輪流量計和容積流量計均可用于輕質原油計量,但兩種流量計對黏度的非常佳適用范圍有不同的要求。具體的對比分析主要參考APIMPMS5.1:2011Manualofpetroleummeasurementstandardschapter5-metering中“渦輪流量計和容積流量計選用指導”的內容,渦輪流量計和容積流量計在不同黏度和流量下的可用工作區域如圖1所示[3]。從圖1得知:渦輪流量計非常適合低黏度的輕質原油計量,其非常佳工作區域對應的動力黏度范圍在3mPa·s以內。隨著流量的增大,渦輪流量計條件適用區域所對應的黏度值有所增大,但需考慮黏度增大導致的量程比降低的影響,如流量測量的下限值會上升,量程比變小,保證滿足測量精度和標定要求。容積流量計適用于黏度較高的輕質原油計量,非常佳適用的動力黏度范圍在1mPa·s以上,條件適用的非常小動力黏度約為0.1mPa·s,但容積流量計對低黏度原油的黏度變化敏感度較高。隨著流量的增大,容積流量計的非常佳工作區域對應的黏度值隨之大幅提升。
 
       b)流量計管路尺寸。根據外輸流量及流量計量程范圍,渦輪流量計選用量程范圍為280~2800m3/h(尺寸12in);容積流量計需選用量程范圍為200~2000m3/h(尺寸16in),由于渦輪流量計流通能力強,因此選型尺寸小,更具有優勢。
 
       c)投資費用。由于渦輪流量計尺寸小,且質量輕,可減小成撬的尺寸和質量,因此比容積流量計在投資費用上更具有優勢。
 
       d)案例。該項目中FPSO單路計量流量1600m3/h,動力黏度0.6~1.0mPa·s(35℃),由圖1可知,工作點落在了渦輪流量計非常佳工作區
域,因此推薦選用渦輪流量計。若輕質原油的動力黏度增大至20mPa·s,流量參考本案例1600m3/h,工作點將移至渦輪流量計和容積流量計條件適用區域,此時選型上需進行綜合考慮;如流量繼續減小,使工作點進入容積流量計非常佳工作區域,那么將推薦采用容積流量計。
 
       由于渦輪流量計的量程比對原油黏度較為敏感,當工作點位于條件適用區域時,在選型上應做適用性判斷,可根據式(1)和表2中所列非常小流量值進行修正,式(1)表示的比值不考慮其實際單位和意義。量程比應同時滿足外輸計量精度和流量計標定要求,JJG1037—2008《渦輪流量計》中,對于準確度等級優于0.5%的渦輪流量計,標定時需檢定的流量點應包括:qVmin,0.40qVmax和qVmax外,還應增加0.25qVmax,0.70qVmax2個流量點[4]。
 

公式1

 
       式中:液體運動黏度單位為mm2/s;流量計尺寸單位為mm(英寸)。
非常小流量qVmin
非常小流量qVmin
       例:假設輕質原油的密度0.9g/cm3,動力黏度16.2mPa·s,換算為運動黏度18mm2/s,流量按1600m3/h計算,流量計選擇300mm(12in),量程范圍280~2800m3/h,工作點為非常大量程的57%。根據式(1)計算口徑比值為1.5,對應表2的值為0.20qVmax,那么非常小流量修正為560m3/h,量程比縮減為5∶1。根據計算結果,外輸流量值仍處在量程比范圍內,且滿足流量計標定要求,可以選用。
 
       從以上分析可得出,渦輪流量計使用在黏度值不超過流量計尺寸的工況下,可判斷其滿足使用要求,但不一定處于非常佳工作區域;如黏度值超過流量計尺寸,即口徑比值大于1,需做適用性判斷。對于FPSO外輸計量系統,由于外輸流量較為穩定,在適用性判斷上主要考慮流量計標定要求;對于海上平臺外輸計量系統,由于原油外輸輸量逐年變化,在適用性判斷上需要重點關注量程比問題。
 
       綜上所述,對于輕質原油的計量,渦輪流量計更具優勢,如油品黏度對其選型沒有影響,推薦選用渦輪流量計。
 
3計量管路尺寸選擇
       輕質原油中輕組分含量較多,原油穩定性較差,易燃爆,設計上需考慮靜電因素。根據GB13348—2009《液體石油產品靜電安全規程》要求,油輪和船舶裝油初速度不應大于1m/s,當入口管浸沒后,可提高流速,但不應大于7m/s[5]。
 
 
       該例中FPSO非常大外輸流量為4800m3/h,計量流路設計為4路,每路流量為1600m3/h,如選擇口徑為400mm(16in)管線,原油流速約為3.5m/s,可以滿足規范中小于7m/s的要求。但采用400mm管線將使計量管路上的入口隔離閥、過濾消氣器、控制閥、標定切換閥、單向閥等設備的尺寸一起增大,導致整個計量撬的尺寸和質量增加,非常終使投資費用增加。
 
 
       在計量管路尺寸的選擇上可在滿足規范的前提下,適當考慮通過提高原油外輸流速,來減小管線及相關配套設備尺寸,進而降低計量系統的投資費用。由于FPSO原油外輸為短時間歇方式,因此提高流速對管線的沖蝕影響可不作為主要因素考慮。該例中如選擇300mm管線,原油流速約為6.3m/s,可以滿足規范要求,同時300mm管線與流量計尺寸相同,減少了縮擴徑管接件,且相關配套設備的選型尺寸也得到了優化,非常終可降低整個撬塊的費用。
 
       對于連續外輸計量工況,計量管路尺寸的選擇應綜合考慮靜電、管線沖蝕、噪音及投資費用等方面問題,選擇較為合理的方案。
 
4自動取樣系統選型
       取樣系統選型的核心問題是保證取樣的代表性。根據APIMPMS8.2:2015Standardpractice
forautomaticsamplingofliquidpetroleumandpetroleumproducts,水平管道頂部含水體積率c1與水平管道底部含水體積率c2的比值(c1/c2)在0.9~1.0為較好的油水混合狀態,比值小于0.7為不可信任的油水混合狀態,取樣的代表性不能證實有效[6]。與中、重質原油相比,輕質原油由于油品的密度和黏度都較低,與水混合后更容易出現分層,因此增加了取樣系統選型的復雜性。
 
       通常油水混合方式有靜態和動態混合兩種。靜態混合方式通過彎頭、縮擴徑大小頭、閥門等管接件以及固定在管道內的混合元件實現對油、水流態的改變,從而達到混合的效果;動態混合方式利用外部動力設備產生的能量,打散管道內的油水,達到混合的目的。
 
       油水達到充分混合所需的非常低分散能量Er可由以下公式求得[6],混合元件若能提供高于Er的能量,則可保證油水充分混合。對于輕質原油,由于油、水容易分層,因此所需的Er會相應增加;不同密度和黏度的輕質原油的Er值差別也較大,這些都會導致混合元件選型的不同,因此需要進行適用性分析。
輕質原油的Er值計算公式分散系數
       該案例中,輕質原油密度為750kg/m3,動力黏度為1mPa·s(運動黏度1.33mm2/s),外輸流量4800m3/h,外輸總管徑為750mm(30in),流體流速3m/s,取樣點在外輸水平直管段處。c1/c2。埃,對應G值為10,水的密度為1025kg/m3:
 

分散系數原理公式分散系數計算公式2

 
       若輕質原油密度按900kg/m3,動力黏度按20mPa·s(運動黏度22.22mm2/s),其他參數不變,計算得出Er′=1.43W/kg。從計算中可得出,原油的密度和黏度對分散能量計算值的影響較大,相應地也會導致混合元件選型的不同。下面是3種典型的可選方式,通過計算選擇合適的形式。
 
4.1噴嘴加混合泵
       噴嘴加混合泵形式為動態混合方式,設備安裝在管道外部,通過將管道內的流體吸入泵中增壓后由噴嘴重新注入管道,以該能量來打散油水,實現混合。根據式(5)計算[7]:
噴嘴流量計算公式
       E噴>Er可以滿足混合要求,實際應用中,還需考慮噴嘴布置位置及噴射方向,以達到較好的混合效果。
 
4.2孔板元件
       孔板元件固定在管道內,通過節流來改變油水分布,達到混合目的,屬于靜態混合方式。根據式(6)~(8)計算:
阻力系數計算公式
       式中:K———阻力系數;u孔———流體在孔板節流處流速,m/s;ΔX———分散距離,m;Δp———壓降,Pa;γ———非常小與非常大管徑比值。
 
       當γ。埃叮,ΔX。保埃,則:
管徑增大后的阻力系數計算20200421102816.jpg
       E孔>Er可以滿足混合要求,但Δp過大,使得整個計量系統的壓損不能控制在200kPa之內,因此采用孔板元件并不合適。
 
       對于密度900kg/m3,動力黏度20mPa·s的輕質原油,當γ。埃福禃r:
20200421102847.jpg
E孔′>E′r可以滿足混合要求,且Δp也很合適,相比于動態混合方式,采用孔板元件的靜態混合方式方案簡單,投資費用低,在此工況下應被推薦采用。
 
4.3管件彎頭
       在管線上利用4個管件彎頭組合的管路設計,來改變物流流態而達到混合的目的。根據式(9)~(10)計算如下:
20200421102916.jpg
       式中:β———元件的分散能量特性參數;E0———水平直管段的分散能量。
20200421102919.jpg
       彎頭的半徑與管徑比值。,數量為4個,因此β值在規范中查表可知為2.2,因此,E彎=0.35W/kg。E彎<E′r<Er不滿足該案例中輕質原油的混合要求,但E彎和Er′數值已較為接近,若其他參數不變,當原油的密度和黏度值繼續升高,油品性質變為中、重質原油時,采用管件的混合方式可作為考慮選項。
 
4.4結論
       通過以上計算可看出,油水混合的核心問題在于分散能量。分散能量的獲取可通過兩種途徑:
       1)由管路系統本身提供。將節流元件產生的壓損轉化為打散油水的能量,該方式相當于在系統內部挖掘能量,挖掘的能量越多,產生的壓損越大,因該靜態混合方式較適用于密度和黏度較高的輕質原油工況。
       2)由外部設備提供。利用外部設備產生的能量來打散油水,該方式相當于向管路系統注入能量,管路系統本身的能量不受損失,因此壓損很小,可忽略不計。同時,該方式可以提供較高的分散能量,因此動態混合方式較適用于黏度和密度較低的輕質原油工況。
 
5結束語
       本文主要從三個方面對輕質原油貿易交接計量系統的設計進行了分析和探討,從中可總結出一些設計思路和推薦做法:
       1)流量計選型。對于外輸流量大且油品黏度值小于流量計尺寸的輕質原油,選型上推薦渦輪流量計,動力黏度值若在3mPa·s以下,渦輪流量計基本可處于非常佳工作區域。當油品黏度值大于流量計尺寸時,選型上需對渦輪流量計進行適用性分析。對于外輸流量小,且油品黏度較高的輕質原油,可考慮選用容積式流量計。
       2)計量管路尺寸選擇。在滿足國家規范要求的前提下,可適當提高管路設計流速,減小管路設計尺寸,從而降低整個計量撬的投資費用。
       3)自動取樣系統選型。對于密度和黏度較小的輕質原油,由于油水較易分層,推薦選用動態混合方式;隨著密度和黏度的升高,可考慮選用靜態混合方式,但需關注壓損影響。

 

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