贸易交接计量系统(lease automatic custody transfer system,LACT)用于企业间贸易交接计量,普遍用于长输管道首末站、分输站、油库和油田外输站场等场所。贸易交接计量系统通常把涉及计量的各部分进行集成,预先安装在同一个或多个钢制基座上,以橇装形式进行设计和整体供货。贸易交接计量橇在出厂前需做试压及各项功能测试,并取得计量检定证书,到达现场后只需和上下游管道连接并把信号连接到控制室的仪表柜后便可以投入运行,计量橇已成为交接计量系统的主要供货形式。
目前,全球新建项目中原油贸易交接系统采用橇装形式的约占80%。我国近几年在石油天然气工业的许多大型项目上也都采用了计量橇装系统,例如:兰成渝成品油管道、珠江三角洲成品油管道及我国在国外投资的哈萨克斯坦原油项目、肯尼亚成品油项目、委内瑞拉MPE3原油处理站项目等[1-2]。
LACT主要由计量单元和标定单元组成。根据介质特性、计量要求和运行需求(见图 1)。
具体选用以下元件[3]:
(1) 计量单元:应选用计量精度和重复性高的高准确度流量计,包括质量流量计、容积式流量计、超声流量计等,准确度等级应不低于0.2级,最大允许误差不大于±0.2%。
(2) 标定设备:体积管、四通阀、标定回路及接口等。重复性为衡量体积管的重要技术指标,通常体积管最大允许误差为±0.05%,重复性为0.02%。
(3) 计量仪表:温度表、压力表及温度变送器、压力变送器。通常,流量计出口侧安装分度值不大于0.1 ℃的温度计,不低于0.4级的压力表,温度变送器最大允许误差为±0.2%,压力变送器最大允许误差为±0.2%。
(4) 分析仪表:自动取样器(包括取样循环泵)、水分析仪、密度计、H2S分析仪等。
(5) 管路和阀门:控制阀宜选用电动闸阀、流量控制蝶阀等,截断阀选用排污阀、DBB阀等,保护用阀包括泄放阀、截止阀等。
(5) 仪表电路系统:电源分配箱、信号接线箱、挠性连接管、防爆穿线管、穿线盒等。
(6) 控制机柜:流量计算机、PLC控制器、标定计算机(含数据采集、数据处理、标定评价兼操作终端等功能)、UPS。
(7) 其他设备:消气器、稳流器、过滤器等。
计量单元出口汇管通常设有水分析仪和自动取样装置,以检测油品含水率、硫含量或其他物性指标,每条计量管路出口设置DBB双截断阀门。
计量及标定系统撬装内的工艺流程分为计量工艺流程和标定工艺流程(见图 2)。
油品交接计量通过计量单元完成,计量单元中的计量工艺流程通常采用N+1形式(即N路运行、1路备用),保证检修或故障时不间断运行。每路计量管路上都设置流量计、温度变送器、压力变送器及部分就地仪表等,可进行数据采集、显示和流量的温压补偿。取样口及分析仪表宜设在计量橇出口汇管各仪表原件之后,以减少油品扰动对测量结果的影响。
在计量工艺流程下游的旁路上设置标定工艺流程,流量计标定通过标定单元完成。正常计量时断开标定工艺流程,标定时则断开正常计量通道,开启标定工艺流程,确保标定工艺流程与计量工艺流程呈串连连接。标定工艺流程包括100%、75%、50%、25%流量计输出的标定。对于流量计每个输出值的标定,球形置换器在原油的推动下从收发球筒沿体积管运动,通过标准体积段,先后触发两个检测开关并计数;当球被推到体积管另一侧的收发球筒后,四通阀换向进行反向标定,一个来回通球行程为一个标定循环,以上连续循环通常重复2~5次,采用平均值数据法或平均流量计系数法确定标定结果[3]。标定流程可与计量流程同步进行,实现不停产在线标定。
高准确度流量计为计量系统核心设备,主要类型有质量流量计、容积式流量计(即PD流量计)和超声流量计。其中,容积式流量计包括腰轮流量计、双转子流量计、椭圆齿轮流量计、刮板流量计与涡轮流量计等,质量流量计常采用科里奥利流量计。通常,根据原油黏度、流量范围和化学成分等特性选择适宜的流量计类型。其中,API MPMS《原油检测标准手册》给出了容积式流量计和涡轮流量计的选用原则,高黏流体宜选用容积式流量计,成品油计量或雷诺数大于10 000的油品宜选用涡轮式流量计。超声流量计在国外原油贸易交接计量中的应用较为成熟,近年来在国内海上原油外输计量系统中也得到了应用,实测最大误差小于0.18%。目前,国内相关标准规范体系还不健全,但因压降小、量程比高、对油品无扰动、便于维护等优势,具有良好的应用前景[5]。质量流量计直接测量原油质量,不受温度和压力的影响,具有准确度高、稳定性好、量程比大等特点,但其压损大、价格昂贵、零点不稳定、对外部振动等干扰敏感性高。
国际贸易交接计量以体积计量为主,我国原油交接计量沿用苏联和东欧的质量计量方式。科里奥利质量流量计具有更好的计量性能,通过密度仪、温度传感器和流量计算机等设备也可以实现向体积流量的转化[6]。通常流量计生产商依托核心设备的专有技术实现了LACT成橇设计和整体供货。
原油贸易交接计量技术指标根据用户需要而确定,国际上原油动态计量执行API和ISO标准,跨加拿大与美国的Keystone原油管道和里海欧亚地区的Baku-Tbilisi-Ceyhan原油管道计量系统最大允许误差为±0.25%、流量计最大允许误差为±0.15%,伊拉克纳西里耶油库原油贸易交接计量用流量计最大允许误差为±0.15%,委内瑞拉PDVSA国家石油公司贸易交接计量流量计最大允许误差为±0.1%,贸易交接计量用流量计最大允许误差通常为±0.2% [7-8]。GB/T 9109.1-2016《石油和液体石油产品动态计量第1部分:一般原则》规定了用于我国贸易交接计量的流量计最大允许误差为±0.2%、计量系统净油标准体积扩展不确定度不大于0.25%、净油表观质量扩展不确定度不大于0.35%,以及流量计计量系统和体积管的设计、安装技术要求等。
计算机控制单元由流量计算机、标定计算机和服务器终端组成。
流量计算机主要接收流量、温度和压力信号,进行流量瞬时和累计运算、控制管路,控制阀门开度,调节标定和计量流量等。计量单元至少设置1台流量计算机,通常为提高可靠性,每路计量管路设置1台流量计算机,对采集的工艺参数进行运算和控制,在线输出计量数据。
标定计算机接收四通阀信号并控制其运动方向,接收体积管温度、压力、含水率和密度等信号,控制流量的比例,进行取样和标定,计算校准的标定体积、仪表系数M和流量系数K。标定单元设置标定计算机1台,基于计量单元流量计算机的运算结果,调节四通阀开度导通体积管开始标定流程,调整流程可进行单台流量计的标定。
流量计的标定主要包括体积管法、容积法、称量法和标准表法,其中体积管法最为常用,且双向球形体积管常作为LACT橇的一部分进行整体设计和供货(见图 3)。对于体积管的检定需使用二等标准量器[9],其不确定度为2.5×10-4。
国内外工程关于LACT成橇形式存在差异,国内油田和原油长输管道通常采用自行设计计量单元的形式,但标定单元需专业厂家提供,该种方式占地往往较大,设备体积大需要专用建筑物。目前,国际上交接计量大都采用专业供应商采用国际标准设计的计量橇,关于橇装化设计的难点和特点如下。
(1) 流量计和流量计算机是核心部件,在成橇紧凑的条件下,应考虑如何合理选型、正确安装和保障可维护,若处理不好则会严重影响计量橇的性能。
(2) 标定系统是核心部件之一,用于定期标定流量计,通常由专有技术供应商成橇供货,如设计条件和要求不到位易影响后期使用且难以调整。因此,应根据设计条件和现场运行条件进行合理选型、充分考虑标定系统的运行维护及管理要求、设备安装条件等,并在订货条件中予以明确。
(3) 对于贸易交接计量设备,国内和国际相关设计标准规范存在差异,往往需要得到用户所在地政府或用户的审批和认证,且需满足当地的标准规范。
(4) 管道装配情况影响测量性能,必须通过模拟和计算将涡流等复杂工况、仪表、设备与配管统一考虑,保证计量橇结构紧凑、计量及标定准确可靠。
(5) 选用的流量计算机需得到相关机构认证后方可用于贸易交接计量,国际认可的贸易计量认证机构包括OIML、PTB、NEL或API等。
(6) 国际贸易用交接计量单元需要选用国际上具有标定资格的机构进行送检,主要有荷兰鹿特丹NMI、德国PIGSAR、美国CEESI IOWA、加拿大TCC[10]。
(1) 保证计量精度,降低经营风险:整体供货可以保证一体化的设计和严格的整体测试,所有仪表、设备、管道可以得到整体评估,避免单台设备组装不当导致的渗漏、不严密、仪表调试不准确、计量精度不达标等问题,规避贸易纠纷和责任界面不清带来的经营风险。
(2) 有利于保障工期和质量:国内外生产制造商和成橇集成商已普遍形成标准化橇块设计,均可为供应商提供整体解决方案,避免工程公司设计带来的关键设备厂家、成橇集成商和工程公司界面管理不清等问题;贸易交接计量系统涉及诸多专利技术和专有设备,专业化程度要求高,由专业生产制造商或成橇集成商整体供货,有利于保障工程建设工期和质量。
(3) 服务专业,便于维护:专业化供应商整体橇装化供货可以提供设计制造、专业认证、安装调试、保养维护等全过程的专业化服务和整体技术解决方案,通常在设备所在地区设有专业机构负责设备维护和咨询服务,有利于贸易计量橇整体和各部件的专业化维护。
(4) 对设计和采购要求高:国内外贸易交接计量橇供应商设计标准、理念存在差异,国际供应商通常需要与工程所在国家的企业合作或以代理的形式供货,以保障设计标准满足当地标准规范和法律法规要求。国内供应商通常采购国际品牌关键设备并进行橇装化组装,往往需要设计单位的介入且专业化程度也有待提高。
(5) 贸易交接计量橇价格高昂:在选用相同设备材料的情况下,成橇供货费用比传统设计组装的方式高出30%左右,且需要供货商专业的保养维护,后期维护成本高。
(1) 贸易交接计量橇作为国际上交接计量系统的主要设计和供货形式,具有结构紧凑、安装方便、服务专业等特点,橇装化设备费用高,对设计和采购要求高,但由专业化供应商整体橇装化设计和供货有利于降低经营风险、提升整体性能、提高维护保障能力。
(2) 流量计、计算机和体积管作为LACT的核心设备,其选型和配置是保证计量系统性能的主要因素,必须进行专业化设计和选型。
(3) LACT及内部设备的选型、认证、配管、安装等方面存在的技术难题是原油贸易交接计量及标定系统设计和评估过程中的重要考虑因素,需要结合经营需求,合理优化、严格把关。