超聲波流量計(jì)與質(zhì)量流量計(jì)原油計(jì)量能耗比較

0 引言

石油產(chǎn)品無論對國家安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展還是百姓的日常生活都是至關(guān)重要的。對于煉化企業(yè)原油進(jìn)廠流量的計(jì)量是加強(qiáng)物料管理、能源管理、財務(wù)結(jié)算、效益分析評價與決策的重要依據(jù)。因此，原（料）油貿(mào)易交接計(jì)量儀表準(zhǔn)確性、可靠性對原油買賣雙方具有極其重要的意義。

根據(jù)不同的測量原理，開發(fā)設(shè)計(jì)了容積式、速度式、差壓式、質(zhì)量式、超聲波等多種類型的流量計(jì)。根據(jù)實(shí)際工況條件包括：測量介質(zhì)、壓力、溫度、流速、粘度等，流量計(jì)有多種選擇。對于原油這種重要產(chǎn)品，因多種因素限制，目前管道傳輸、水路運(yùn)輸外購原油交接計(jì)量大多采用傳統(tǒng)的容積式流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量。通過對油品體積、密度、含水、溫度、壓力等參數(shù)的測量，間接測量出剔除含水后的純油交接質(zhì)量。在工藝條件許可的情況下，也可選用滿足計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量流量計(jì)。按照相關(guān)的計(jì)量規(guī)范，原油計(jì)量貿(mào)易交接的流量計(jì)準(zhǔn)確度等級應(yīng)不低于0.2級。由于全球原油需求的持續(xù)增長，對油品貿(mào)易計(jì)量的精度要求越來越高，原油流量的測量儀表也隨著測量技術(shù)的發(fā)展不斷進(jìn)步。目前超聲波流量計(jì)在原油、成品油和液態(tài)天然氣（LNG）的計(jì)量方面已經(jīng)逐步從裝置內(nèi)擴(kuò)展到對外貿(mào)易結(jié)算領(lǐng)域，從技術(shù)指標(biāo)、計(jì)量精度等方面已可以滿足貿(mào)易計(jì)量的需求。

1 原油進(jìn)廠采用質(zhì)量流量計(jì)量的問題分析

1.1 某煉廠原油進(jìn)廠計(jì)量質(zhì)量流量計(jì)選型

1.1.1 工藝條件

某煉油廠原油管輸進(jìn)廠，采用質(zhì)量流量計(jì)交接計(jì)量，其具體的工藝條件如下：

1）工藝管線外徑/內(nèi)徑（PipeO.D/I.D）：377/350mm

2）操作壓力（Oper.Press）：0.3MPa～0.5MPa

3）操作溫度（Oper.Temp）：35℃～45℃

4）流量（FlowRate）：正常200000Kg/h～300000Kg/h，最大500000Kg/h

5）標(biāo)準(zhǔn)密度（Oper.Density）：880Kg/m³

1.1.2 質(zhì)量流量計(jì)的選型計(jì)算書

質(zhì)量流量計(jì)以科氏力氏質(zhì)量流量計(jì)（CMF）的應(yīng)用較為廣泛，是通過測量科里奧利力進(jìn)行流量測量。按照上述工藝條件，選用質(zhì)量可靠的計(jì)量級質(zhì)量流量計(jì)，按照計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)選用精度為0.2級。流量計(jì)的口徑選用DN200，得到質(zhì)量流量計(jì)的計(jì)算書如下：

通過計(jì)算，確認(rèn)質(zhì)量流量計(jì)可以滿足貿(mào)易交接精度的要求。但從計(jì)算書可以看出：在測量精度能夠符合貿(mào)易交接標(biāo)準(zhǔn)的情況下，最大流量時質(zhì)量流量計(jì)產(chǎn)生的壓差是1.26bar，這個壓差就是永久壓損。

1.2 質(zhì)量流量計(jì)實(shí)現(xiàn)原有計(jì)量存在的問題

1）由于原料油的粘稠度較高，質(zhì)量流量計(jì)易出現(xiàn)掛壁現(xiàn)象，流量計(jì)出現(xiàn)漂移，影響計(jì)量的準(zhǔn)確性。

2）受質(zhì)量流量計(jì)產(chǎn)品管徑限制，所選CMF質(zhì)量流量計(jì)為口徑為DN200。但原油管線管徑為DN377，所以只能采用縮徑的方式進(jìn)行測量。縮徑所帶來的問題就是產(chǎn)生壓損，增加了能量消耗。而且，縮頸使管線流通輸送能力受到限制。

1.3 質(zhì)量流量計(jì)能量損耗計(jì)算

1.3.1 原油進(jìn)廠質(zhì)量流量計(jì)每日產(chǎn)生的能耗

    （1）

式中：W-能耗值，W（瓦）；Δω-永久壓損值，KPa；Qkph-液體或氣體（蒸氣）的質(zhì)量流量，Kg/h；η-泵和電動機(jī)的效率（常取η=0.8）；ρfl-在工況下，在上游取壓孔處，流動液體或氣體（蒸汽）的密度，Kg/m³。

根據(jù)公式（1）可以得到流量計(jì)產(chǎn)生的功耗：

W=（126×500000）/（3.6×0.8×880）=24857.9W

1.3.2 質(zhì)量流量計(jì)的能耗費(fèi)用

假設(shè)質(zhì)量流量計(jì)按照每年365天運(yùn)行，目前當(dāng)?shù)仉妰r為0.82元/千瓦小時，則可以得到每年的能耗費(fèi)用：

年耗能費(fèi)（元/年）=（W/1000）×（運(yùn)行時數(shù)/年）×（0.82元/千瓦小時）

=（24857.9/1000）（24×0.82×365）元

=178559.66元。

所以原油計(jì)量流量計(jì)運(yùn)行一年的能耗費(fèi)用為178559.66元。

2 超聲波流量計(jì)的測量原理與優(yōu)勢

2.1 超聲波流量計(jì)的原理簡介

超聲波流量計(jì)目前較多應(yīng)用的是以“時間差法”為原理的流量測量儀表。“時間差法”超聲波流量計(jì)的基本原理如圖1所示。傳感器1、2是一對可輪流發(fā)射或接收超聲脈沖的傳感器。

圖1 時差法工作原理圖

設(shè)超聲波在被測流體中的傳播速度為c，超聲波順流時從傳感器1到2的傳播時間為t1，逆流時從傳感器2到1的傳播時間為t2。聲波在流體中順流、逆流傳播相同距離時存在時間差?t=t2-t1。

    （2）

其中：d為流通管道內(nèi)徑；v是介質(zhì)流速。

而傳播時間的差異與被測流體的流動速度有關(guān)系，因此測出時間的差異就可以得出流體的流速，再乘以流通管道的橫截面積，就可以計(jì)算出流體的流量。

由此可見，只要測到順逆流時間差?t，就可以算出介質(zhì)流速v：

    （3）

則可以得到體積流量Q：

    （4）

2.2 超聲波流量計(jì)的特點(diǎn)

超聲波流量計(jì)的原理和結(jié)構(gòu)決定了其還有以下特點(diǎn)：

1）量程比高達(dá)400：1，可適應(yīng)較小和較大流速，可應(yīng)用范圍廣。

2）高性價比，尤其是對大管徑流量測量成本低。

3）其可動部件少、機(jī)械結(jié)構(gòu)相對簡單，可維護(hù)性好。

4）全通徑設(shè)計(jì)，不需縮頸，最大管徑可以到36"（DN900）。不會產(chǎn)生壓損和能量損失，在節(jié)能方面優(yōu)勢明顯。

超聲波流量計(jì)和其它原理的儀表如差壓式流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)相比，流通通道未設(shè)置任何阻礙件，屬無阻礙流量計(jì)，即測量過程中不會對被測介質(zhì)造成壓力損失。管道內(nèi)介質(zhì)的流動靠泵（能源）產(chǎn)生壓力推動，流量計(jì)造成的永久壓損即為能量的損失，超聲波流量計(jì)沒有壓損意味著測量過程沒有能量損失。

5）普通的超聲波流量計(jì)不能用于原油貿(mào)易交接計(jì)量。因常規(guī)的超聲波流量計(jì)用于測量粘稠介質(zhì)存在信號衰減、漂移以及精確度下降的問題。超聲波流量計(jì)用于原油貿(mào)易交接計(jì)量面臨的挑戰(zhàn)是在測量中保持高精準(zhǔn)的同時，需要克服粘稠介質(zhì)導(dǎo)致的信號衰減。

3 LCT4計(jì)量級超聲波流量計(jì)實(shí)現(xiàn)原油貿(mào)易計(jì)量

GE公司SentinelLCT高精度多通道超聲波流量計(jì)是專為高黏度測量而設(shè)計(jì)。SentinelLCT在保持常規(guī)超聲波流量計(jì)優(yōu)點(diǎn)同時，克服了高黏度物料影響可靠性的、精確度的缺陷．適用于原油及各類液態(tài)介質(zhì)的測量。具有高可靠性和重復(fù)性，符合OIMLIk117-1標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 GE計(jì)量級超聲波流量計(jì)技術(shù)特點(diǎn)

1）LCT4計(jì)量級超聲波流量計(jì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)采用了CFD（計(jì)算流體力學(xué)）技術(shù)。CFD在理論流場的基礎(chǔ)上綜合考慮了邊界流、坡口渦流對流場的影響，不同的流場對應(yīng)不同的模型，因而更貼合實(shí)際流場。先模擬計(jì)算并建立實(shí)際流場的理論模型庫（CFD與流場相對應(yīng)），再用實(shí)流標(biāo)定的方法驗(yàn)證模型庫的正確性。該專利設(shè)計(jì)徹底消除了對介質(zhì)、流量、溫度、黏度、密度、口徑的依賴，在設(shè)計(jì)上保證了在復(fù)雜工況能確保比較高的重復(fù)性。徹底解決了變黏度測量時的精確度問題，確保儀表精確度符合測量要求。

2）LCT4計(jì)量級超聲波流量計(jì)探頭采用全新技術(shù)。新型探頭設(shè)計(jì)采用導(dǎo)聲纖維集束成棒，高效傳導(dǎo)聲波信號，在幾英尺長的范圍內(nèi)也只有極小發(fā)散。該設(shè)計(jì)避免了超聲波流量計(jì)探頭通常采用的壓電晶體技術(shù)受流體溫度波動干擾的弊端，衰減很小，波形非常穩(wěn)定，信號強(qiáng)，克服并解決了高黏度介質(zhì)對信號的大幅衰減問題。用波導(dǎo)束技術(shù)，可測運(yùn)動黏度高達(dá)600～1000㎜²/s。

3）流量測量不受黏度影響，一次標(biāo)定即可測量各種黏度的流體，解決了物料切換在線流量標(biāo)定的問題。同時，新技術(shù)采用了可在線更換的探頭，當(dāng)檢修標(biāo)定時可量省去整表折裝的問題，只需取下探頭進(jìn)行標(biāo)定即可。

3.2 與質(zhì)量流量計(jì)能耗費(fèi)用比較

LCT計(jì)量級超聲波流量計(jì)與質(zhì)量流量計(jì)比較，節(jié)能效果明顯，而且管徑越大，性價比越高。以上述煉廠原油進(jìn)廠計(jì)量為例，若選用GE公司LCT4計(jì)量級超聲波流量計(jì)來替代CMF質(zhì)量流量計(jì)，可以節(jié)省的費(fèi)用比較如下：

質(zhì)量流量計(jì)是縮徑設(shè)計(jì)通過上述計(jì)算，一年能耗/年約17.8萬元，如果使用壽命若按10年計(jì)算，質(zhì)量流量計(jì)全生命周期的運(yùn)行能耗約為17.8×10=178萬元。

而LCT計(jì)量級超聲波流量計(jì)是全通徑設(shè)計(jì)，沒有能耗損失，也就是說10年使用壽命期間比質(zhì)量流量計(jì)節(jié)省能耗約178萬元。

4 結(jié)術(shù)語

目前用于原油計(jì)量的LCT計(jì)量級超聲波流量計(jì)技術(shù)已經(jīng)成熟，國外石油煉制行業(yè)已有成功應(yīng)用，與常用的容積式流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)比較，該產(chǎn)品用于原油貿(mào)易交接在技術(shù)、可用性尤其是節(jié)能方面有明顯的優(yōu)勢，所以在原油計(jì)量采用LCT計(jì)量級超聲波流量計(jì)是比較好的選擇。