超聲波流量計與質(zhì)量流量計原油計量能耗比較

0 引言

石油產(chǎn)品無(wú)論對國家安全、經(jīng)濟發(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(chǎng)流量的計量是加強物料管理、能源管理、財務(wù)結算、效益分析評價(jià)與決策的重要依據。因此，原（料）油貿易交接計量?jì)x表準確性、可靠性對原油買(mǎi)賣(mài)雙方具有極其重要的意義。

根據不同的測量原理，開(kāi)發(fā)設計了容積式、速度式、差壓式、質(zhì)量式、超聲波等多種類(lèi)型的流量計。根據實(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，目前管輸、水路運輸外購原油交接計量大多采用傳統的容積式流量計進(jìn)行計量。通過(guò)對油品體積、密度、含水、溫度、壓力等參數的測量，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(mǎn)足計量標準的質(zhì)量流量計。按照相關(guān)的計量規范，原油計量貿易交接的流量計準確度等級應不低于0.2級。由于全球原油需求的持續增長(cháng)，對油品貿易計量的精度要求越來(lái)越高，原油流量的測量?jì)x表也隨著(zhù)測量技術(shù)的發(fā)展不斷進(jìn)步。目前超聲波流量計在原油、成品油和液態(tài)天然氣（LNG）的計量方面已經(jīng)逐步從裝置內擴展到對外貿易結算領(lǐng)域，從技術(shù)指標、計量精度等方面已可以滿(mǎn)足貿易計量的需求。

1 原油進(jìn)廠(chǎng)采用質(zhì)量流量計量的問(wèn)題分析

1.1 某煉廠(chǎng)原油進(jìn)廠(chǎng)計量質(zhì)量流量計選型

1.1.1 工藝條件

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

1）工藝管線(xiàn)外徑/內徑（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）標準密度（Oper.Density）：880Kg/m³

1.1.2 質(zhì)量流量計的選型計算書(shū)

質(zhì)量流量計以科氏力氏質(zhì)量流量計（CMF）的應用較為廣泛，是通過(guò)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)量可靠的計量級質(zhì)量流量計，按照計量標準選用精度為0.2級。流量計的口徑選用DN200，得到質(zhì)量流量計的計算書(shū)如下：

通過(guò)計算，確認質(zhì)量流量計可以滿(mǎn)足貿易交接精度的要求。但從計算書(shū)可以看出：在測量精度能夠符合貿易交接標準的情況下，最大流量時(shí)質(zhì)量流量計產(chǎn)生的壓差是1.26bar，這個(gè)壓差就是永久壓損。

1.2 質(zhì)量流量計實(shí)現原有計量存在的問(wèn)題

1）由于原料油的粘稠度較高，質(zhì)量流量計易出現掛壁現象，流量計出現漂移，影響計量的準確性。

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

1.3 質(zhì)量流量計能量損耗計算

1.3.1 原油進(jìn)廠(chǎng)質(zhì)量流量計每日產(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(dòng)機的效率（常取η=0.8）；ρfl-在工況下，在上游取壓孔處，流動(dòng)液體或氣體（蒸汽）的密度，Kg/m³。

根據公式（1）可以得到流量計產(chǎn)生的功耗：

W=（126×500000）/（3.6×0.8×880）=24857.9W

圖1 時(shí)差法工作原理圖

1.3.2 質(zhì)量流量計的能耗費用

假設質(zhì)量流量計按照每年365天運行，目前當地電價(jià)為0.82元/千瓦小時(shí)，則可以得到每年的能耗費用：

年耗能費（元/年）=（W/1000）×（運行時(shí)數/年）×（0.82元/千瓦小時(shí)）

=（24857.9/1000）（24×0.82×365）元

=178559.66元。

所以原油計量流量計運行一年的能耗費用為178559.66元。

2 超聲波流量計的測量原理與優(yōu)勢

2.1 超聲波流量計的原理簡(jiǎn)介

超聲波流量計目前較多應用的是以“時(shí)間差法”為原理的流量測量?jì)x表�！皶r(shí)間差法”超聲波流量計的基本原理[2，5]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。

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

    （2）

其中：d為流通管道內徑；v是介質(zhì)流速。

而傳播時(shí)間的差異與被測流體的流動(dòng)速度有關(guān)系，因此測出時(shí)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，就可以計算出流體的流量。

由此可見(jiàn)，只要測到順逆流時(shí)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 超聲波流量計的特點(diǎn)

超聲波流量計的原理和結構決定了其還有以下特點(diǎn)：

1）量程比高達400：1，可適應較小和較大流速，可應用范圍廣。

2）高性?xún)r(jià)比，尤其是對大管徑流量測量成本低。

3）其可動(dòng)部件少、機械結構相對簡(jiǎn)單，可維護性好。

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

超聲波流量計和其它原理的儀表如差壓式流量計、質(zhì)量流量計相比，流通通道未設置任何阻礙件，屬無(wú)阻礙流量計，即測量過(guò)程中不會(huì )對被測介質(zhì)造成壓力損失。管道內介質(zhì)的流動(dòng)靠泵（能源）產(chǎn)生壓力推動(dòng)，流量計造成的永久壓損即為能量的損失，超聲波流量計沒(méi)有壓損意味著(zhù)測量過(guò)程沒(méi)有能量損失。

5）普通的超聲波流量計不能用于原油貿易交接計量。因常規的超聲波流量計用于測量粘稠介質(zhì)存在信號衰減、漂移以及精確度下降的問(wèn)題。超聲波流量計用于原油貿易交接計量面臨的挑戰是在測量中保持高精準的同時(shí)，需要克服粘稠介質(zhì)導致的信號衰減。

3 LCT4計量級超聲波流量計實(shí)現原油貿易計量

GE公司SentinelLCT高精度多通道超聲波流量計是專(zhuān)為高黏度測量而設計。SentinelLCT在保持常規超聲波流量計優(yōu)點(diǎn)同時(shí)，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(lèi)液態(tài)介質(zhì)的測量。具有高可靠性和重復性，符合OIMLIk117-1標準。

3.1 GE計量級超聲波流量計技術(shù)特點(diǎn)

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

2）LCT4計量級超聲波流量計探頭采用全新技術(shù)。新型探頭設計采用導聲纖維集束成棒，高效傳導聲波信號，在幾英尺長(cháng)的范圍內也只有極小發(fā)散。該設計避免了超聲波流量計探頭通常采用的壓電晶體技術(shù)受流體溫度波動(dòng)干擾的弊端，衰減很小，波形非常穩定，信號強，克服并解決了高黏度介質(zhì)對信號的大幅衰減問(wèn)題。用波導束技術(shù)，可測運動(dòng)黏度高達600～1000㎜²/s。

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

3.2 與質(zhì)量流量計能耗費用比較

LCT計量級超聲波流量計與質(zhì)量流量計比較，節能效果明顯，而且管徑越大，性?xún)r(jià)比較越高。以上述煉廠(chǎng)原油進(jìn)廠(chǎng)計量為例，若選用GE公司LCT4計量級超聲波流量計來(lái)替代CMF質(zhì)量流量計，可以節省的能費用比較如下：

質(zhì)量流量計是縮徑設計通過(guò)上述計算，一年能耗/年約17.8萬(wàn)元，如果使用壽命若按10年計算，質(zhì)量流量計全生命周期的運行能耗約為17.8×10=178萬(wàn)元。

而LCT計量級超聲波流量計是全通徑設計，沒(méi)有能耗損失，也就是說(shuō)10年使用壽命期間比質(zhì)量流量計節省能耗約178萬(wàn)元。

4 結術(shù)語(yǔ)

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