超声波流量计与质量流量计原油计量能耗比较

杨海河

（中国石化股份有限公司 济南分公司，济南 250101）

0 引言

石油产品无论对国家安全、经济发展还是百姓的日常生活都是至关重要的。对于炼化企业原油进厂流量的计量是加强物料管理、能源管理、财务结算、效益分析评价与决策的重要依据[1]。因此，原（料）油贸易交接计量仪表准确性、可靠性对原油买卖双方具有极其重要的意义。

根据不同的测量原理，开发设计了容积式、速度式、差压式、质量式、超声波等多种类型的流量计[2]。根据实际工况条件包括：测量介质、压力、温度、流速、粘度等，流量计有多种选择。对于原油这种重要产品，因多种因素限制，目前管输、水路运输外购原油交接计量大多采用传统的容积式流量计进行计量。通过对油品体积、密度、含水、温度、压力等参数的测量，间接测量出剔除含水后的纯油交接质量。在工艺条件许可的情况下，也可选用满足计量标准的质量流量计。按照相关的计量规范，原油计量贸易交接的流量计准确度等级应不低于0.2级。由于全球原油需求的持续增长，对油品贸易计量的精度要求越来越高，原油流量的测量仪表也随着测量技术的发展不断进步。目前超声波流量计在原油、成品油和液态天然气（LNG）的计量方面已经逐步从装置内扩展到对外贸易结算领域[3]，从技术指标、计量精度等方面已可以满足贸易计量的需求。

1 原油进厂采用质量流量计量的问题分析

1.1 某炼厂原油进厂计量质量流量计选型

1.1.1 工艺条件

某炼油厂原油管输进厂，采用质量流量计交接计量,其具体的工艺条件如下：

1）工艺管线外径/内径(Pipe O.D/I.D):377/350mm

2）操作压力(Oper.Press):0.3MPa～0.5MPa

3）操作温度(Oper.Temp):35℃～45℃

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

5）标准密度(Oper.Density):880Kg/m3

1.1.2 质量流量计的选型计算书质量流量计以科氏力氏质量流量计（CMF）的应用较为广泛,是通过测量科里奥利力进行流量测量[2,4]。按照上述工艺条件，选用质量可靠的计量级质量流量计，按照计量标准选用精度为0.2级。流量计的口径选用DN200，得到质量流量计的计算书如下：

Application Data

Fluid/Gas Name: crude oil Viscosity: 2.0000 cP Max. Rate: 500,000.0000kg/h Density: 880.00 kg/m³Max. Pressure: 3.00bar Max. Temp.: 45.00 Celsius

Your Given Rate

Flow Rate Mass Flow Accuracy Δp Velocity Reynolds kg/h % Rate bar m/s Number 500,000.0000 0.10 1.26 15.39 547150

More Rates

Flow Rate Mass Flow Accurac y Δp Velocity Reynolds kg/h %Rate bar m/s Number 9,600.0000 0.20 0.00 0.30 10505 61,866.6667 0.12 0.02 1.90 67701 114,133. 3333 0.12 0.08 3.51 124896 166,400.0000 0.11 0.16 5.12 182091 218,666.6667 0.11 0.26 6.73 239287 270,933.3333 0.10 0.40 8.34 296482 323,200.0000 0.10 0.55 9.95 353678 375,466.6667 0.10 0.73 11.56 410873 427,733.3333 0.10 0.94 13.17 468068 480,000.0000 0.10 1.17 14.77 525264

通过计算，确认质量流量计可以满足贸易交接精度的要求。但从计算书可以看出：在测量精度能够符合贸易交接标准的情况下，最大流量时质量流量计产生的压差是1.26bar，这个压差就是永久压损。

1.2 质量流量计实现原有计量存在的问题

1）由于原料油的粘稠度较高，质量流量计易出现挂壁现象，流量计出现漂移，影响计量的准确性。

2）受质量流量计产品管径限制，所选CMF质量流量计为口径为DN200。但原油管线管径为DN377，所以只能采用缩径的方式进行测量。缩径所带来的问题就是产生压损，增加了能量消耗。而且，缩颈使管线流通输送能力受到限制。

1.3 质量流量计能量损耗计算

1.3.1 原油进厂质量流量计每日产生的能耗

式中：W-能耗值，W（瓦）；Δω-永久压损值，KPa；Qkph-液体或气体（蒸气）的质量流量，Kg/h；η-泵和电动机的效率（常取η=0.8）；ρfl-在工况下，在上游取压孔处，流动液体或气体（蒸汽）的密度，Kg/m3。

根据公式（1）可以得到流量计产生的功耗：

图1 时差法工作原理图Fig.1 Schematic diagram of work with time difference method

1.3.2 质量流量计的能耗费用

假设质量流量计按照每年365天运行，目前当地电价为0.82元/千瓦小时，则可以得到每年的能耗费用：

年耗能费（元/年）=(W/1000)×(运行时数/年)×（0.82元/千瓦小时）

=(24857.9/1000)(24×0.82×365)元=178559.66元。

所以原油计量流量计运行一年的能耗费用为178559.66元。

2 超声波流量计的测量原理与优势

2.1 超声波流量计的原理简介

超声波流量计目前较多应用的是以“时间差法”为原理的流量测量仪表 。“时间差法”超声波流量计的基本原理[2,5]如图1所示。传感器1、2是一对可轮流发射或接收超声脉冲的传感器。

设超声波在被测流体中的传播速度为c，超声波顺流时从传感器1到2的传播时间为t1，逆流时从传感器2到1的传播时间为t2。声波在流体中顺流、逆流传播相同距离时存在时间差Δt=t2-t1。

其中：d为流通管道内径；v是介质流速。

而传播时间的差异与被测流体的流动速度有关系，因此测出时间的差异就可以得出流体的流速，再乘以流通管道的横截面积，就可以计算出流体的流量。

由此可见，只要测到顺逆流时间差Δt，就可以算出介质流速v：

则可以得到体积流量Q：

2.2 超声波流量计的特点

超声波流量计的原理和结构决定了其还有以下特点：

1）量程比高达400:1,可适应较小和较大流速，可应用范围广。

2）高性价比，尤其是对大管径流量测量成本低。

3）其可动部件少、机械结构相对简单，可维护性好。

4）全通径设计，不需缩颈，最大管径可以到36"(DN900)。不会产生压损和能量损失，在节能方面优势明显。

超声波流量计和其它原理的仪表如差压式流量计、质量流量计相比，流通通道未设置任何阻碍件，属无阻碍流量计，即测量过程中不会对被测介质造成压力损失[4,6]。管道内介质的流动靠泵（能源）产生压力推动，流量计造成的永久压损即为能量的损失，超声波流量计没有压损意味着测量过程没有能量损失。

5）普通的超声波流量计不能用于原油贸易交接计量。因常规的超声波流量计用于测量粘稠介质存在信号衰减、漂移以及精确度下降的问题。超声波流量计用于原油贸易交接计量面临的挑战是在测量中保持高精准的同时，需要克服粘稠介质导致的信号衰减 。

3 LCT4计量级超声波流量计实现原油贸易计量

GE公司Sentinel LCT高精度多通道超声波流量计[8]是专为高黏度测量而设计。Sentinel LCT在保持常规超声波流量计优点同时，克服了高黏度物料影响可靠性的、精确度的缺陷.适用于原油及各类液态介质的测量。具有高可靠性和重复性，符合OIMLIk117-1标准。

3.1 GE计量级超声波流量计技术[3]特点

1）LCT4计量级超声波流量计产品设计采用了CFD（计算流体力学）技术。CFD在理论流场的基础上综合考虑了边界流、坡口涡流对流场的影响，不同的流场对应不同的模型，因而更贴合实际流场。先模拟计算并建立实际流场的理论模型库（CFD与流场相对应），再用实流标定的方法验证模型库的正确性。该专利设计彻底消除了对介质、流量、温度、黏度、密度、口径的依赖，在设计上保证了在复杂工况能确保比较高的重复性。彻底解决了变黏度测量时的精确度问题，确保仪表精确度符合测量要求。

2）LCT4计量级超声波流量计探头采用全新技术。新型探头设计采用导声纤维集束成棒，高效传导声波信号，在几英尺长的范围内也只有极小发散。该设计避免了超声波流量计探头通常采用的压电晶体技术受流体温度波动干扰的弊端，衰减很小，波形非常稳定，信号强，克服并解决了高黏度介质对信号的大幅衰减问题。用波导束技术，可测运动黏度高达600～1000㎜2/s。

3）流量测量不受黏度影响，一次标定即可测量各种黏度的流体，解决了物料切换在线流量标定的问题。同时，新技术采用了可在线更换的探头，当检修标定时可量省去整表折装的问题，只需取下探头进行标定即可。

3.2 与质量流量计能耗费用比较

LCT计量级超声波流量计与质量流量计比较，节能效果明显，而且管径越大，性价比较越高。以上述炼厂原油进厂计量为例，若选用GE公司LCT4计量级超声波流量计来替代CMF质量流量计，可以节省的能费用比较如下：

质量流量计是缩径设计通过上述计算，一年能耗/年约17.8万元，如果使用寿命若按10年计算，质量流量计全生命周期的运行能耗约为17.8×10=178万元。

而LCT计量级超声波流量计是全通径设计，没有能耗损失，也就是说10年使用寿命期间比质量流量计节省能耗约178万元。

4 结术语

目前用于原油计量的LCT计量级超声波流量计技术已经成熟，国外石油炼制行业已有成功应用，与常用的容积式流量计、质量流量计比较，该产品用于原油贸易交接在技术、可用性尤其是节能方面有明显的优势，所以在原油计量采用LCT计量级超声波流量计是比较好的选择。

[1]丁晓峰.气体超声波流量计在天然气测量中的应用[J].石油化工自动化,2014(03):46.

[2]陆德民,张振基,黄步余.石油化工自动控制设计手册[M].3版.北京:化学工业出版社,2000.

[3]郑永志.超声波流量计新技术浅析[J].石油化工自动化,2013(04):46-47.

[4]乐嘉谦.仪表工手册[M].北京:化学工业出版社,1998.

[5]易兵,张发兴.超声波流量测量技术及发展[J].测试技术学报,1995,9(01):14-18.

[6]王树清,乐嘉谦.自动化与仪表工程师手册[M].北京:化学工业出版社,2010.

[7]易兵,张发兴.超声波流量测量技术及发展[J].测试技术学报,1995,9(01):14-18.

[8]孙崾舒.GE推出Sen-dnelLCT4高精度超声波流量计[J].中国计量,2013(09):35.