皮托管流量计在海洋平台天然气计量中的应用

刘健

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

皮托管流量计是1根弯成直角的双层空心复台管，带有多个取压孔，能同时测量流体总压和静压力，与差压变送器、流量计算机等配套使用，在石油化工、冶金、电力、轻纺等行业被广泛使用，对气体、液体、蒸汽、水、风等流体都可实现流量测量。

1 皮托管流量计简介

1.1 工作原理

皮托管流量计的测量原理主要是利用皮托管测量压力，再应用伯努利定理算出流体的速度。流体在皮托管迎风面产生一个高压分布区，高压分布区的压力略高于管道的静压；在皮托管背风面产生一个低压分布区，低压分布区的压力略低于管道的静压。迎风面取压孔为高压取压孔，取压为p1，背风面取压孔为低压取压孔，取压为p2，两者之间的压力差称为差压Δp，由差压传感器进行测量。Δp的平方根与管道内流体流速成线性关系，结合实时采集的被测介质的温度、压力可以推算出流体的实时流速，再通过温度、压力补偿可以换算为标况下的体积流量，计算如式(1)～式(3)所示：

Δp=p1-p2

(1)

(3)

式中：v——管道中被测介质流速；K——传感器修正系数；ρ——被测介质密度；qV——介质体积流量，S——管道截面积。

1.2 性能特点

皮托管流量计具有以下特点：

1)同时测量并显示管道内介质的标况流量、工况流量、流速、压力、温度以及周围环境大气压等多种参数。

2)压损小，体积小，价格低廉。

3)适用于中、大管径管道的流量测量。

4)能够支持双向测量，并具有指示流向功能，方便现场确认流体流动方向。

5)具有可以实时保存、删除测量数据的功能。

6)不需要专门的测量工艺与装备，现场适应能力强。

7)测量准确度高，流量测量精度不低于2级。

1.3 安装要点

皮托管流量计的安装要点如下：

1)选择直管段足够的位置并开孔。

2)开孔完成后，焊接基座并在插入管道前检查传感器的插入尺寸。

3)填料函密封装置与球阀连接锁紧，将传感器插入填料函内，打开球阀，将传感器插入球阀至管道中心。

4)安装差压变送器，按顺序打开截止阀，再彻底清理管道内焊渣和污物。

5)连接差压变送器与导压管。

6)连接温、压变送器等仪表信号线到流量计算机或中心控制系统。

2 在海洋平台天然气计量中的应用

2.1 工艺管线流程

某海上石油平台需要对生产分离器气相出口的天然气进行计量，计量流程如图1所示。该平台前期投产后采用气体超声波流量计实现流量计量，随着生产时间的推移，流量计变送器表头出现积液故障报警，流量计量正负波动大的问题。由于工艺配管设计时将该流量计布置在下游管线低点位置，现场技术员推测分离器气相出口天然气在管线中逐渐出现积液堵塞，导致气体超声波探针浸没液体中出现计量偏差，无法正常工作。

图1 生产分离器气相出口天然气计量流程示意

2.2 问题排查

为验证上述推测的真实原因，现场技术员将气体超声波流量计进行旁通处理，并拆卸，发现有大量积液流出。积液清除后，重新调整了该流量计传感器探针安装角度，并排查了接线、中控温压补偿换算公式以及核对仪表量程，然后关闭旁通流程，恢复正常计量。但经过一段时间的正常生产，该流量计变送器表头继续出现积液故障报警，从而验证了故障推测的准确性。

2.3 替代方案比选

为快速解决现场气体超声波流量计无法正常计量问题，保障海上平台正常生产，根据现场实际情况，比对海上石油平台各种常用的气体计量流量计特点，同时结合流量计生产周期、运输以及价格等综合因素，最终确定采用皮托管流量计的替代为最优的可行方案，海洋平台常用气体计量流量计对比见表1所列，皮托管流量计与气体超声波流量计的比较见表2所列。

2.4 皮托管流量计技术方案

采用相同管段长度的皮托管流量计进行替代，详细技术方案如下：

1)采用双相钢材质皮托管流量计，上下游管线已满足前10D后5D直管段要求。传感器开孔设置在迎流方向管道直径约33%处，传感器探头前部形成高压区，在高压区处形成不规则涡流，单质硫析出只能一少部分粘附在传感器内，不影响对流量的测量。传感器的独特结构不易受磨损、杂质的影响，没有可以活动的部件。

表1 海洋平台常用气体计量流量计对比

表2 皮托管流量计与气体超声波流量计比较

2)为消除因流量计处于上下游管线低点位置导致积液干扰问题，一方面在流量计下游管线上增加低点排液阀，定期排放凝析液，以确保被测天然气流体相态稳定，流量计稳定运行；另一方面生产作业人员可根据凝析液的析出周期与数量，将皮托管流量计本体上预留的温压补偿传感器更换为差压传感器，差压传感器测量出管道底部凝析液的上下压差从而得出管道内天然气流通时的液位高度，液位数据实时传输至皮托管流量计算机电子液位修正模块，在天然气计量过程中修正管道实流截面，从而确保气体准确测量。没有液体凝结时，直接显示天然气的流量测量值。

3)采用双相钢材质的防爆差压、压力与温度变送器，电子信号传输至流量计算机，实现温压补偿换算。

4)流量计算机安装于现场防爆接线箱内，接线箱防护等级为IP66，防爆等级为Ex d IIC T4，材质为316LSS，满足现场危险区环境布置。流量计算机以32位ARM微处理器为核心，配置高速数/模转换单元与大容量存储器，采用多重保护与隔离设计，抗电磁干扰性强。流量计算机要求实现断电时数据可记忆功能。

5)皮托管流量计管段本体长度与原气体超声波流量计一致，实现无缝安装，壳体材质选用双相钢，满足防腐要求。

2.5 安装方案

为避免因出现含沙或含杂质多导致皮托管流量计传感器被堵塞而造成计量精度出现偏差，传感器结构形式采用独特的防堵设计。经过与流量计厂家技术员论证，采用开放式V字型的斜面能够有效地防堵，传感器自上而下插入安装，从而避免天然气内的杂质在取样口位置形成堆积，即使有一部分杂质受传感器的阻挡，也会在重力的作用下从V字型斜面开口位置掉落在管道内随介质流走，不会造成取样口大面积堵塞，保证了传感器的正常稳定工作。

为实现良好的测量，减少压力波动对温度补偿的干扰，现场仪表安装时要求天然气被测介质先经过流量计传感器，再经过压力传感器，最后流过温度传感器的顺序进行安装。皮托管流量计安装如图2所示。

2.6 工厂验收测试

由于本次替代方案是将该海洋平台已有气体超声波流量计拆旧换新，因此为确保皮托管流量计能够精准无误地完成海上安装工作，根据技术方案，工厂验收测试完成了如下检验：

图2 皮托管流量计安装示意

1)通过实际测量，皮托管流量计法兰端面之间的测量管段长度为1 080 mm，与原气体超声波流量计长度一致，满足连接要求。

2)皮托管流量计尺寸、磅级、材质与原气体超声波一致，满足安装要求。

3)通过实流标定，各测量点数据与标准表数据一致，满足计量精度要求。

4)通过无损探伤检验，满足焊接强度要求。

5)通过外观涂装检验，满足海洋防腐要求。

经工厂验收测试，当传感器上产生不同厚度的结垢时，前后测量误差非常小，从而验证了传感器防堵设计方案的准确性，传感器内即使一部分杂质进入也不能影响计量。

2.7 应用效果

皮托管流量计安装后，经过调试，实现了天然气产量稳定计量。现场技术员通过对比皮托管流量计安装前后的计量的区间数据，如图3所示，计量数据不再剧烈波动，持续保持在稳定区间内，与平台外输到下游接收方的计量数据基本吻合，从而验证了该流量计替代方案的可行性。

图3 皮托管流量计替代前后某区间段的计量数据示意

3 结束语

本文主要介绍了皮托管流量计测量原理、性能特点与安装要点，并重点分析了在海上石油平台的应用案例，从而为后续海上石油平台工程设计提供了可借鉴的经验。皮托管流量计在海洋平台天然气计量的成功应用，体现了中国海油“三新三化”研究成果，进一步推动了国产化流量计在海洋石油工程领域的应用前景。通过该次替代方案实施，归纳总结出皮托管流量计与气体超声波流量计优缺点对比，为后续项目中分离器气相出口湿气计量的仪表设计提供了借鉴。