轻质原油密度、黏度较低，中国稠油学术会议推荐将动力黏度小于２０ｍＰａ·ｓ（５０℃），相对密度小于０．９ｇ／ｃｍ３（１５．６℃）的原油划分为轻质原油［１］。鉴于轻质原油的物性特点，在计量系统的设计上需考虑与其物性相匹配的适应性。

 

       本文以南海某轻质油田ＦＰＳＯ贸易交接计量系统设计为例，针对流量计选型、计量管路尺寸选择以及取样系统形式等设计要点进行了分析和探讨。该油田所产原油为轻质原油，原油密度、黏度等工艺参数详见表１所列。

       原油经ＦＰＳＯ工艺设施处理合格后储存，并通过贸易交接计量后外输至穿梭油轮销售。根据轻质原油的划分原则，该油田原油密度和黏度均很低，属轻质原油，因此其贸易交接计量系统的设计完全可以体现出轻质原油计量设计的特点，可以作为分析对象和讨论基础。

 

１计量系统总体设计

       计量系统按非常大外输流量４８００ｍ３／ｈ设计，计量管路设计为４路（３用１备），每路流量为１６００ｍ３／ｈ，配置入口隔离阀、过滤消气器、流量计、控制阀、标定切换阀、单向阀及安全阀等；选用双向球型体积管实现在线标定，标定流速控制在１．５ｍ／ｓ以内；配置自动取样系统和注水实验设备，用于测量原油含水率和检定取样系统。

 

２流量计选型分析

       目前，可达到贸易交接计量精度的流量计主要有：涡轮流量计、容积流量计、超声波流量计和质量流量计，且都适用于轻质原油计量工况。具

体选型分析如下：

 

       １）超声波流量计和质量流量计。为便于流量计标定，通常海上油田贸易交接计量系统都会配置在线标定系统。由于目前超声波流量计和质量流量计在线标定的国家规范还处于探讨和试行阶段，推荐的标定方法较为复杂，现场管理和操作不便，因此两种流量计对于轻质原油计量的优势不明显。

 

       ａ）超声波流量计在线标定方式。根据ＧＢ／Ｔ３６９８９—２０１８《用超声流量计测量液态烃流量》规范内容，超声波流量计与典型机械式流量计相比，使用常规体积管检定可能会使重复性的离散性更大。基于现场数据，超声波流量计可能需要更大容积的体积管才能使流量计系数不确定度达到同一指标。由于现场无法提供较大容积的体积管，因此可以采用符合ＡＰＩＭＰＭＳ４．５：２０１１Ｍａｓｔｅｒｍｅｔｅｒｐｒｏｖｅｒｓ中要求的标准表法进行超声波流量计的标定［２］。考虑到海上油田设施空间有限及标定稳定性等因素，超声波流量计推荐采用标准表法标定。标定时，由标准体积管先标定标准表，之后再通过标准表进行等精度传递标定超声波流量计，标定流程较为复杂。由于增加了标准表路（标准表选用其他型式流量计），导致了撬块尺寸、质量以及投资费用的增加，因此暂不推荐选用。

 

       ｂ）质量流量计在线标定方式。质量流量计在线标定若采用标准体积管加在线密度计方法，其中密度计的标定需要送至中国计量科学研究院进行标定，由于送检耗时较长，不便于现场操作和管理。质量流量计在线标定也可采用标准表法，参考ＪＪＦ１７０８—２０１８《标准表法科里奥利质量流量计在线校准规范》。标准表选用０．０５％精度等级的质量流量计，由其来标定０．１５％精度等级的工作表。标准表法虽可取代体积管等标定方法，进而减少撬块尺寸和质量，但标准表的标定目前只能送至瑞士或荷兰计量院（采用称重法，精度０．０１５％），送检操作也较为不便。

 

       考虑到以上因素，轻质原油计量暂不推荐选用超声波流量计和质量流量计。

 

       ２）涡轮流量计和容积流量计。涡轮流量计和容积流量计的选型分析主要考虑黏度适用性、流量计尺寸及投资费用等方面。

       ａ）黏度适用性。涡轮流量计和容积流量计均可用于轻质原油计量，但两种流量计对黏度的非常佳适用范围有不同的要求。具体的对比分析主要参考ＡＰＩＭＰＭＳ５．１：２０１１Ｍａｎｕａｌｏｆｐｅｔｒｏｌｅｕｍｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｔａｎｄａｒｄｓｃｈａｐｔｅｒ５－ｍｅｔｅｒｉｎｇ中“涡轮流量计和容积流量计选用指导”的内容，涡轮流量计和容积流量计在不同黏度和流量下的可用工作区域如图１所示［３］。从图１得知：涡轮流量计非常适合低黏度的轻质原油计量，其非常佳工作区域对应的动力黏度范围在３ｍＰａ·ｓ以内。随着流量的增大，涡轮流量计条件适用区域所对应的黏度值有所增大，但需考虑黏度增大导致的量程比降低的影响，如流量测量的下限值会上升，量程比变小，保证满足测量精度和标定要求。容积流量计适用于黏度较高的轻质原油计量，非常佳适用的动力黏度范围在１ｍＰａ·ｓ以上，条件适用的非常小动力黏度约为０．１ｍＰａ·ｓ，但容积流量计对低黏度原油的黏度变化敏感度较高。随着流量的增大，容积流量计的非常佳工作区域对应的黏度值随之大幅提升。

 

       ｂ）流量计管路尺寸。根据外输流量及流量计量程范围，涡轮流量计选用量程范围为２８０～２８００ｍ３／ｈ（尺寸１２ｉｎ）；容积流量计需选用量程范围为２００～２０００ｍ３／ｈ（尺寸１６ｉｎ），由于涡轮流量计流通能力强，因此选型尺寸小，更具有优势。

 

       ｃ）投资费用。由于涡轮流量计尺寸小，且质量轻，可减小成撬的尺寸和质量，因此比容积流量计在投资费用上更具有优势。

 

       ｄ）案例。该项目中ＦＰＳＯ单路计量流量１６００ｍ３／ｈ，动力黏度０．６～１．０ｍＰａ·ｓ（３５℃），由图１可知，工作点落在了涡轮流量计非常佳工作区

域，因此推荐选用涡轮流量计。若轻质原油的动力黏度增大至２０ｍＰａ·ｓ，流量参考本案例１６００ｍ３／ｈ，工作点将移至涡轮流量计和容积流量计条件适用区域，此时选型上需进行综合考虑；如流量继续减小，使工作点进入容积流量计非常佳工作区域，那么将推荐采用容积流量计。

 

       由于涡轮流量计的量程比对原油黏度较为敏感，当工作点位于条件适用区域时，在选型上应做适用性判断，可根据式（１）和表２中所列非常小流量值进行修正，式（１）表示的比值不考虑其实际单位和意义。量程比应同时满足外输计量精度和流量计标定要求，ＪＪＧ１０３７—２００８《涡轮流量计》中，对于准确度等级优于０．５％的涡轮流量计，标定时需检定的流量点应包括：ｑＶｍｉｎ，０．４０ｑＶｍａｘ和ｑＶｍａｘ外，还应增加０．２５ｑＶｍａｘ，０．７０ｑＶｍａｘ２个流量点［４］。

 

 

       式中：液体运动黏度单位为ｍｍ２／ｓ；流量计尺寸单位为ｍｍ（英寸）。

       例：假设轻质原油的密度０．９ｇ／ｃｍ３，动力黏度１６．２ｍＰａ·ｓ，换算为运动黏度１８ｍｍ２／ｓ，流量按１６００ｍ３／ｈ计算，流量计选择３００ｍｍ（１２ｉｎ），量程范围２８０～２８００ｍ３／ｈ，工作点为非常大量程的５７％。根据式（１）计算口径比值为１．５，对应表２的值为０．２０ｑＶｍａｘ，那么非常小流量修正为５６０ｍ３／ｈ，量程比缩减为５∶１。根据计算结果，外输流量值仍处在量程比范围内，且满足流量计标定要求，可以选用。

 

       从以上分析可得出，涡轮流量计使用在黏度值不超过流量计尺寸的工况下，可判断其满足使用要求，但不一定处于非常佳工作区域；如黏度值超过流量计尺寸，即口径比值大于１，需做适用性判断。对于ＦＰＳＯ外输计量系统，由于外输流量较为稳定，在适用性判断上主要考虑流量计标定要求；对于海上平台外输计量系统，由于原油外输输量逐年变化，在适用性判断上需要重点关注量程比问题。

 

       综上所述，对于轻质原油的计量，涡轮流量计更具优势，如油品黏度对其选型没有影响，推荐选用涡轮流量计。

 

３计量管路尺寸选择

       轻质原油中轻组分含量较多，原油稳定性较差，易燃爆，设计上需考虑静电因素。根据ＧＢ１３３４８—２００９《液体石油产品静电安全规程》要求，油轮和船舶装油初速度不应大于１ｍ／ｓ，当入口管浸没后，可提高流速，但不应大于７ｍ／ｓ［５］。

 

 

       该例中ＦＰＳＯ非常大外输流量为４８００ｍ３／ｈ，计量流路设计为４路，每路流量为１６００ｍ３／ｈ，如选择口径为４００ｍｍ（１６ｉｎ）管线，原油流速约为３．５ｍ／ｓ，可以满足规范中小于７ｍ／ｓ的要求。但采用４００ｍｍ管线将使计量管路上的入口隔离阀、过滤消气器、控制阀、标定切换阀、单向阀等设备的尺寸一起增大，导致整个计量撬的尺寸和质量增加，非常终使投资费用增加。

 

 

       在计量管路尺寸的选择上可在满足规范的前提下，适当考虑通过提高原油外输流速，来减小管线及相关配套设备尺寸，进而降低计量系统的投资费用。由于ＦＰＳＯ原油外输为短时间歇方式，因此提高流速对管线的冲蚀影响可不作为主要因素考虑。该例中如选择３００ｍｍ管线，原油流速约为６．３ｍ／ｓ，可以满足规范要求，同时３００ｍｍ管线与流量计尺寸相同，减少了缩扩径管接件，且相关配套设备的选型尺寸也得到了优化，非常终可降低整个撬块的费用。

 

       对于连续外输计量工况，计量管路尺寸的选择应综合考虑静电、管线冲蚀、噪音及投资费用等方面问题，选择较为合理的方案。