Ультразвуковые расходомеры в нефтегазовом секторе

В этой статье хотелось бы обсудить вопрос измерения расхода различных сред в нефтегазовом секторе. Само по себе понятие «Нефтегазовый сектор» достаточно широкое. Исторически можно выделить три больших сектора:

  • Upstream – процессы, связанные с добычей, первичной подготовкой нефти и газа,
  • Midstream – подготовка нефти и газа к транспортировке, транспортировка продуктов к первичной переработке
  • Downstream – переработка, распределение и реализация продуктов.

Практически все технологические процессы в вышеперечисленных областях имеют высокую степень автоматизации и содержат большое количество приборов и датчиков, дающих информацию о таких параметрах, как температура, давление, расход и т. п. 

Как видно из названия, статья посвящена теме измерения расхода, а именно расходомерам, принцип работы которых основан на прохождении ультразвуковой волны через поток жидкости или газа.  Ультразвуковые расходомеры для измерения жидкости и газа c успехом могут быть использованы как в добыче, так и в транспортировке и переработке.

В этой статье кратко хотелось бы дать краткую информацию о том:

  1. Где можно применять ультразвуковые расходомеры;
  2. На какие факторы необходимо обращать внимание при выборе и использовании этого средства измерения.

Ну а героями нашего короткого исследования станут следующие приборы:

Для измерения жидких сред:

Рис. 1 OPTISONIC 3400
Рис. 2 OPTISONIC 4400

Для измерения расхода газа и пара:

Рис. 3 OPTISONIC 7300
Рис. 4 OPTISONIC 8300

Для применения в системах коммерческого учета:

Рис. 5 ALTOSONIC 5
Рис. 6 ALTOSONIC V12

Итак, в первой части хотелось бы остановить свое внимание на процессах, связанных с добычей (Upstream). 

Сразу можно отметить, что добыча полезных ископаемых с точки зрения процесса измерения расхода – не самая простая задача. Основные измеряемые среды – вода, нефть, попутный газ.

Непосредственное измерение расхода и состава компонентов водонефтяной эмульсии без разделения – это сложная задача, предназначенная для мультифазных расходомеров. Но это тема, к сожалению (или к счастью) относится не к ультразвуковым расходомерам!

На рис. 7 схематично показаны возможные точки измерения расхода, т.е. там где физически возможно проведение процесса измерения объемного расхода различными видами расходомеров, в том числе ультразвуковыми расходомерами:

Рис. 7 Рекомендуемые точки учета расхода

Важно отметить, что основные измерения проходят после процесса сепарации, т. е. после разделения водонефтяной эмульсии на составные компоненты. 

Ультразвуковой расходомер OPTISONIC 3400 можно применить в этом случае для измерения объемного расхода воды и нефти. При этом необходимо обращать на следующие моменты:

  1. Негомогенность среды. Для стабильных измерений содержание одной компоненты по отношению к другой не должно превышать более 10%;
  2. После процесса сепарации возможно, например, присутствие воды в нефти (или наоборот), и это может сказаться на стабильности процесса измерения;   
  3. Вторым важным фактором является наличие газовых включений. Их должно быть не более – 2% об.

И раз мы заговорили об ограничениях использования УЗР, сразу назовем третий фактор – количество твердых мелкодисперсных включений – не более 5%. 

Если же вышеуказанные параметры находятся в пределах нормы, то ультразвуковой расходомер будет стабильным источником информации о расходе (и не только), при этом не доставляя хлопот персоналу.

От измерения расхода жидкостей перейдем к измерению газовых сред. 

Одна из основных задач в процессах добычи – измерение расхода попутного нефтяного газа (ПНГ), который является не только ценным источником сырья для газоперерабатывающих заводов, но источником головной боли у специалистов, которые ответственны за выбор этого типа измерения. 

Все дело в свойствах газа, а именно в его нестабильном компонентном составе, наличии влаги, широком динамическом диапазоне расходов.  В ряде случаев – измерение расхода может проводиться под высоким давлением. 

Для решения задач измерения расхода газа в столь неблагоприятных условиях применяются различные типы расходомеров, например расходомеры, основанные на методе переменного перепада давления, вихревые расходомеры, турбинные расходомеры.

Компания KROHNE рекомендует использовать ультразвуковой расходомер OPTISONIC 7300.  Давайте рассмотрим особенности этого прибора. К наиболее интересным и полезным можно отнести следующие: 

  1. Полнопроходное сечение, 
  2. Широкий динамический диапазон,
  3. Возможность проводить измерения при низких скоростях потока (от 0,3 м/с).

Также конструктивные особенности первичного преобразователя (рис.8) позволяют использовать OPTISONIC 7300 для сложных условий эксплуатации, например для измерения расхода так называемых «влажных» газов. 

Рис. 8 Горизонтальное расположение сенсоров
Рис. 8 Вертикальное расположение сенсоров

Но вопрос применения на влажных газах - вопрос специфический, и, как правило, требует рассмотрения в индивидуальном порядке. Важное замечание для эффективной работы УЗР – это рекомендация по горизонтальной установке приборов при работе с влажными газами.

Перейдем к процессам, связанным с транспортировкой (Midstream).

Для фискальных операций взаиморасчета между предприятиями применяются ультразвуковые расходомеры в составе коммерческих узлов учета.  

Это следствие особых требований к погрешности стабильности и надежности проведения измерений. 

Для этих случаев в арсенале KROHNE имеется линейка ультразвуковых расходомеров серии ALTOSONIC, предназначенных для применения на узлах учета как жидких, так и газовых сред.  

Для установки в Системах Измерения Количества и показателей качества Нефти (СИКН) применяются ультразвуковые расходомеры ALTOSONIC 5 (рис 5.

К несомненным преимуществам этих приборов можно отнести:

  • Независимость от профиля потока;
  • Диапазон вязкости жидких продуктов до 1500 сСт;
  • Обширные диагностические функции: распознавание и визуализация профиля потока, возможность обнаружения газовых включений и отложений на стенках измерительной трубы.

На практике же, очень часто перед Заказчиком стоит следующий вопрос: какой метод измерения массы выбрать? Вообще тема коммерческого учета с точки зрения выбора преобразователей расхода - эта тема дискуссионная, есть сторонники как применения кориолисовых расходомеров, так и применения объемных преобразователей расхода.

Прямой метод с применением кориолисовых расходомеров или косвенный, где применяются расходомеры, измеряющие объемный расход с дальнейшим пересчетом объемного расхода в массовый с использованием информации по плотности продукта. Казалось бы, первый вариант является предпочтительным. Но на практике не все так очевидно. Прежде всего, это связано с тем, что кориолисовые расходомеры имеют ограничения по диаметру первичного преобразователя. Из этого следует несколько моментов, на которые следует обратить внимание:

  1. Перепад давления на первичном преобразователе (особенно в зоне расходов, близких к максимальным);
  2. Высокие скорости потока через первичный преобразователь;
  3. Третий вывод следует из первых двух: необходимость увеличения количества измерительных линий для соответствия требованиям по производительности узла, соответственно, большая стоимость СИКН в целом;
  4. Необходимость обеспечения рабочих условий, при которых бы отсутствовали резкие колебания температуры первичного преобразователя кориолисового расходомера, влияющие в том числе и на стабильность нулевой точки.

При применении объемных ультразвуковых расходомеров большая часть вышеуказанных вопросов перестает быть актуальными, что является несомненным плюсом.

В завершении темы применения УЗР для коммерческого учета немного информации о расходомерах для коммерческого учета газа ALTOSONIC V12 (рис. 6).

Интересной и полезной особенностью расходомера является возможность определения метрологических характеристик без использования эталонной поверочной установки, с подтверждением относительной погрешности измерения объемного расхода ±0,7%.

Еще одна сфера применения ультразвуковых расходомеров -  в системах обнаружения утечек (СОУ) параметрического типа. Одним из основных элементов системы, помимо датчиков давления и температуры, являются расходомеры, устанавливаемые в начале, в промежутках (зависит от длины трубопровода) и конце участка магистрального трубопровода (рис. 9)

Рис. 9 Типовое расположение расходомеров, датчиков давления и температуры в параметрической системе обнаружения утечек Pipe Patrol.

Расходомеры, устанавливаемые в СОУ, должны иметь хорошие характеристики не только по точности, но и по повторяемости. При выборе расходомеров также необходимо учитывать, что на этом участке возможно прохождение очистного устройства.

На подобных применениях необходимо ориентироваться на расходомеры, которые должны удовлетворять следующим требованиям:

  1. Конструктив расходомера не должен иметь выступающих элементов, которые бы препятствовали прохождению очистного устройства (скребка);
  2. На работоспособность расходомеров не должно влиять очистное устройство.
  3. Если же рассматривать расходомеры с другим принципом измерения, например, кориолисовые, то непосредственно на основной трубопровод их поставить не получится, необходимо организовывать байпасную линию. 

Таким образом, для выполнения двух пунктов, на первый взгляд, хорошо походят ультразвуковые расходомеры накладного и фланцевого типа.

Преимущество накладного расходомера - прежде всего в установке. При этом необходимо учитывать следующий фактор: качество измерения расхода зависит от качества установки расходомера на трубопровод и от состояния трубопровода (состояние стенок трубопровода, отложений на его стенках). 

Поэтому, для таких применений рекомендуется использовать ультразвуковые расходомеры серии OPTISONIC 3400.

 

Ну и последняя область, где широко применяются расходомеры в нефтяной отрасли, это нефтепереработка (Downstream).

Рассмотрим основную специфику применения расходомеров на нефтеперерабатывающих предприятиях, а также сразу дадим ответ, какие средства измерения расхода могут быть применены:

  1. Многообразие измеряемых сред. В основном технологическом процессе подавляющее число жидкостей не электропроводные. Ультразвуковые расходомеры разработаны для измерения расхода электропроводных и неэлектропроводных жидкостей, газов и пара. 
  2. Присутствуют среды с высокой температурой (свыше 250⁰С). Это относится как к жидкостям, так и к газам, пару. 

В арсенале компании KROHNE имеются расходомеры, разработанные для работы в условиях высоких температур измеряемой среды. 

Приборы OPTISONIC 4400 предназначены для измерения расхода жидких сред. Для измерения расхода пара и высокотемпературных газов рекомендуем применять приборы OPTISONIC 8300. Максимальная температура измеряемой среды для OPTISONIC 4400 во взрывоопасных зонах:  440⁰C. Для OPTISONIC 8300 – температура пара и газов до 620⁰С

3. Расходомеры могут устанавливаться в системах противоаварийной защиты (ПАЗ).

В этих случаях рекомендуется последовательно устанавливать несколько расходомеров, как показано на рис 10

Рис. 10 Пример установки 2- х расходомеров в системе ПАЗ.

Сборка из двух или трех приборов может привести к большим потерям давления на участке, где установлены расходомеры. Практика показывает, что на таких применениях хорошо себя показывают полнопроходные расходомеры. Компания KROHNE для таких условий разработала специальные редундантные (сдвоенные или строенные) версии приборов. Конструктивной особенностью является проведение двух или трех независимых друг от друга измерений расхода:

OPTISONIC 4400 HT (высокотемпературное исполнение)
OPTISONIC 4400 HP (исполнение для высокого давления)
OPTISONIC 7300 (компактное исполнение)
OPTISONIC 7300 (раздельное исполнение)

Немного информации о дополнительных возможностях расходомеров, которые можно и нужно применять. Например, ультразвуковые расходомеры обладают развитой системой диагностики, которая может передавать в систему управления различную информацию. Эту информацию можно использовать в том числе для диагностики параметров технологического процесса и состояния самого расходомера. Например, по определенным алгоритмам можно диагностировать наличие газовых или твердых включений в измеряемой среде, а также диагностировать величину отложений в первичном преобразователе расходомера. Передачу дополнительных параметров можно осуществлять по промышленным протоколам, например Modbus. Самым же распространенным способом передачи информации от полевого оборудования на существующих предприятиях   является аналоговый сигнал 4…20 мА HART.

На примере жидкостных расходомеров можно с уверенностью сказать, что при передаче четырех динамических параметров можно реализовать следующие алгоритмы:

Рис. 11: Пример динамических переменных ультразвукового расходомера OPTISONIC 3400, 4400 для реализации алгоритмов контроля состояния работы расходомера и контроля состояния измеряемой среды.

Один из примеров применения диагностических параметров. 

На рис. 12 показан пример установки высокотемпературных расходомеров OPTISONIC 4400 на выходе из атмосферной колонны. В этом случае из расходомера выводится не только сигнал текущего объемного расхода, но также параметр «усиление сигнала».

Рис. 12 Установка OPTISONIC 4400 для регулирования расхода на выходе из атмосферной колонны

Это позволяет осуществлять контроль состояния измеряемой среды, а именно диагностировать возникновение не рекомендуемого «вскипания» продукта при резком изменении параметров (например, давление), что может повлечь серьезные последствия для безопасности технологического процесса в целом. 

Выводы:

1. Ультразвуковые расходомеры серии OPTISONIC прекрасно зарекомендовали себя как средство измерения расхода жидких и газовых сред с различными характеристиками как в операциях технологического, так и коммерческого учета;

2. Ультразвуковые расходомеры имеют ряд характеристик, выгодно отличающих их от расходомеров другого типа, а именно:

  • Полнопроходное сечение;  
  • Широкий диапазон диаметров первичного преобразователя;
  • Широкий динамический диапазон измерения расхода;
  • Широкий диапазон применения по температуре и давлению измеряемой среды;
  • Отсутствие износа в процессе эксплуатации;
  • Низкие эксплуатационные затраты;
  • Возможность измерения реверсного потока;
  • Стабильная работа на пульсирующих потоках;
  • Отличные диагностические возможности.  

3. Ультразвуковые расходомеры подходят и для специфических применений. Например, использование в ПАЗ, в случаях, когда на одной линии устанавливаются последовательно несколько расходомеров;

4. Ультразвуковые расходомеры — это не только средство измерения объемного расхода. Обладая развитой системой диагностики, они позволяют передавать в систему верхнего уровня различные параметры (скорость звука, отношение сигнал/шум, усиление акустического сигнала и др.) и диагностировать состояние как самого расходомера, так и технологического процесса.

5. Расходомер – ответственная позиция. При выборе и расчете приборов учитывается множество факторов, а именно: диапазон измерения расхода, температура, давления, свойства измеряемой среды. Специалисты компании KROHNE с удовольствием помогут Вам найти оптимальное решение в области измерения расхода!

Хотите узнать больше об ультразвуковых расходомерах и других приборах для нефтегазового сектора? Обратитесь к экспертам KROHNE!