计量系统在大型LNG接收站的应用

1计量系统的应用背景

当前国内外天然气贸易交接越来越频繁,买卖双方及政府部门等各方对天然气贸易计量的要求越来越高,计量系统应用的好坏与否直接影响贸易交接双方的利益。特别是计量系统的测量精度直接影响天然气贸易计算和经济效益,据不完全统计:3亿Nm3/年的计量站,每0.2%的精度变化,会带来60万m3/年的计量偏差,相当于100万元人民币/年。

(1)参与天然气贸易交接计量相关各方的关注要点:1)国家层面所建立的标准、颁布的计量法及检定规程:2)国家质检总局认可的管理计量机构和检定机构:3)买卖双方输差范围,采用的计量标准、检定标准:4)设计院根据用户需求设计的计量技术方案:5)制造厂商对设计意图的理解及提供合理计量方案的计量系统:6)施工方对于制造商提供计量产品安装要求的理解及施工过程质量控制:7)运营中生产单位所采取的计量管理方式、维护及维修策略。

(2)目前我国的天然气计量系统中核心部件流量计主要有以下几种:1)孔板流量计量。孔板流量计为压差式流量计,是国内使用最为普遍的计量方式,技术成熟度高,其原理为在输气管道内安装孔板作为节流元件,当有天然气通过时,流体界面突然减小,流速加快,孔板后端压力降低,通过测量其前后压差,在已知有关参数的条件下根据流动连续性原理和伯努利方程可以推导出差压与流量之间的关系而求得流量。它的缺点是压损大,测量精度低:优点是价格低、结构简单、性能稳定。2)涡轮流量计量。涡轮流量计测量原理是流体流经传感器壳体,由于叶轮的叶片与流向有一定的角度,流体的冲力使叶片旋转,在力矩平衡后转速稳定,在一定条件下转速与流速成正比,由于叶片有导磁性,根据电磁场原理线圈两端感应出电脉冲信号,脉冲频率与流经传感器的流体的瞬时流量成正比,进而计算出流体流量。用其测量压力损失小,但对于流体的性质有较高的要求。缺点是涡轮转动时产生机械摩擦,需注意润滑维护保养,如上游配套过滤器要避免较大颗粒损坏叶片,对前后直管段有较高要求:优点是结构简单、可靠性高、精度高、重复性好。3)超声波流量计量。超声波流量计的工作原理为超声波在流动的流体中传播时载有流体流速的信息,通过接收到的超声波就可以检测计算出流体的流速,从而换算成被测流体的流量。根据检测方式,可分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法及相关法等不同类型的超声波流量计。缺点是对前后直管段安装有较高要求,国内大口径存在标定困难问题,另外价格昂贵:优点为测量精度高,量程比大,能实现双向流量计量,适应性强、占地少,无可动部件,坚固耐用。

2计量系统的设计

2.1总体要求

LNG接收站计量系统的设计应在功能、性能指标等方面满足国家相关的法律、法规、标准要求和建设方的要求,应充分考虑如何实现计量的准确性、稳定性和一致性等,同时应明确以下几点:(1)标准的参比条件:天然气体积计量的标准参比条件为293.15K、101.325kPa,发热量计量的标准参比条件为293.15K。也可以采用建设方招标时合同中规定的其他参比条件。(2)计量系统能够根据工作条件下和标准参比条件下的密度把流量计在工作条件下测得的体积流量转换成标准参比条件下的体积流量或质量或者标准参比条件下的能量。工作条件下和标准参比条件下的密度可实现连续测量或通过气体组成计算,密度的计算应能连续测量温度和压力。保证所使用的方法具有溯源性和可靠性。(3)天然气计量系统的设计要保证测量准确度,误差在允许范围内,同时要满足安装要求。

2.2环境条件

计量系统的设计需根据自身应用情况、所在周边环境条件及影响,同时兼顾安全方面因素的影响,具体如下:(1)计量系统的设计及选址等应使干扰和危险因素对于其自身和周边的相关工艺装置或系统的影响控制在一个可接受范围内:(2)周边环境噪声水平控制在当地法律法规规定的范围内,工作区噪声应确保有适当的措施防止对操作人员产生伤害:(3)环境温、湿度和压力等条件下应保证所有仪器仪表及设备等都能正常工作。

2.3典型计量系统的设计

通常计量系统应以建设方提供的基础数据及天然气外输规模(包括远期预留)为依据开展设计工作,计量系统并不是简单的流量计加流量计算机,其规模虽小但却是一个重要的系统工程,内容涵盖技术方案的确定、计量橇的集成、配套的计量仪表盘、配套的分析仪表集成等等。设计时通常主要有如下要求:

2.3.1工艺、管道方面

(1)应对计量系统管道的椭圆度和同心度有严格的技术要求:(2)为了计量准确,计量管道的设计应注意避免脉动流和振动,可适当在管路上游加装整流器:(3)根据建设方的供气合同合理设计备用旁路,其主要作用为某一路计量管路无法正常工作时切换至备用旁路管路仍能保证正常外输状态:

(4)预留一比对回路来实现其中某一路出现问题时与比对回路连通以检查、核实及校准流量计:(5)紧急情况下可安全关闭计量系统,计量橇上下游需设计紧急切断阀,尽可能选择双关断球阀实现零泄漏:(6)应充分考虑计量系统主管线上设备、仪表等安装、运输、维修、维护及标定等的空间充足。

2.3.2电气、仪表方面

(1)计量系统应满足对天然气体积和能量进行精确计量,能量计量应由体积流量和在线色谱分析仪确定的热值计算产生:(2)设计应充分考虑流量计校正措施,根据JJG1030一2007《超声流量计检定规程》要求,计量系统应具有声速核查及自诊断功能,能延长标定周期,实现6年标定一次:(3)对气体在超声波流量计中流速有具体要求,一般最大流速不宜超过20m/s:(4)应具有在线标定功能,标定回路设置合理,且便于现场操作:(5)根据现场的气候条件、防爆区域划分合理选择电气、仪表、接线箱及阀门等的材质、防护等级、防爆等级:(6)现场UPs供电系统每个回路独立供电及防雷接地保护的设计:(7)流量计的设计及安装应充分考虑其前后直管段的要求:(8)流量计算机软件应含有多种可选择的贸易计量标准:(9)流量计算机压缩因子的计算方法应满足Iso12213或AGA8等标准的要求:(10)流量计需取得中国计量器具形式批准证书。

3计量系统应用案例

某大型LNG接收站项目一期外输规模为200万t/年,二期外输规模为400万t/年,外输压力9.0MPa。其中计量系统的设计主要包括4路12寸计量管路,计量橇的汇管尺寸为36寸,计量橇汇气管、计量比对管路及二期预留均设置预留接口。

该计量系统为整体橇装形式,主要包括气体超声波流量计、上游及下游汇气管、上游及下游连接直管段、上游及下游切断阀、温度和压力检测仪表等:还包括计量仪表盘以及配套的分析仪表:分析仪表采用分析小屋橇装形式,主要包括气象色谱分析仪、硫化氢分析仪、烃露点结合水露点分析仪各一套。另外,计量系统还配置流量计算机和流量管理计算机,实现对计量过程的控制、监控和相应的计算等功能,并实现与DCs控制系统之间的相关通信,以上计算机均安装于计量控制室内。为保证计量系统的可靠运行,此项目正常外输时输气管路三用一备,各个管路与备用管路之间设置有相互比对的连接管路,当一路流量计可能出现偏差时,可以打开比对阀门,使天然气同时通过两个串联的流量计,以检查核实流量计的工作情况。为了保证计量准确度,该项目比对阀门采用DBB双关断带泄压球阀,该阀门可现场手动操作,阀位反馈信号引进中央控制系统。

本项目核心设备采用艾默生丹尼尔的4声道超声波流量计(3400系列),该系列产品技术成熟、应用稳定,同时具有丹尼尔超声波流量计独特的声道替代补偿技术:如果一对探头失灵,或在维护时拆卸一对探头,对测量精度的影响仍然有限等。另外,其配置的诊断软件能按照AGA10报告进行声速计算核查,将超声波流量计的实流标定周期延长至6年。气相色谱分析仪采用艾默生的MD1570,流量计算机采用艾默生s600系列,与色谱分析仪配合使用,不间断地将超声波流量计测得的声速与在天然气中的理论值进行比较,可在线连续监控或校核超声波流量计的计量精度。

本项目其他主要设备及仪器选型具体如下:(1)流量计上游及比对回路手动球阀、汇管手动球阀为喀麦隆,型号为T31:(2)流量计下游切断强制密封球阀采用oRBIT阀门:(3)压力变送器采用艾默生3051系列:(4)压力表采用品牌为wIKA:(5)温度变送器采用艾默生3144P系列:(6)硫化氢分析仪采用阿美泰克933:(7)烃露点和水露点分析仪采用米歇尔、阿美泰克:(8)取样分析管路及管阀件采用世伟洛克。

值得一提的是,该项目的采购周期受橇内阀门制造周期的影响非常大,其中12寸阀门12台、36寸阀门4台(主要为二期预留汇管管线),由于喀麦隆oRBIT阀门在天然气计量贸易的应用市场占比相当大,具有压倒性优势,所以价格极其昂贵,订货通常需要排队,一般供货周期至少一年。

由于计量系统为橇装形式,整体尺寸较大,不利于运输,拆解为六个橇块,现场拼接安装的过程中采取了有效措施消除管道的应力对现场测量仪表的影响,特别是超声波流量计安装时经过反复数次调整才彻底消除了对管道产生的附加应力,有效保证了测量的准确性。

4计量系统的标定

计量系统正式投产后除了日常正常的维护、维修之外,一项重要工作就是流量计的标定。一般流量计的标定有两种:一种是拆卸后到标定站进行标定,一种是标定车到现场进行标定,目前第一种情况较为普遍。国内主要标定单位是南京站,随着国内天然气计量的迅猛发展,每年国内有相当数量的流量计需要标定,一般标定至少提前半年预约,这给运营的项目公司带来不小的压力,运营管理人员必须根据实际的投产情况合理做好标定计划。不过近年来广州站已能进行流量计的标定,从某种程度上缓解了流量计标定需要排队的压力。

此外,能够通过技术手段使得流量计标定延长至6年尤为重要,其在保证正常生产的同时节省了高昂的标定费用:有效的生产日常管理也十分重要,保证管道尽可能清洁,使其对计量系统产生影响降到最低,也可使得流量计工作得更可靠、更稳定。

5结语

综上所述,计量系统在天然气贸易交接中占有重要地位,拥有一套好用的计量系统,尽可能地在设计、采办、施工及后期的运营维护、维修等各个阶段把控好,做一个全生命周期的管理,才能最大限度发挥它在贸易交接中的巨大作用。