CОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К ПОСТРОЕНИЮ СИСТЕМ ИЗМЕРЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА НЕФТИ, НЕФТЕПРОДУКТОВ И СЖИЖЕННОГО ГАЗА
Современные тенденции развития систем сбора, обработки информации и управления все более широко внедряются и в традиционно консервативные области измерений, каким является коммерческий учет нефти, нефтепродуктов и сжиженного газа. По существу, архитектура большинства вновь проектируемых узлов учета все еще базируется на принципах и оборудовании 70-х годов, несмотря на то, что за это время сменилось не одно поколение приборов и систем измерений.
Однако современные тенденции автоматизации диктуют и новые подходы развития измерительных систем учета жидких и газообразных углеводородов. В настоящей статье рассматривается архитектура Коммерческих Узлов Учета Нефти, нефтепродуктов и сжиженного газа (КУУН и КУУСГ) нового поколения производства компании Emerson Process Management, приводится сравнительный анализ с традиционными измерительными системами.
В разных странах при учете нефти, нефтепродуктов и газа широко применяют прямые методы, особенно при приемо - сдаточных операциях, при наливе в автомобильные и железнодорожные цистерны, речные и морские танкеры, а также при добыче и транспортировки нефти. В качестве примера можно привести следующие узлы учета и налива:
Голландия , Shell - коммерческий учет нефти и дизельного топлива в трубопроводах;
Швейцария , ВР - отгрузка бензина, дизельного топлива в автоцистерны;
Малайзия , Shell - отгрузка очищенных нефтепродуктов в танкеры;
Саудовская Аравия, Aramko - измерения содержания чистой нефти в устье нефтяной скважины;
Германия, DEA - отгрузка сырой нефти из танкеров и т. д.
Россия, Лукойл. Коммерческий учет при сливе/наливе нефти и нефтепродуктов из танкеров на нефтеналивном терминале нефтебазы Высоцк.
Казахстан, КазТрансОйл - коммерческий учет нефти при транспортировке по трубопроводам
Традиционные системы измерения
Традиционный узел учета, состоит, как правило, из следующих блоков и элементов - блока измерительных линий, состоящего, обычно, из трех линий (рабочей, резервной и контрольной), включающих фильтры, турбинные преобразователи расхода (ТПР), прямые участки до и после ТПР, струевыпрямители, запорную арматуру, датчики давления и температуры, клапаны регулирования расхода.
- блока контроля качества, в состав которого входят по два поточных плотномера и вискозиметра, автоматические пробоотборники и пробосборники, датчики давления и температуры, насосы, термостаты, сигнализаторы загазованности и пожара и пр.
- вторичной аппаратуры и блока обработки информации,
- кроме того, в состав узла учета входят пробоотборное устройство, стационарная трубо - поршневая установка (или предусмотрено подключение передвижной ТП), сигнализатор содержания свободного газа, образцовые средства измерений для плотномеров и вискозиметров, дополнительные средства измерений.
Современные требования к средствам и системам измерения
- Средства измерения являются "интеллектуальными" - не только измеряют, но и обрабатывают информацию, современные полевые приборы являются "серверами" данных;
- полевые приборы многофункциональны, осуществляют измерения всех необходимых параметров в одной точке;
- передача информации от полевых приборов к системе осуществляется посредством цифровых протоколов, позволяющих передавать значительные массивы информации и исключающих дополнительные погрешности, связанные с передачей и преобразованием измеряемых параметров;
-система измерения должна обеспечивать возможность приема не отдельных физических сигналов от каждого средства измерения, а получать и обрабатывать массивы информации от "интеллектуальных" приборов.
В качестве подобной системы измерения количества нефти и нефтепродуктов, отвечающей мировым тенденциям в области приборостроения и автоматизации и удовлетворяющей требованиям, предъявляемым к товарно - коммерческим операциям, приводится автоматизированный узел учета нового поколения, основанный на применении кориолисовых расходомеров Micro Motion, компакт - прувера Daniel и системы обработки информации и управления DeltaV.
Такой узел учета по сравнению с традиционным, имеет следующие преимущества.
Многофункциональность
Кориолисовый расходомер одновременно измеряет в одном месте и выдает информацию по мгновенному и суммарному массовому расходу, мгновенному и накопленному расходу, плотности, температуре при рабочих условиях, а также диагностическую и служебную информацию. При традиционных средствах измерения точки измерения расхода и плотности разнесены и для приведения к одинаковым условиям измерения требуются дополнительные датчики давления и температуры.
Прямое измерение массового расхода
В соответствии с действующими нормативными документами для товарно - коммерческих расчетов приемо - сдаточные операции осуществляются в единицах массы. Кориолисов расходомер осуществляет прямое измерение массового расхода, все остальные типы расходомеров (например, турбинные расходомеры и PD-метры) применяемые при коммерческом учете используют объемный принцип измерения расхода, т .е . метод измерения массового расхода является косвенным, что приводит к использованию дополнительного оборудования и, как следствие, возникновению дополнительных погрешностей измерения.
Метрологические характеристики
Суммарная погрешность узла учета по массе брутто будет определяться только погрешностью массового расходомера и она составит - 0,1% ± погрешности по массе брутто для модели CMF ELITE. В случае применения объемного расходомера (турбинного, роторного, ультразвукового) суммарная погрешность по массе брутто складывается из погрешностей расходомера, плотномера, вискозиметра, датчиков давления и температуры на измерительных линиях и в блоке качества и контролера, обеспечивающего обработку сигналов вышеназванных средств измерения и вычисление массового расхода. И для того, чтобы уложиться в нормируемую ГОСТ 26976-86 погрешность по массе брутто - 0.25% зачастую приходится прибегать к искусственным методам, как например, уменьшение рабочего диапазона измерения объемного счетчика.
Как показывает практика использования расходомеров Micro Motion серии CMF Elite, их погрешность не превышает 0,1 % при самых суровых условиях эксплуатации.
Невосприимчивость к изменениям рабочей среды
На показания кориолисового расходомера не влияют изменения вязкости, плотности, профиля скоростей по сравнению с объемными расходомерами.
Кориолисовые расходомеры также в меньшей степени подвержены различным отложениям (благодаря постоянной вибрации измерительных трубок). Даже при наличии отложений (парафины, битумы, смолы) кориолисовы расходомеры не требуют проведения внеочередной поверки, т. к. отложения никоим образом не влияют на коэффициент расхода (масс - фактор), а процедура калибровки расходомера занимает считанные минуты. С применением кориолисового расходомера исчезает проблема "раскрутки"- тенденция к увеличению импульс-фактора при непрерывной работе турбинного преобразователя расхода, -проблема, характерная для ТПР всех ведущих мировых производителей, в т.ч. и с геликоидным ротором.
Надежность
Кориолисов расходомер не имеет движущихся частей, попадание механических частиц и свободного газа не приводит к повреждению сенсора, как это может иметь место в случае турбинных и объемных расходомеров.
В связи с отсутствием дополнительного оборудования, сопутствующего объемным расходомерам (фильтры, струевыпрямители, плотномеры, вискозиметры и т.п.), увеличивается общее время наработки на отказ для узла учета в целом.
Минимум технического обслуживания
В связи с долговременной стабильностью нормативных метрологических характеристик, отсутствием необходимости в ремонте и в запасных частях кориолисового расходомера нет необходимости во внеочередных поверках и в периодическом монтаже - демонтаже для профилактического обслуживания.
Для рассматриваемого узла учета поверке подлежат только два расходомера.
Система верхнего уровня получает информацию по HART или Fieldbus Foundation протоколу, не использует измерительные каналы и поэтому по существу является информационно-вычислительной, а не информационно - измерительной и не вносит дополнительных погрешностей в измерение. Для стандартного же узла учета с использованием объемного расходомера поверке подлежит следующее оборудование - три расходомера, четыре датчика давления и четыре датчика температуры, два плотномера, два вискозиметра, один компьютер расхода.
Таким образом, использование массовых расходомеров существенно снижает трудоемкость и затраты, связанные с проведением поверочных работ.
Минимальная стоимость дополнительного оборудования
Отсутствует необходимость в прямых участках, струевыпрямителях, блоках качества с плотномерами, вискозиметрами, насосами, промывочным оборудованием, в датчиках давления, температуры, детекторах загазованности, пожароопасности и т. п., (см. Фото - Узел коммерческого учета товарной нефти на массовых расходомерах ELITE CMF400 (Кенкияк -Жанажол, ЗАО НКТН "КазТрансОйл").
Ниже приводится список дополнительного оборудования для узла учета нефти на основе турбинного расходомера или PD метра.
Фильтры. В отличие от массового кориолисова расходомера Micro Motion на работу которого не влияет наличие механических частиц вследствие отсутствия у него внутренних частей, попадание мехпримесей в турбинный расходомер (ТПР) может привести к поломке элементов крыльчатки, поэтому наличие фильтра перед турбинным расходомером обязательно.
Струевыпрямители. В отличие от турбинного расходомера, на работу которого существенным образом влияет профиль скоростей потока, и, поэтому требуется струевыпрямитель для сокращения прямых участков трубопровода. На метрологические характеристики кориолисова расходомера профиль скоростей потока не влияет. Поэтому струевыпрямители не входят в комплект поставки кориолисова расходомера.
Вискозиметр. На характеристики кориолисова расходомера изменение вязкости не оказывает влияния, изменение вязкости влияет на значение импульс - фактора ТПР, а следовательно, и на его относительную погрешность, - в первую очередь в связи с наличием трущихся частей, поэтому вискозиметр необходим для корректировки К -фактора ТПР по текущему значению вязкости.
Датчик наличия свободного газа. При использовании ТПР датчик свободного газа необходим потому, что наличие свободного газа приводит к резкому раскручиванию крыльчатки ТПР, что приводит к очень большой ошибке определения расхода, т. к. его величина расчитывается на основании скорости вращения ТПР, кроме того, при предельных скоростях вращения высока вероятность выхода ТПР из строя, свободный газ не может привести к поломке кориолисова расходомера, т.к. у него нет вращающихся частей, при соответствующей конфигурации кориолисов расходомер реагирует на изменение плотности и прекращает учет расхода при одновременном посыле сигнала на компьютер расхода о т.н. "снарядном режиме". Тем самым кориолисов расходомер в данном случае является сигнализатором наличия свободного газа в потоке. Фильтры и измерители свободного газа нужны также и для PD-метров. Кроме того, цена на запасные части для PD-метров довольно высока. Таким образом, перечисленное оборудование должно обязательно включаться в комплект узла учета на основе ТПР или PD-метра.
Минимальная стоимость кабельной продукции
В связи с отсутствием дополнительных средств измерения сопутствующих объемным расходомерам, а также в связи с тем, что все предлагаемые средства измерения являются интеллектуальными (имеют цифровой HART-протокол или Foundation FieldBus), то вся измерительная информация передается по одной витой паре проводов.
Компакт - прувер
Метрологическое обеспечение узла учета имеет первостепенное значение. Традиционные системы, как правило, имеют в своем составе шаровой стационарный прувер. Для узлов учета с ТПР это является необходимым условием, т.к. из-за большого количества факторов, влияющих на изменение характеристик турбинного расходомера приходится ежемесячно проводить сличения показаний с образцовой установкой. При этом должна быть решена проблема поверки стационарной ТПУ так как из-за больших объемов шарового прувера образцовые мерники не всегда могут быть применимы. Для поверки стационарных ТПУ, как правило, используются передвижные ТПУ. С точки зрения метрологии имеется дополнительное звено при передачи стандарта, привносящее дополнительную погрешность, а организациям, на балансе которых находится узел учета и стационарная ТПУ, ежегодно приходится решать задачу - где же найти передвижной прувер.
Для узлов учета с кориолисовыми расходомерами ежемесячное сличение показаний не имеет смысла из-за практического отсутствия факторов которые могут привести к изменению характеристик на величины превышающие нормативные значения.
Т'аким образом, установка стационарной ТПУ не является обязательным условием. Но для возможности периодической поверки массовых расходомеров в комплектном узле учета предусматривается подключение компакт - прувера Daniel. Небольшие габаритные размеры, вес и широкий диапазон измерений 1000:1 делают возможным установку компакт - прувера на платформе грузовика или прицепа. Это позволяет применять один прувер для нескольких узлов учета, в т.ч. и с разными типоразмерами расходомеров. Это является особенно актуальным сейчас, когда каждое предприятие, независимо от форм собственности, вступая в товарно - коммерческие отношения, должно устанавливать узлы учета на все входящие и исходящие потоки, и приобретение отдельного прувера для каждого узла является экономически неоправданным.
Прувер поверяется по образцовому мернику, который может приобретаться вместе с прувером или отдельно от него. Компакт - прувер Daniel с встроенным плотномером и многопараметрическим электронным блоком позволяет проводить поверку как массовых кориолисовых расходомеров, так и объемных счетчиков с пропускной способностью до 4000 м 3 /час.
По требованию заказчика мы можем предоставить отдельную статью о преимуществах компакт -прувера компании Daniel перед шаровым прувером.
Автоматический пробоотборник
Установку автоматического пробоотборника регламентируют ГОСТы на коммерческий учет нефти. Emerson Process Management предлагает по требованию заказчика любое дооснащение автоматического пробоотборника до поточного блока качества нефти. В состав автоматического пробоотборника входит зонд пробоотборника, автоматический пробоотборник с петлей прокачки нефти и емкостями для проб. Автоматический пробоотборник устанавливается в обогреваемом шкафе.
В состав поточного блока качества нефти могут входить поточные приборы - плотномер , влагомер , солемер и другие. Блок качества выполняется в строгом соответствии с действующими в Казахстане стандартами ГОСТ и ведомственными РД.
Запорная и регулирующая арматура
На КУУН по требованию заказчика может быть установлена запорная и регулирующая арматура с различными типами привода: пневматическим, электрическим, гидравлическим и ручным. Emerson Process Management использует современные, высоконадежные клапаны и приводы к ним производства Fisher Controls и других компаний.
Для отсечки линий во время проведения сличения расходомеров используются клапаны с двойной отсечкой и контролем протечки. Регулирующие клапаны используются для установки и удержания расхода с высокой точностью в любой точке расхода для проведения процедуры сличения.
Обогрев и теплоизоляция
Оборудование Emerson Process Management работает в стандартном индустриальном диапазоне температур от 40 градусов Цельсия, но на территории Казахстана есть климатические зоны, где возможны температуры до -52 градусов.
В таких случаях узел учета может поставляться с системой теплоизоляции и электрообогрева или полностью укрытым в блок-бокс с системой пожарной и газовой сигнализации и принудительной вентиляцией.
Система измерения и управления DeltaV
Система DeltaV позволяет получать информацию от массовых расходомеров посредством цифровых протоколов, обеспечивающих передачу значительных массивов информации и исключающих дополнительные погрешности, связанные с передачей и преобразованием измеряемых параметров. Система DeltaV обеспечивает управление автоматическим пробоотборником, клапанами регулирования расхода и задвижками с гарантированным перекрытием потока, архивированием данных, подготовкой приемо - сдаточных отчетов и паспортов и других документов, передачей информации в АСУ предприятия. На ее базе создается автоматизированное рабочее место оператора приемо - сдаточного пункта. При этом отпадает необходимость в использовании промежуточных компьютеров расхода для сбора измерительной информации и программируемых логических контролеров для управления измерительными линиями.
Но если на предприятии уже имеются другие системы управления, ПЛК или СКАДА - системы, которые необходимо информационно объединить с DeltaV, то это осуществляется предельно просто (конечно, в случае, если эта сторонняя система открыта для интеграции).
DeltaV использует широко распространенные открытые технологии обмена данными:
- OPC DA для обмена данными реального времени
- OPC A&E для обмена событиями и алармами
- ODBC для обмена архивными параметрами
- HART, Profibus DP, DeviceNet, AS-i или Modbus RTU/ASCII длЯ обмена с ПЛК и другими интеллектуальными устройствами (возможны и другие протоколы последовательного обмена).
Кроме того, DeltaV поддерживает интерфейсы PI-API и PI-PI для обмена с общезаводским сервером данных PI System.
Модульная конструкция
Узлы учета Emerson Process Management имеют блочно - модульную конструкцию.
Узел учета изготавливается таким образом, чтобы полностью оборудованный и смонтированный узел (или его модульные секции ) помещался в стандартные транспортировочные контейнеры. Это значительно сокращает сроки транспортировки и установки узлов учета.
Практически все нефтегазовые компании в Казахстане ежегодно увеличивают количество добываемого углеводородного сырья, увеличение производства нефти и газа как правило связано со стоимостью сырья на международных рынках, поэтому заказчику бывает сложно определить максимальную производительнсть узла учета. Узлы учета Emerson Process Management имеют блочно - модульную конструкцию, что позволяет легко увеличивать производительность узла. Заказчик покупает узел учета, спроектированный под сегодняшний расход транспортировки нефти, а если появится необходимость в увеличении расхода, докупает модульную измерительную линию, устанавливает ее рядом с ранее установленным узлом и стыкует. Эта процедура занимает минимум времени.
Заключение
Таким образом применение рассматриваемой архитектуры построения систем измерения количества нефти и нефтепродуктов на основе последних достижений в мировой автоматизации предоставляет следующие преимущества владельцу системы:
Модульность измерительной системы,
Уменьшение общей занимаемой площади,
Уменьшение количества обязательного оборудования,
Сокращение производственных затрат,
Сокращение затрат на инжиниринг,
Сокращение затрат на транспортировку, монтаж, пуско-наладку, техническое обслуживание и метрологическое обеспечение ,
Взаимозаменяемость модулей,
Взаимозаменяемость всех компонентов системы,
Увеличение времени наработки на отказ,
Уменьшение суммарной погрешности измерения системы (0,1 - 0,15 % по массе),
Производственную и экологическую безопасность.
Коммерческий Узел Учета Нефти выполняется в строгом соответствии с действующими в Казахстане требованиями ГОССТАНДАРТа и ГОСГОРТЕХНАДЗОРа, отраслевыми и ведомственными РД, а также в соответствии с международными стандартами.
Все установленное на узле учета оборудование выполнено в соответствии с доказавшей свою эффективность цифровой архитектурой управления производством.
Отдельно стоит вопрос о сертификации PD-метров, турбин и шаровых пруверов Р в то время как на кориолисовый расходомер Micro Motion получены Казахстанские сертификаты и признание Госстандартом РК первичной поверки завода -изготовителя в течение 4-х лет, имеется сертификат Госстандарта РК и на компакт - прувер компании Daniel
Emerson Process Management, поставляет как коммерческие так и технологические узлы учета товарной и сырой нефти, нефтепродуктов, сжиженного и сжатого газа в любой комплектации согласно пожеланиям заказчика.
Так же хотелось бы отметить тот факт, что на сегодняшний день на территории Казахстана уже установлено 16 узлов выполненных по идеологии, описанной в данной статье. Так же на сегодняшний день на территории Казахстана уже установлено 15 компакт - пруверов компании Daniel.
Далее приведена информация по установленным в РК узлам учета нефти и пруверам производства компании Emerson Process Management.