CC BY
435
УДК 681.121
М. М. Андреева, Н. А. Староверова, М. Б. Нурахметов
ОБЗОР РЫНКА РАСХОДОМЕРОВ ДЛЯ НЕФТЯНОЙ И ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Ключевые слова: Энергопотребления, электромагнитные, кориолисовые, ультразвуковые расходомеры, диафрагма, КИПиА, потоковые измерения, износостойкостью измерительной аппаратуры, датчики расхода, многопараметрическое измерение, средства измерения, автоматизация, нефтепереработка, добыча, рынок расходомеров.
Рассмотрены расходомеры применяемые в нефтегазовой промышленности, недостатки и их решение предлагаемые компаниями таких как: Emerson Process, Endress+Houser, Siemens Industry, Yokogawa, Krohne. Новые, более автоматизированные типы расходомеров. Прогнозы применение их видов в будущем.
Keywords: Energy consumption, electromagnetic, Coriolis, ultrasonic flowmeters, aperture, Instrumentation, stream measurement, resistance measurement apparatus, flow sensors, multi-parameter measurement, measurement tools, automation, oil refining, mining,
market flowmeters.
Considered the flowmeters used in the oil and gas industry, disadvantages and solutions offered by companies such as Emerson Process, Endress+Houser, Siemens Industry, Yokogawa, Krohne. New, more automated types of flowmeters. Forecasts the use of their species in the future.
Благодаря глобальному росту
энергопотребления, в настоящее время активно разрабатываются нефтяные и газовые ресурсы. В связи с тем, что за последние несколько лет технический прогресс сделал возможным добывать нефть и газ в местах со слабо развитой инфраструктурой (электричество, связь и т.д.), используемые при этом средства КИПиА должны иметь возможность функционировать в условиях ограниченного энергообеспечения от солнечных батарей или автономных элементов питания. Другой, тенденцией в автоматизации нефтяной и газовой отрасли является внедрение «безлюдных» технологий, которые позволяют с большей эффективностью использовать рабочее время персонала, не допускать простоев мощностей и значительно снижать риск всевозможных аварий, возникающих из-за человеческого фактора. Это касается и добычи, и переработки, где человек также все больше отдаляется от непосредственного участия в технологическом процессе. Об этом говорит в своем интервью «Будущее за полной автоматизацией» вице-президент по бизнесу в нефтегазовой отрасли группы Plant Web Solutions в составе Emerson Process Management Ларри Ирвинг [1]. Также он отмечает решающую роль автоматике в скорости и эффективности управления процессом. В частности,
Одним из основных параметров, определяющих ход любого технологического процесса, является расход. Определение расхода непосредственно представляет собой потоковые измерения, которые должны обладать необходимой точностью, износостойкостью измерительной аппаратуры, возможностью быстрого перехода между разными состояниями измерения, оперативностью математических вычислений даже при непрямых измерениях. Для этого используются специальные устройства - расходомеры. Точность их работы очень важна, ведь при измерении в потоковом режиме в реальном времени постоянно могут меняться условия оценки - в связи с изменениями температуры жидкости или газа, их вязкости, проводимости, наличия взвешенных частиц, образования вихревых
потоков и т.д. В настоящее время проблеме поиска оптимальных характеристик и конструкций расходомеров посвящено большое количество работ [2].
В последние несколько лет произошел значительный рост спроса на рынке расходомеров. Лидирующую роль среди предложений занимают электромагнитные расходомеры. В стоимостном выражении объем продаж этих устройств по всему миру за 2013 год составил 1,18 млрд. долларов. На втором месте располагаются кориолисовые расходомеры 0 1,02 млрд. долларов. Ожидается, что к 2019 году спрос на этот класс устройств превзойдет электромагнитные расходомеры. Во многом это связано с отраслями промышленности, в которых они применяются. Так, если электромагнитные расходомеры нашли наиболее широкое распространение в измерении воды и, в частности, сточных вод, то кориолисовы расходомеры применяются в нефтегазовой, нефтеперерабатывающей, нефтехимической,
химической и других отраслях промышленности. Прогнозируется, что в ближайшие 5 лет произойдет замещение расходомеров переменного перепада давления на ультразвуковые и кориолисовы.
Крупнейшим рынком для расходомеров остается Азиатско-Тихоокеанский регион, далее следуют Северная Америка и Европа. Азиатско-Тихоокеанский рынок продолжает быть ключевым направлением роста за счет новых инвестиций, обеспеченных увеличением спроса на инновационные технологии в расходометрии для разных отраслей потребления. Средние темпы роста ожидаются и в странах Ближнего Востока, вследствие развития нефтяной промышленности на их территориях.
Расходомеры используются на всех технологических стадиях добычи, транспортировки и переработки нефтяного и газового сырья. Так, на этапе подготовки и подъема нефти необходимо контролировать количество подтоварной нефти. Для решения этой задачи используются кориолисовые и вихреакустические расходомеры. При транспортировке нефти и газа самым
распространенным первичным преобразователем расхода является стандартное сужающее устройство - диафрагма, а в процессах переработки нефти и газа наиболее широкое распространение нашли массовые расходомеры [3].
Каждый класс устройств для измерения расхода имеет свои достоинства и недостатки и целью любой компании-производителя является поиск конкурентного преимущества по тому или иному виду выпускаемого продукта. Электронный журнал по автоматике CONTROLDESIGN опубликовал данные опроса, в котором читателям предлагалась составить рейтинг фирм-производителей расходомеров. Места
распределились следующим образом: 1 - Emerson Process, 2 - Endress+Houser, 3 - Siemens Industry. В связи с этим, рассмотрим основные решения, предлагаемые данными компаниями по измерению расхода, а также ряда других производителей, чьи расходомеры нашили широкое применение в нефтяной и газовой отраслях [4].
Несмотря на то, что объем продаж электромагнитных расходомеров за 2013 год занимает лидирующие позиции, в нефтегазовой отрасли эти устройства не распространены. Это связано с тем, что они нашли широкое применение для измерения кислых, щелочных, ионизированных жидкостей, а также грязных, агрессивных, эрозивных и вязких жидкостей и шламов, но они не подходят для измерения углеводородов и газа.
Одним из основных ограничений измерительных комплексов, построенных на базе расходомеров переменного перепада давлений, является малый динамический диапазон измерения расхода. Это обусловлено возможностями датчика разности давлений. Все производители датчиков разности давлений способны обеспечить погрешность относительно верхнего диапазона измерений, что влечет достаточно грубые измерения нижней части шкалы. Влияние температуры и статического давления приводит к тому, что суммарная погрешность может достигать нескольких процентов. Решением, в данном случае, становится использование таких типов датчиков, у которых нормируется основная относительная погрешность (погрешность относительно измеряемой величины). Достичь основной относительной погрешности ±0,4% удается за счет применения специальной технологии характеризации датчиков разности давления. Благодаря широкому диапазону перенастройки датчика - 200:1 динамический диапазон измерения расхода у таких датчиков составляет 14:1. Лидирующую позицию в этом сегменте занимает разработка компании Yokogawa -новая версия датчиков давления/ перепада давления DPharp. Выпуск нового продукта запланирован на 15 декабря 2014 во всех регионах, кроме Японии и Европы. Европейская премьера намечена на 2015 год. Новый прибор предаёт выходной сигнал в диапазоне от 1 до 5 В постоянного тока, а также по протоколу HART, в соответствии с требованиями, предъявляемыми при разработке и эксплуатации газовых и нефтяных месторождений. Одной из
отличительных особенностей этих датчиков является энергоэффективность (27мВт), которая достигается измененной схемой электропитания. Кроме того датчики DPharp обеспечивают точные и стабильные измерения. Базовая погрешность составляет ±0,055% и в течение семи лет остаётся в пределах ±0,1% от верхнего предела измерений[5].
Другая проблема измерения расхода комплектом переменного перепада давления заключается в требовании к прямолинейным участкам трубопровода. Обычно для этих целей используется стандартная диафрагма и суммарная длина прямолинейных участков исчисляется десятками условных диаметров трубопровода (Dy). Для решения подобной задачи используются расходомеры на базе стабилизирующей диафрагмы, например, такие как Rosemount 405 C фирмы Emerson.
Рис. 1 - Расходомер на базе стабилизирующей диафрагмы, Rosemount 405 C фирмы Emerson
Оптимальность решения заключается в том, что измерительная диафрагма имеет 4 отверстия вместо одного, что позволяет совместить в устройстве функции струевыпрямителя и измерительной диафрагмы. При установке стабилизирущей диафрагмы необходимые длины прямолинейных участков трубопровода 2 Dy до и 2 Dy после места установки, что сокращает временные материальные и трудовые затраты [6].
Современные тенденции все чаще и чаще заставляют использовать ультразвуковые расходомеры на узлах учета нефти и газа, так как они обеспечивают высокую точность измерения 0,3%, а отсутствие сужений не создает потери давлений, что вытекает в результате в существенную экономию энергии. Благодаря тому, что ультразвуковые расходомеры выпускаются в огромном диапазоне типоразмеров (ND от 25 до 3000 мм), их можно применять на трубопроводах большого диаметра для оперативного контроля и контроля утечек. Мировым лидером в области производства ультразвуковых расходомеров является немецкая компания KROHNE. Здесь можно выделить несколько видов расходомеров, которые отличаются по типу монтажа, стоимости, типу измеряемой среды и т. д. Бюджетный вариант 3-хлучевого ультразвукового расходомера для определения расхода нефти представлена моделью UFM 3030. Там, где имеются особые условия производственных процессов, такие как высокое
давление или агрессивная среда, при которых измерительные приборы, ввиду сложности своей конструкции, приобретают достаточно высокую стоимость, подойдут ультразвуковые накладные расходомеры OPTISONIC 6300. Они обладают специальными устройствами для крепления, что существенно сокращает и упрощает процесс монтажа до 20-30 минут. Эти расходомеры нашли применение на процессах нефтепереработки, которые отличаются большим количеством стадий и разнообразием получаемых продуктов, имеющих и высокую температуру, и высокую вязкость, и способность застывать при нормальных условиях. Традиционные методы измерения расходов таких продуктов с применением диафрагм требуют значительных затрат при обслуживании (обогрев, прокачка импульсных линий и др.) и не всегда обеспечивают стабильные измерения. Применение ультразвуковых расходомеров в процессах нефтепереработки позволяет решить проблемы «трудных» измерений и обеспечить надежный технологический контроль.
Для измерения расхода газов компания KROHNE выпустила ультразвуковые расходомеры OPTISONIC 7300 и ALTOSONIC V12. Измеряемой средой может быть природный газ, углеводородные газы (например, этилен), а также азот, воздух и т. д. Специалисты компании KROHNE отмечают, что в последнее время OPTISONIC 7300 стали довольно часто применять в системах регулирования процессов горения на нефте-газоперерабатывающих и химических заводах. Дело в том, что указанные расходомеры, помимо измерения расхода газов, позволяют измерить и скорость ультразвука в газе. По скорости прохождения ультразвука в измеряемом газе можно косвенно судить об энергетической ценности газа и обеспечить оптимальное регулирование процессов горения [7].
Компания Siemens также предлагает свои решения ультразвуковых датчиков, ориентированные на измерение расхода сырой нефти (SITRANS FUH1010) и газа (SITRANS FUG1010). Достоинствами этой линейки устройств является, во-первых, то, что они осуществляют поддержание точного измерения с помощью автоматической компенсации «числа Рейнольдса» при изменениях температуры и вязкости, во-вторых, их возможно применять с несколькими жидкостями, имеющими широкий диапазон вязкости, и, наконец, в этих приборах предусмотрена автоматическая компенсация общего объема вследствие изменения вязкости.
Кроме измерения массового и объемного расхода эти датчики позволяют определять границу раздела сред. Работая в таком качестве, детекторы выдают плотность жидкости, производят точную идентификацию границы раздела в трубопроводах с несколькими жидкостями. Кроме того, точность результата не зависит от наличия прямых участков [8].
Массовые расходомеры, работающие по принципу Кориолиса, подходят для измерения жидкостей и газов. Измерение не зависит от
изменений условий процесса/параметров, таких как температура, плотность, давление, вязкость, проводимость и поток.
Из-за такой универсальности
измерительный прибор прост в установке. Массовый расходомер, работающий по принципу Кориолиса, ценится за высокую точность в широком динамическом диапазоне, что является решающим аргументом для использования во многих приложениях.
Согласно приведенному выше прогнозу, кориолисовы расходомеры в ближайшее время займут лидирующие позиции на рынке этих устройств. Ведущие компании в области расходометрии предлагают свои решения. Высокая конкуренция требует, чтобы устройства не только не уступали аналогам других производителей, но и обладали уникальным преимуществом. Стоит отметить, что большинство предлагаемых продуктов имеют схожие характеристики и это делает их особенно привлекательными по сравнению с другими типами расходомеров. К таким преимуществам можно отнести следующие:
- многопараметрическое измерение (объединение функций нескольких приборов в едином корпусе);
- корректная работа вне зависимости от направления потока;
- не требуются прямолинейные участки трубопровода до и после расходомера;
- отсутствие затрат на установку вычислителей расхода;
- надёжная работа при наличии вибрации трубопровода, при изменении температуры и давления рабочей среды;
- длительный срок службы и простота обслуживания благодаря отсутствию движущихся и изнашивающихся частей;
- не требуется регулярная перекалибровка и техническое обслуживание;
- возможность работы от разных источников питания благодаря самопереключающемуся встроенному блоку питания;
- измерение расхода сред с высокой вязкостью.
- автоматическое восстановление данных для обслуживания.
В таблице 1 представлены последние модели лидеров в этой области, обладающие данными свойствами.
Таблица 1
Производитель Серия моделей
ABB CoriolisMaster
Endress+Houser Proline Promass
Emerson Process MicroMotion
Siemens Sitrans FC
Yokogawa Rotamass
Krohne Optimass
Стоит заметить, что кориолисовы расходомеры обладают и рядом недостатков. Первым, и немало значимым, является относительно высокая стоимость устройств этого класса. Однако даже среди продуктов одной компании цены могут отличаться в 2-3 раза, в зависимости от характеристик конкретного расходомера. Вторым минусом кориолисовых расходомеров являются их большие размеры. Однако, в настоящее время многие производители держат курс на создание компактных устройств. И, наконец, третий недостаток связан с недостаточной чувствительностью при измерениях с двухфазными текучими жидкостями. Это означает, что показания массового расхода (плотности) оказываются неверными. Компания Yokogawa провела исследование и дала объяснение этому явлению с акцентом на случай газа в жидкостях, так называемой «аэрацией». Вследствие наблюдений было выявлено, что последствия аэрации в кориолисовых расходомерах не контролируемы в диапазоне расходов, используемых на производстве, поэтому постоянной аэрации следует избегать. В случае краткосрочных аэраций, компанией Yokogawa в серию расходомеров PROMASS внедрена функция «обнаружения пробок» для поддержания массового выхода в присутствии газовых пузырьков [5].
В заключении, в качестве примера внедрения массовых расхдомеров, приведем данные компании Эммерсон о замене существующих на производстве смазочных масел расходомер на кориолисовы расходомеры MicroMotion.
Применение кориолисовых расходомеров на примере внедрения устройств Micro Motion на производстве смазочных масел
Крупный нефтеперерабатывающий завод в северной части побережья Мексиканского залива в США имеют крупное подразделение по смешиванию смазочного масла, где производится разнообразная продукция, включая синтетические и природные моторные масла, трансмиссионные масла, смазочно-охлаждающие жидкости и смазки.
Нефтеперерабатывающий завод использовал в своем производстве камерные расходомеры и последовательное дозирование. Погрешность камерных расходомеров при измерении различных смазочных масел и присадок регулярно приводила к ошибкам в составе смеси, и в результате требовалась значительная последующая переработка для приведения продукта в соответствие с техническими условиями.
Кроме того, проблемы технического обслуживания камерных расходомеров приводили к длительным простоям. Владелец
нефтеперерабатывающего завода был также недоволен длительностью процесса
последовательного дозирования, при котором сырье поступало в производственный резервуар последовательно, а не одновременно.
Два дивизиона компании Emerson Process Management - компании Micro Motion и Fisher _ совместно выполнили модернизацию смесительной установки для обеспечения непрерывного смешивания. Три линии подачи компонентов были
соединены с программой-планировщиком, которая может управлять режимом смешивания, запасами нефтепродукта, закупом присадок, погрузкой продукта в грузовики и автоцистерны и упаковкой.
Управление линиями непрерывной подачи компонентов осуществляется Системой Распределенного Управления PROVOX. Непрерывная одновременная подача компонентов значительно увеличила производительность предприятия. Производственные циклы, ранее занимавшие несколько дней, теперь выполняются за считанные часы.
Вследствие проведенной замены были достигнуты следующие результаты:
• Кориолисовые расходомеры Micro Motion обеспечивают высокую точность измерения. Продукт строго соответствует рецептуре, поэтому нет необходимости в последующей доработке для приведения в соответствие с техническими требованиями.
• Нефтеперерабатывающий завод теперь посылает свою продукцию с производства в вагон / цистерну.
• Промежуточное размещение нефтепродуктов в резервуаре для контрольного анализа качества было исключено как ненужное.
• Расходомеры компании Micro Motion работают без перебоев, сокращая потребность в присутствии оператора в зоне смешивания.
В результате повышения
производительности благодаря установке новых производственных линий, владелец
нефтеперерабатывающего завода смог объединить в одном месте процессы смешивания, которые раньше производились в разных подразделениях по всей стране. Объединение производства на одной территории, обеспечило значительную
экономию [9].
Выводы
Современный рынок расходомеров предлагает потенциальным заказчикам в нефтяной и газовой отрасли широкий выбор средств измерения. Существующие потребности определяют тенденцию развития этой области расходометрии в сторону кориолисовых расходомеров. Они обладают высокой точностью, что нивелирует некоторые их недостатки. Расходомеры дифференциального давления, а также ультразвуковые расходомеры достаточно прочно будут удерживать свои позиции в силу относительно невысокой стоимости и внедрения новых технологий, продиктованных развитием современной промышленности.
Литература
1. Сибирская нефть / Все выпуски / 2013 / №106 (ноябрь 2013) / «Будущее — за полной автоматизацией»
2. Исследование метрологических характеристик ультразвукового счетчика газа на эталонных расходоизмерительных установках / Исаев И. А., Хакимов Д.Р., Горчев А.И., Ганиев Р.И. // Вестник
Казанского технологического университета. 2012. Т. 15 № 18. С. 239-245.
3. Анализ течения в измерительном трубопроводе со стандартной диафрагмой методами вычислительной гидродинамики / Горчев А.И., Ермолаев С.А., Гареев Р.С. // Вестник Казанского технологического университета. 2011. № 23. С. 142-145.
4. Исследование динамических характеристик систем измерения расхода природного газа на базе стандартной диафрагмы в условиях эксплуатации / Валиев Э.Р., Николаев Н.А./ Вестник КНИТУ. 2012 с.246-249 № 9
5. Официальный сайт Производственной компании Emerson Process Management [Электронный ресурс] -Режим доступа: . http: // www.emerson.com. html// свободный.
6. Обзор зарубежной печати Журнал- Control Engeneering 2013, свободный.
7. 5. Официальный сайт Производственной компании Yokogawa [Электронный ресурс]- Режим доступа: . http: // www.yokogawa.com .// свободный
8. Официальный сайт компании Emerson Process Management [Электронный ресурс] - Режим доступа: . http: // www.rosemount.com/oilandgas // свободный
9. Официальный сайт компании Krohne [Электронный ресурс] - Режим доступа: . http: //.www.krohne.de. // свободный
10. Официальный сайт компании Сиеменс [Электронный ресурс] - Режим доступа: . http: // www.powergeneration.siemens.com. // свободный
11. Официальный сайт компании Emerson Process Management [Электронный ресурс] - Режим доступа: www.EmersonProcess.com/solutions/oilgas
© М. М. Андреева - к.т.н., доц. каф. автоматизированных систем сбора и обработки информации, КНИТУ, shadana@mail.ru; Н. А. Староверова - к.т.н., доцент той же кафедры, nata-staroverova@yandex.ru; М. Б. Нурахметов - студ. каф. ХТПНГ КНИТУ.
© M. M. Andreeva - Ph.D., associate professor, Department of Automated collection systems and information processing, KNRTU, shadana@mail.ru; N.A.Staroverova - Ph.D., associate professor the same Department, nata-staroverova@yandex.ru; M. B. Nurakhmetov - student of Chemical Technology of Oil and Gas Processing KNRTU.
