Prosessmengdemålinger, - utfordringer og løsninger

Størrelse: px
Begynne med side:

Download "Prosessmengdemålinger, - utfordringer og løsninger"

Transkript

1 Offshore Instrumentering 11. Juni 2014 Prosessmengdemålinger, - utfordringer og løsninger v/rolf Skatvedt Total Fiscal Metering AS Offshore Instrumentering

2 Prosessmengdemålinger, - utfordringer og løsninger Funksjonskrav Veien fra krav spesifikasjon til drift Driftsoppfølging Offshore Instrumentering

3 DN, 15 Mai 2015 Internasjonal oljeindustri har tredoblet sine investeringer over det siste tiåret, uten at det har gitt uttelling i særlig økt produksjon. Ingeniørtimer i sammenlignbare byggeprosjekt har økt med 70 % Livssyklus informasjon (LCI) med 304 % Margareth Øvrum Statoils teknologi direktør 3D-modelleringsverktøy og større datakraft har paradoksalt nok ikke gjort ingeniørene mer effektive. 3D teknologi skaper et enormt behov for informasjonsinnhenting, og krever derav flere ingeniørtimer. Offshore Instrumentering

4 Materialbruken økte. Kabellengder gikk opp med 37 % og passiv brann-beskyttelse økte med 68 %. Hva med feltbus og feltinstrumentering, bare tull? Prosjekt kostnader kontra driftskostnader? Dårligere effektivitet og mer dokumentasjon, etc. Kunnskap kontra kompetanse! Hva med 58+ pakker, etc Har vi havnet I kursfellen? Hva er effekten av myndighet / selskapspålagte kurs som skal gjennomføres og repeteres regelmessig? Offshore Instrumentering

5 Styringsmodell i henhold til Statoil - boken Mye god dokumentasjon, men er den implementert og forstått ute i organisasjon? Oppgave Gjennomføring Leveranse Forstå oppgave og risiko Identifisere og forstå krav Håndtere risiko Utføre oppgaven Evaluere resultat Ta ut læring Offshore Instrumentering

6 Prosessmengdemålinger, - utfordringer og løsninger Prosjekt periode Petroleumsletning (Exploration) Utbygging (Development) Drift (Production) Dårlig data (eksempelvis brønntesting) i utgangspunktet gir større usikkerhet i fasene som følger etter. Offshore Instrumentering

7 You do things right because you have experience. You have experience because you did things wrong. Her legges premissene for et godt slutt resultat Konsept studie Basis for design FEED PUD Detalj Eng Innkjøp, Fabrikasjon, MC & FAT Installasjon, Uttesting. igangkjøring Påse / Kontroll / godkjennelses rolle Finans (avtaler / kontrakter) Produksjon Kommersiell (avtaler / kontrakter) Teknologi (TA roller, etc) Kvalitetssikringssystem og kvalitetskontroll Kompetanse oppbygging er en evigvarende prosess, ref personell innplassering Intern verifikasjon Myndigheter Lisens partnere Database Arkiv Standarder, beste praksis, verktøy, etc Offshore Instrumentering

8 Offshore installasjoner = Mange prosessmålinger Vanlig med blåkopi selv om det er ulike krav / mål og utfordringer Satellitter Eksos Brenn gass Fakkel gass M M M M M Test sep M M M M Gass eksport Produsert vann Sjøvann M Prosess M M M M M Lager M M M M Gass løft Fiskal CO 2 avgift Allokering M Reservoar Gass injeksjon Vann injeksjon M M Olje eksport Offshore Instrumentering

9 Prosessmengdemålinger, - utfordringer og løsninger Funksjonskrav (ref. basis for design) Sette opp og svare på relevante spørsmål. Hvilken type prosess er det vi har med å gjøre? Hva er hensikten eller målsetningen med målingen? Hvilken mengde måleenhet skal rapporteres? Hvilken nøyaktighet og pålitelighet kreves? Offshore Instrumentering

10 SP MV FT PID Controller Out Hva er hensikten / målet med målingen? Regulering eller måling for kjøp/salg, avgift eller kvote beregning. Primær måler Sekundære målere FT TT PT DT Offshore Instrumentering

11 Oppgave Prosjekt leveranse Mål Utgangspunkt PVT, Prosessdata fra exploration fasen Basis for design Mål Hva skal leveres? DPR, MPR Offshore Instrumentering

12 Prosessmengdemålinger, - utfordringer og løsninger Utfordringer Levere resultater bedre eller lik oppsatte mål. Mål for et hvert målepunkt bør minimum inkludere usikkerhet, pålitelighet, vedlikehold / kalibrering, etc. Offshore Instrumentering

13 Måleforskriften til Oljedirektoratet Kapittel III. Generelle krav til måling og målesystemet 8 Tillatt måleusikkerhet Målesystem Usikkerhetsgrenser ved 95% konfidensnivå (utvidet usikkerhet med dekningsfaktor k=2) Salg og allokeringsmåling av olje Salg og allokeringsmåling av gass. Salgsmålinger av LNG Brenselgassmåling Fakkelgassmåling ± 0.30 % av standard volum. ± 1.0 % av masse. ± 0.50 % av målt energi innhold pr skips last. ± 1.5 % av standard volum. ± 5.0 % av standard volum. Offshore Instrumentering

14 Måle usikkerhet Produksjonsverdi pr. år = 21, 9 milliarder Norske kroner Usikkerhet i Norske kroner * 100 * 6 * 365 * 0, = +/- 65,7 millioner pr. år Produksjon = barrels / dag Pris pr barrel = 100 $ Norske kr pr. $ = 6,-- Dager pr år = 365 dager Måle usikkerhet = +/- 0,30% Offshore Instrumentering

15 Måleforskriften til Oljedirektoratet Kapittel III. Generelle krav til måling og målesystemet 8 Tillatt måleusikkerhet For målesystemets delkomponenter gjelder følgende maksimum grenser, se utdrag av tabell under: Delkomponent Sløyfeusikkerhets grenser Usikkerhetsgrenser til komponent / linearitetsbånd Rørnomal olje NA 0,04 % for alle volum Tubinmeter olje 1 puls av , 0,001 % ved puls overføring av målesignal Ultralydmåler olje 1 puls av , 0,001 % ved puls overføring av målesignal 0,25 % i arbeids området (10:1) bånd: 0,50 % (10:1) og 0,30 % (5:1) 0,20 % i arbeids området (10:1) bånd: 0,30 % (10:1) Repeterbarhet grenser 0,02 % for alle 4 volum 0,027 % usikkerhet, ref. tabell B1, API MPMS ch ,027 % usikkerhet, ref. tabell B1, API MPMS ch Offshore Instrumentering

16 Prosessmengdemålinger, - utfordringer og løsninger Utfordringer Levere resultater bedre eller lik oppsatte mål. Mål for et hvert målepunkt bør minimum inkludere usikkerhet, pålitelighet, vedlikehold / kalibrering Prosesser og prosessmedier er forskjellig og for å oppnå gode løsninger er man avhengig av tverrfaglig kompetanse og/eller kopiering av løsninger som man av erfaring vet fungerer. En løsning som man av erfaring vet fungerer et sted er imidlertid ikke en garanti for at den virker i andre omgivelser, ref at petroleum fluider (gass, væske) kan ha store variasjoner i beskaffenhet. Offshore Instrumentering

17 Prosess kompetanse (kunnskap + praktisk driftserfaring) og industriell instrument forståelse en forutsetning for å komme frem til gode prosess mengdemålinger. Klare mål og gode prosjektplaner /oppfølging kjennetegner vellykkede prosjekter og derav god drift. Offshore Instrumentering

18 Oljedirektoratet Miljødirektoratet MRR EU direktivet Krav til total kombinert måleusikkerhet Risiko = Sannsynlighet * konsekvens Pålitlighet Terminologi må forstås Offshore Instrumentering

19 Mange forskjellige mengdemåling prinsipper, fordeler og ulemper. En vellykket leveranse langt mer en valg av mengdemåler. 1 2 Offshore Instrumentering

20 Det internasjonale målesystemet (SI) (Sporbarhet er en forutsetning for nøyaktige målinger) Kuwait Nigeria Kina USA UK Metrologien i Paris, referanse punktet for alle målinger i verden Usikkerheten øker med avstand til Paris - Usikkerhet i kalibrerings referansen / standarden - Egen usikkerhet (repeterbarhet, linearitet) - Tilleggs bidrag (eks. klimatiske forandringer) - Tid / aldring Tyskland Danmark Russland Norge (Nasjonale standarder) Primær standarder Sekundær standarder Transfer standarder Bruks standarder Måle redskap Offshore Instrumentering

21 Måleforskriften til Oljedirektoratet Usikkerhetsberegning / angivelser Total kombinert måleusikkerhet for målestasjon er gitt av enkelt komponentenes usikkerhetsbidrag og usikkerhetsberegninger beskrevet i ISO Guide to Uncertainty of Measurement (GUM). Usikkerhet kan angis absolutt (eksempelvis i mm) og relative usikkerheter (normalt i %) Hva er den totale relative usikkerheten for en mengdemåling dersom hastigheten i m/s har +/- 0,1 % relativt usikkerhet, og denne er målt av mengdemåler som utgjøres av et sirkulært rør, diameter 100 millimeter og absolutt usikkerhet lik +/- 0,001 millimeter? Offshore Instrumentering

22 Dårlig repeterbarhet =Dårlig nøyaktighet Måling for kjøp /salg? God nøyaktighet = God repeterbarhet Måling i en reguleringssløyfe? Offshore Instrumentering

23 Mengde = Pulser / K-faktor K-faktor (pulser/m3) Hvorfor er kalibreringskurven som vist? Repeterbarhet Linearitet Reynoldstall, viskositet Rangeability, etc, etc Strømningsrate (m3/h) Offshore Instrumentering

24 Olje målt med turbin meter Turbine meter Meter A Pulses B Pulses Alarm(s) Puls Integrity check 1/K-factor X Gross Volume (m 3 ) PT TT Calibration constants API referral (Ctlm & Cplm) T B, P B K0, K1 C W X X Gross Standard Volume (Sm 3 ) Net Standard Volume (Sm 3 ) Stock Tank TT DT PT f Density ρ B ρ o60 ρ w60 Lab Density base conditions SPG -1.1 (kg/m3) APIº Density vacuum X Barrels (bbl) 6, X Weight metric (ton) 1/ X Long ton Offshore Instrumentering

25 Volum varier med trykk og temperatur Temperatur og trykk er tilstands variable som påvirker volumet til en petroleum fluider (væsker og gasser), og må tas hensyn til ved volumetrisk mengdemåling. Atmosfære T=30 C T=15 C T=15 C T=15 C Temperatur påvirker volumet Trykk påvirker volumet Standard (Sm 3 ) betingelser m.h.p. temperatur og trykk er 15 C og 101,325 kpaa Offshore Instrumentering

26 Trykk korreksjonsfaktor Cplm (i henhold til API M Manual of Petroleum Measurement Standards, MPMS) Korrigerer for at væske volumet som flyter gjennom måleren, forandrer seg ved trykkendringer. C plm 1 ( P 1 P vp ) F F e 1000 ABT ( CDT ) hvor: hvor: P = Operasjonstrykket i meteret (barg) Pvp = Likevektstrykket til væsken, settes til 0 for stabilisert olje F = Kompressibilitetsfaktor for væsken ved målt temperatur A = -1,6208 B = 0, C = 0,87096 D = 0, ρ = Tetthet ved referansetemperatur og trykk T = Operasjonstemperatur ( C) Offshore Instrumentering

27 Typisk Fiskal olje målestasjon MSC DP FT FT PT TT WC FE DT DT AE AE FT DP FT FT PT TT PT TE FE DP FT FT PT TT FE TT PT ZS ZS PT TT ZS ZS Offshore Instrumentering

28 Prosess Dynamikk Τ = R * C 3 m 6 m 3 m FT 4 m 4 m 6 m Q = Kapasitet = 6 x 4 x 3 = 72 m 3 C = Kapasitans = 72 / 6 = 12 m 3 /m Q = Kapasitet = 6 x 4 x 3 = 72 m 3 C = Kapasitans = 72 / 4 = 18 m 3 /m Offshore Instrumentering

29 Anti Surge Controller (ASC) FT PT TT PT TT Forbruker Utfordringer? - Tidsrespons Kompressor Offshore Instrumentering

30 Eksos Gass Turbin FT PT TT Fuel Smart og plassere omløp / bypass linjen lavere? Luft Offshore Instrumentering

31 PC Varme kg M HC fluid Gass LC kg LC kg M Booster pumpe Olje kg MPFM M Vann Utfordrende målinger Offshore Instrumentering

32 Retrograde Offshore Instrumentering

33 Volum addisjoner av olje er nødvendigvis ikke lik summen av det som kommer inn. A = 10 Sm 3 B = 100 Sm 3 Ideelt = 110 Sm 3 C = A +B B = 100 Sm 3 Praksis mindre enn C = 110 Sm3 A = 10 Sm 3 Offshore Instrumentering

34 Daniel Bernoulli, Swiss Mathematician, published in 1738 Offshore Instrumentering

35 Bernoulli s likning i praksis FT PT TT Offshore Instrumentering

36 m 3 /h Manuell Inputs: Eks D og d Flowcomputer Qm = K ΔP ρ Δm = Qm syklustid M = m + Δm ΔP P- ΔP- ρ- T- måler måler måler måler Gasstrøm Offshore Instrumentering

37 Q V 3600 d P C D Offshore Instrumentering

38 Friksjonstapskoeffisienten C D kan for en måleblende bestemmes etter følgende formel: C D Når 6 0,75 4 2,1 8 2, ,5959 0,0312 0,184 0,0029 0,09 1 0, Re L L D 1 4 L 0, (=0,4333), benyttes 0, ,090 1 For flens trykkavtappninger er: Ekspansjonskoeffisienten ε skal korrigere for at vi som funksjon av ekspansjon får en temperatur avkjøling: ,41 0, 35 L1 L2 P P 1 25,4 D C D β ε 1 ΔP κ P 1,der D settes inn i millimeter = Friksjonstapskoeffisienten = Diameterforholdet mellom måleblenden og strømningsrøret Re D = Reynolds tall = Ekspansjonskoeffisienten = Differensialtrykk over måleblenden (Pa) = Isentropisk eksponent (kappa) = Trykket oppstrøms måleblende (Pa) Offshore Instrumentering

39 Blokkdiagram kalkulasjoner basert på måleblende A PDT PDT PT B Alle kalkulasjon blokkene trenger manuelt innlagte data ISO 5167 m 3 /h PTZ Sm 3 /h Calc Masse (kg/h) Volum (Sm 3 /h) TT kg/m 3 Energi (MJ/h) S&H DT TT DP GC Tetthet kalk H 2 S Kalkulert Z r AGA 8 Gass konsentrasjoner (mol %) Z 0 kg/sm 3 MJ/Sm 3 ISO 6976 Offshore Instrumentering

40 Ventilasjon Analyse ovn Prosess Prøve Prøve behandling Ventil system Kolonne system M R Detektor Regulator mv Utsignal Prøvetaking probe Chromatogram Prosess rør C3 C2 C1 Kalibrering gass Bære gass Tid Offshore Instrumentering

41 Gass kalkulasjoner Tilstandslikning for gasser er svært viktig sammen med bruk av akseptable standarder og iterative kalkulasjoner Offshore Instrumentering l l l l s s s s Z T V P Z T V P Z T R n V P

42 Typisk gass metering linje GC (Gas Chromatograph Temperatur Gas Flow computer Trykk Temperatur FC v 1 v 2 v 3 v 4 Densitometer Offshore Instrumentering

43 Blokkdiagram gass kalkulasjoner basert på USM Gass konsentrasjoner PT TT AGA 8 ISO 6976 Z r Z o kg/sm 3 MJ/Sm 3 GC USM (AGA 9) m 3 PTZ Sm 3 Calc Masse (kg) Volum st (Sm 3 ) Nei = alarm Like? Ja = ok Energi (MJ) AGA 10 Diagnostisk service software Offshore Instrumentering

44 Ex Område Sikkert Område Power Supply DC ma + HART 3 Zener barriære TX - Termineringsenhet Ω AI kort MUX A/D PGA Offshore Instrumentering

45 Optimal drift av prosessmengdemålinger krever at prosjektet har levert over et godt stykke håndverk innenfor alle fag disipliner Technical Discipline Support, ref QA, QC, etc Calculation / sizing software, etc Offshore Instrumentering

46 Prosjekt leveranse Målstyrt prosess, - Tydelig klargjøring av målet og status med hensyn på hvor man starter. Gapet eller strekningen som skal tilbakelegges må identifiseres på best mulig måte. Hovedprosess bør deles opp i del prosesser. Planlegge, Gjennomføre, Måle / Evaluere Korrigere Proaktiv korreksjon Reaktiv korreksjon Mål (SP) Målt (MV) tilstand PID Controller Prosess / Prosjekt Korreksjon Offshore Instrumentering

47 Integrasjon / sammenkopling av moduler og systemer 47

48 Offshore Instrumentering

49 Support, - Vibrasjon Impulse tube, - korrekt forlegning Fittings, over / undertrekking Heat trace Isolering PT God Support? Offshore Instrumentering

50 Verifisering av Exi beregninger. Hvilken kabel er benyttet og hvor mye kabel er virkelig trukket ut i felt? Offshore Instrumentering

51 Beregning av kalibreringsfaktorer Kalibrering av mengdemålere har som hovedhensikt å fremskaffe en mest mulig nøyaktig kalibreringsfaktor (K-faktor eller Meter faktor ) for mengdemåleren som er inne til kalibrering. En av forutsetningene for at vi kan gi vårt meter en "god" kalibreringsfaktor er at meter repeterer godt, eksempelvis er det ved kalibrering av turbinmeter brukt for fiskal oljemengdemåling et krav at det innenfor 5 påfølgende kalibreringer ved ellers like betingelser ikke skal være enn større spredning i kalibreringsfaktor resultatene enn 0,05%. Offshore Instrumentering

52 Ex Område Sikkert Område Power Supply DC ma + HART 3 Zener barriære TX Termineringsenhet 250 Ω AI kort MUX A/D Stimuli Måle del PGA Multifunksjonskalibrator Offshore Instrumentering

53 Power Supply En stabil kilde som stimulerer kaliberings objektet med påkrevd størrelse, eksempelvis trykk (barg). Dette kan være en del av en kalibrator, men nødvendigvis ikke. Justeringer? Nei Kalibrering objekt <> ok? Ja Process Computer (SAS) DB IMS, PI, SAP, etc Kalibrator Sertifikat Offshore Instrumentering

54 Typisk kalibrering prosess Start Adjust as needed As found test Save As found results Within limits? Yes No No Adjustment required? Yes As left test Save As left results End Offshore Instrumentering

55 License owners Operator Life Cycle Concept Data acquisition & archiving Norwegian Authorities Concept / Feasibility studies FEED (Front End Engineering Design) Measurement description Combined uncertainty declaration according to GUM Cost / benefit evaluation of alternatives NORSOK I / I Standards, ISO, API, AGA, ASTM, etc. Detail Engineering Procurement and fabrication Mechanical Completion (MC) Factory Acceptance Test s (FAT s) Installation & MC Commissioning, MC & CAT No Quality Assurance (QA) system according to authority requirements PDO Approval? Yes Authority / internal Audit / verification Quality Control (QC) Ideal Present Approved Operation Application for consent to be sent Norwegian authorities in due time before planned start-up Offshore Instrumentering

56 Om resultatet ikke var som planlagt, gjøres forbedringstiltak ved å modifisere prosessen Først planlegger vi hva som skal gjøres Forbedre Planlegge Vurdere Gjøre Resultatet evalueres De planlagte aktivitetene gjennomføres Offshore Instrumentering

57 You do things right because you have experience. You have experience because you did things wrong. Her legges premissene for et godt slutt resultat Konsept studie Basis for design FEED PUD Detalj Eng Innkjøp, Fabrikasjon, MC & FAT Installasjon, Uttesting. igangkjøring Påse / Kontroll / godkjennelses rolle Finans (avtaler / kontrakter) Produksjon Kommersiell (avtaler / kontrakter) Teknologi (TA roller, etc) Kvalitetssikringssystem og kvalitetskontroll Kompetanse oppbygging er en evigvarende prosess, ref personell innplassering Intern verifikasjon Myndigheter Lisens partnere Database Arkiv Standarder, beste praksis, verktøy, etc Offshore Instrumentering

58 Offshore Instrumentering 2014 Prosessmengdemålinger, - utfordringer og løsninger v/rolf Skatvedt Takk for oppmerksomheten. Offshore Instrumentering