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天然气流量计选型及应用分析
关键字:天然气流量计    日期:2019-10-28 8:41:45

摘要:随着天然气能源不断开发利用,人们对天然气计量技术的研究和发展越来越重视。本文详细介绍了国内天然气流量计的发展现状、常用的流量计的基本原理及其优缺点以及天然气流量计的选型方法、应用分析。

1. 国内天然气流量计的发展及现状

随着能源利用技术的不断发展,天然气作为一种热值高、低污染、低排放的一次能源和附加值较高的化工产品,在经济社会中的生产与应用范围也不断加强与提高。随着天然气计量手段的不断改进和完善,适用于不同工况条件的新型计量仪表相继问世。从流量计的使用整体上看,20世纪70年代形成了孔板流量计使用高潮,80年代涡轮流量计兴起,90年代中后期则掀起了超声流量计热潮。随着工业生产的发展,对流量测量的准确度和范围的要求越来越高,流量测量技术日新月异。为了适应各种用途,各种类型的流量计相继问世。目前已投入使用的流量计已超过100种。

目前我国生产的天然气流量计还是以中低端产品为主,一定程度上满足生产需要却也存在很多问题,产品使用时间短,操作时也可能出现不灵的情况,自主生产的企业专业性还有待提高。在市场的巨大需求和国家的技术支持下,未来天然气流量计的发展空间非常大。

2. 国内天然气常用流量计的介绍

目前,国内用于国内气田开发的流量计主要由以下几种:

2.1 孔板流量计

孔板流量计在用于天然气流量测量的仪器仪表中,研究最早最细、实验数据最多、使用经验最丰富、标准化程度最高的是孔板流量计。其主要特点为结构易于复制、简单牢固、性能稳定可靠、使用期限长、价格低廉等。整套流量计由节流装置、差压变送器和流量显示仪(或流量计算机)组成,但是尺寸一定的孔板测量范围有限;压力损失大;前后直管段要求长,占地面积大;输出信号为模拟信号,重复性不高;对整套流量计的精确度影响因素多且错综复杂,很难提高测量精确度。

2.2 腰轮(罗茨)流量计

罗茨流量计是容积式流量计的一种,其利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分,根据计量室逐次、重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流量体积总量。气体罗茨流量计准确度高,量程比大,计量室不需要直管段,对流场没有严格要求,因此在我国有较好的应用前景;但在使用中仍存在以下缺点,一是由于流量计转子与壳体之间间隙小,要求介质非常干净或选择过滤器来防止卡堵,并特别注意在投产使用前,气体应走旁通,以防施工中的焊渣、杂质进入流量计。罗茨流量计一旦发生腰轮转子卡住,必须要切断供气,因此它的应用受到一定影响。

2.3 涡轮流量计

涡轮流量计也是一种容积式流量计,流动流体的动力驱使涡轮叶片旋转,其旋转速度与体积流量近似成比例,通过测量转子的转动次数来计量气体流量。涡轮流量计的优点是测量范围(量程比)宽,新表重复性好,准确度高,结构轻便,脉冲量输出,便于和计算机配套。但由于国产涡轮流量计设计结构、加工精度及材质等方面的原因,叶轮轴承易被介质中杂物磨损或卡死,实际使用效果不太理想,因此在油气田中使用不多。

2.4 涡街流量计

涡街流量计是基于卡门涡街原理制成的一种流体振荡型流量计。仪表内部无可动部件,构造简单,稳定可靠、使用寿命长、维护量小、压力损失小、量程宽。但由于其对雷诺数有要求(Re4000),使得使用范围受到限制且流体流速分布情况和脉动流将影响测量准确度,当旋涡发生体被玷污后也将给测量结果带来误差。国内涡街流量计大多采用应力式压电晶体检测元件,抗干扰性能差,不适合在有振动干扰的管网中应用,作贸易计量的可靠性差。因此,很少推广[2]

2.5 旋进旋涡流量计

旋进旋涡流量计主要由流量传感器(流量计壳体、旋涡发生体、压电传感器、除旋整流器)、智能流量积算仪、压力变送器温度变送器等组成。其原理是旋涡流量计插入管道中并垂直于气体流向,由此产生交替变换的旋转涡流并不断排出。涡流生成频率是流速的函数,检测其生成频率就可测得流量。这种流量计无运动件,结构简单,传感器不接触流体,可靠性高、维护量小;且量程比大;不受流体的温度、压力、粘度及成分的影响,与流速成线性关系。但压力损失较大,对于低压力场合使用不很理想;受强烈的机械振动和磁场干扰影响很大。

2.6 超声波流量计

20世纪90年代气体超声波流量计开始应用于天然气流量计量,它是通过测量超声波信号在管内沿一定方向传输的时间来测量气体流速,再结合测量管段截面积计算天然气流量。其测量值不受管内气体温度、压力及组分变化的影响,准确度高,可达0.5%;测量范围宽,可适应极低流速(0.5m3/s以下);无可动部件,坚固耐用;其缺点在于价格昂贵,对于小口径管道测量准确度低。

3. 天然气流量计的选型

选型是流量计使用前的一项重要工作,不合理的选型往往给天然气生产、计量工作造成了极大的不便,有时甚至带来不必要的经济损失,因此根据使用条件合理选择流量计具有十分重大的意义。

天然气流量计在选型时需要考虑的因素很多,主要有:仪表性能(精确度、重复性、线性度、测量范围、压力损失、上下限流量等);流体特性(流体压力、温度、密度、粘度、润滑性、化学性质、腐蚀、脏污、气体压缩系数、等熵指数、比热容、混相流、脉动流等);安装要求(管道布置方向、流动方向、上下游直管段长度、管径、维护空间、管道振动、辅助设备(过滤、排污)等),环境条件(环境温度、湿度、安全性、电磁干扰、防爆等),维护需求以及价格等因素(购置费、安装费、维修费、校验费、运行费(能耗)、使用期限、备品备件等)。其中对测量对象(即流体的实际状况)的确切了解非常重要。

对于油田湿气(伴生气),其中含有大量饱和水蒸气,温度降低时有水凝结;分离不净的湿气含有油滴或油污,属脏污介质;间断计量,将有油、水沉积在管线内;而且每口井产气量相差较大,造成流量变化大,难有适应的流量仪表。一般情况下,旋涡流量计可用于小口径非节能的计量场合;气体容积式流量计可用于气体条件相对洁净,计量准确度要求较高的分配计量场所;对大口径湿气输送仍只能采用孔板流量计,但要采取提高准确度的措施(如孔板加疏水孔或进行补偿等)

对于温度在-40+400℃,Re50007000000的液体、气体或蒸汽,流速在最高流速(蒸汽、气体为75m/s,液体为9m/s)和最低流速(管口公称直径在DN25300范围内最低流速:之间,可以使用旋涡流量计。因旋涡流量计压力损失较大(且国产表抗干扰能力差),在计较压损的调压站中一般不采用。

由于涡街流量计没有可动元件,使用中几乎没有磨损,坚固耐用。所以在天然气生产计量中也有所采用。但是涡街流量计的使用范围受斯特劳哈数S t限制(Re4000),即流量较小时,流速达不到要求,也就无法计量准确,所以选用时要考虑管输的最小流量。[3]

一般流量取在流量计最大流量的70%80%左右,实际最大流量一般不超过流量计允许最大流量的120%,持续时间不允许超过半小时。同时对流量计流量范围的超下限也要十分重视,因为计量误差影响因素较大的多来之于此。

4. 国内天然气流量计的应用分析

4.1 孔板流量计应用

孔板流量计20世纪初期就用于天然气流量计量,现在已形成标准化。其结构简单、性能较为可靠,价格低廉。对于常规气藏,采用差压式孔板流量计即可实现基本计量,且经济实用。每只孔板流量计都规定有最小雷诺数Rm i n,实际使用时应该保证所测流量在该最小流量以上才不至于引起误差的增加[4],除不能测量较小流量的气体,由于孔板设计的局限性,对于较大流量的气体在使用孔板流量计计量时也会产生较大误差。

普光气田具有气藏高酸高压、地质构造复杂等特点,气藏平均井深近6000米,地下压力达到55MPa以上,气藏中硫化氢含量高达15%,二氧化碳含量高达8%,因介质的特殊性(井口采出气,气质较脏),选用高级孔板流量计。高级孔板阀能够实现在线更换孔板,可应对气量的变化和气体的腐蚀。

4.2 腰轮(罗茨)流量计的应用

在常规天然气矿场集输与处理过程中,常用的容积式天然气计量仪表主要有罗茨式流量计,因其受流体密度、粘度影响小,对流体状态、速度无特殊要求,可用于湿气藏、凝析气藏的流量监测,因此在大庆、塔里木轮南油田单井湿气、凝析气计量中应用较多。

4.3 涡轮流量计应用

涡轮流量计是目前天然气流量计量中比较常见的计量仪表,涡轮流量计采用的是体积计量的计量方式,我国西气东输一线、二线和川气东输管线上也大量的使用涡轮流量计进行贸易计量。

由于各种因素的影响,涡轮流量计在实际应用的过程中还是存在一些问题。常见的问题有:无信号、运转速度忽慢忽快、涡轮流量计不计数、负偏差增加(准确度降低)以及设计流量与实际流量不匹配等。

4.4 涡街流量计应用

大涝坝天然气处理站进站天然气总计量仪表选用的是涡街流量计,使用中其误差主要表现在杂质、C O2H2O、无机盐、蜡对检测元件的腐蚀、磨损、粘附引起的测量误差。目前使用情况较差,建议选用不与介质直接接触的超声波流量计或抗污染能力较强的孔板流量计。

其余涡街流量计使用点计量的天然气(液化气)气质干净、供气平稳(扰动小),因此计量准确度较高,是较为理想的流量计。

4.5 旋进漩涡流量计应用

新疆雅克拉天然气处理站燃料用气计量仪表选用了旋进漩涡流量计,由于雅克拉站燃料气气质干净、流量稳定,因此使用情况较好。

中原油田各集、输、配气站选用了旋进漩涡流量计,在流体通过节流使旋涡流动加速会产生压力损失。在使用中应注意测量介质尽量保证单一牛顿体。

4.6 超声波流量计应用

在我国长输和集输管道工程实践中,因常规孔板流量计在高压、大流量计量方面,受到自身结构的限制而显示出其局限性,其使用条件、使用范围和对管道的要求条件苛刻,流程比低、压损大、精度低,检定不方便。针对这些不足,苏里格气田采气三厂在中燃、长蒙、长乌临、内蒙周边用户等外贸计量装置使用超声波流量计,使用后运行平稳,计量准确,较其他天然气常规计量设备综合成本低,在气田计量中具有较高使用和推广价值。

5.结束语

虽然我国有较丰富的天然气资源,但是天然气的利用却严重滞后,目前启动的西气东输工程就是能源结构调整的序幕,今后几十年内天然气的使用百分比将持续快速地上升,在2015年前后,预计将达到10%以上。但国内没有天然气计量设备的统一标准,难以与国际接轨。我们应该积极学习外国气体计量技术的先进经验,引进国外先进技术,努力提高我国气体计量技术水平,并需要加大加强注重流量计在天然气田运用的选型方法的学习。

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