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天然氣凈化廠流量計應用現狀分析
發布時間:2019-10-22

摘要:本文簡單介紹了常用流量計的原理性能,重點分析了第一凈化廠流量計應用現狀,并結合實際生產情況,給出天然氣凈化廠不同測量介質的流量計選型建議表,同時就廠區小流量計量和內部流量儀表的計量確認問題給出了幾點建議。
0前言
  流量作為工業生產過程中的四大參數之一(壓力、溫度、液位、流量),其測量和控制在工業生產和過程控制中占有重要的地位,對流體流量進行正確測量和調節是保證生產過程安全運行、提高產品質量的基礎。隨著工業生產的發展,對流量測量準確度的要求也越來越高。第一凈化廠測量區域廣泛,流體介質復雜,流量儀表多樣,做好流量計量這一工作,對保證天然氣凈化質量、節能減排、貿易結算、提高生產效率都具有重要的意義。 
1第一凈化廠流量計應用現狀
  第一凈化廠測量區域廣泛,流體介質復雜多樣,主要有天然氣、酸氣、蒸汽、化學溶液、新鮮水、污水等,目前全廠共有包括孔板流量計、電磁流量計、渦街流量計、超聲流量計、旋進旋渦流量計、轉子流量計等在內的222臺流量計,下面針對不同的測量介質分別進行分析。
1.1天然氣系統
1.1.1原料氣
  來自集氣站的原料天然氣(濕天然氣)含有部分固、液體雜質,H2S和CO2含量較高,有一定腐蝕性。目前集氣區及凈化裝置區的原料氣計量全部選用高級孔板流量計,以便定期清洗更換孔板,防止孔板的銹蝕和入口邊緣磨損。使用過程中能夠滿足大多數測量環境,但當被測介質含有大量雜質以及水合物含量較多時,導壓管容易堵塞,且長期使用時,臟污物(原料氣氣流中含的固液雜質)將堆積在孔板的上游,造成差壓信號不準,產生計量誤差,故需要定期清洗孔板,對不合格的孔板進行更換。
1.1.2產品氣
  原料氣經脫硫、脫水工藝處理后,H2S和CO2含量大大降低,成為基本不含雜質的產品氣(干凈天然氣),其腐蝕性明顯降低。產品氣計量分為兩種情況:
  出裝置區的產品氣作為廠區內部計量,全部采用高級孔板流量計,因氣質條件明顯改變,腐蝕、臟污堵塞等現象大大減少,氣流壓力比較穩定,孔板使用狀況良好。
  作為外貿計量的產品氣,其計量準確度要求較高,除了小管徑的用孔板計量外,陜京線、靖西線、陜寧1#線等大管徑計量選用氣體超聲波流量計,測量范圍大,且體積流量不受被測流體的溫度、壓力、粘度及密度等物性參數的影響,同時由于無磨損、無示值漂移現象,可以長期保持較高的精度,屬于免維護系列,減輕了儀表工維護工作量。
  陜寧2#線選用渦輪流量計。渦輪流量計在所有流量計量儀表中屬于最精確的,作為較大管徑的天然氣貿易、交接計量,它具有良好的應用價值。根據渦輪流量計的結構特點,其對流體的清潔度要求較高,否則會磨損軸承,損壞葉輪,而產品氣中基本不含固體顆粒及液體,腐蝕性小,能夠滿足渦輪流量計的流體要求,葉片損壞率較低。
自用配氣站向甲醇廠、靖邊縣、長慶基地、燃氣電站、
  采氣三廠供氣流量相對較小,日供氣量不超過50萬,目前采用孔板計量,結構簡單,維護技術要求不高。
1.1.3燃料氣
  全廠各單元所用燃料氣來源于部分產品氣、脫硫及脫水單元的閃蒸氣(主要是輕質烴類及少量H2S和CO2),氣質情況較好,主要為裝置區脫水重沸器、燃氣鍋爐及酸氣焚燒爐所用。目前,除燃料氣罐、酸氣焚燒爐及2#鍋爐房的總燃料氣等較大管徑的流量為孔板流量計外,其余小管徑的基本采用渦街流量計旋進漩渦流量計
  200萬裝置脫水重沸器燃料氣管線為DN25的,流量一般在40-50m3/h。所用的渦街流量計在使用過程中,因有時候用氣量較小,存在計量誤差大的問題。根據渦街流量計的工作原理,它要求流體具有較高的流速,以產生旋渦,在測量氣體流量時,流速低于5m/s時計量效果不太好。經過仔細分析研究,對比考察其它小流量測量儀表的性能,在2009年檢修期間,將四號裝置區重沸器燃料氣流量計更換為帶溫度壓力補償的旋進漩渦流量計來做實驗(檢修后四號裝置尚未運行),如果計量情況良好,計劃將其余裝置的渦街流量計逐一進行更換。
  自用配氣站供1-4號鍋爐的燃料氣計量為旋進漩渦流量計,使用情況良好。該流量計對流體流速要求沒有渦街流量計高,適于低流量測量,流量計內部帶有溫度壓力傳感器,可對流量進行實時溫度、壓力補償,提高了測量準確度。
1.2酸氣系統
  天然氣凈化廠的酸氣是主要含H2S和CO2的混合氣(占酸氣總體積的95%左右),該氣體的特點是壓力低,帶有一定水汽及雜質,具有較強腐蝕性,其中的H2S是一種劇毒氣體。目前測量酸氣流量均用孔板流量計,由于酸氣具有較強的腐蝕性,孔板流量計使用一段時間后,孔板入口邊緣受到嚴重的腐蝕而造成流量測量誤差增大。另外,高含硫氣體對儀表的壽命有一定影響,硫化氫造成金屬件疲勞,縮短使用壽命,且孔板計量裝置有較多連接部位,所以增加了氣體泄漏的可能性,在維護過程中也有較大風險,存在安全隱患。
  鑒于孔板流量計在酸氣計量中存在以上不足,在2009年檢修期間,將二號裝置區的酸氣計量更換為熱式質量流量計。現在為實驗階段(二號裝置09年檢修后至今未投運),如果使用情況良好將對其它酸氣計量逐一更換。
1.3蒸汽系統
  第一凈化廠鍋爐提供的蒸汽屬飽和蒸汽,目前全廠用于蒸汽計量的儀表主要是孔板流量計和渦街流量計,這兩種儀表只適用于單相流,而不能計量濕飽和蒸汽,所以當蒸汽為濕飽和蒸汽時,就會造成超差。同時,蒸汽的最終測量結果應是質量流量,而質量流量必須通過流體密度進行換算,必須考慮流體工況變化引起的密度變化。
  1號鍋爐房蒸汽主、復線計量及200萬裝置區脫硫重沸器用生產蒸汽計量為解放軍5719廠的JKFM—16C簡易孔板流量計。在長時間測量過程中,高溫下孔板容易發生變形,致使計量誤差較大。同時在蒸汽輸送過程中,由于溫度變化,密度也相應地變化,但孔板差壓式流量計不能對蒸汽密度進行直接或間接的測量,基本采用固定值輸入,這也導致了計量誤差的存在。
各鍋爐出口、400萬裝置脫硫重沸器、甲醇回收大、小塔重沸器等單元所用蒸汽計量均為承德熱河克羅尼的VFM1091型及VFM31型渦街流量計。根據渦街流量計質量流量計算公式:
,其中,為流體密度,f為漩渦頻率。
  可知,對確定的渦街流量計,其蒸汽流量計量誤差主要由流體密度引起。由于渦街流量計在對蒸汽流量進行測量時,一般也不能同時測量流體工況變化時的介質密度,因而產生一定的測量誤差。同時,渦街流量計抗振性能較差,外來振動會使渦街流量計產生測量誤差。第一凈化廠實際生產中,蒸汽管線常發生水擊現象,有時嚴重時會使管道發出很大的響聲和強烈的振動,流體高流速沖擊會使渦街發生體的懸臂產生附加振動,使測量準確度降低,大管徑影響更為明顯。
1.4化學溶液系統
  第一凈化廠工業生產所用的化學溶液主要是用于脫硫的MDEA溶液和脫水的TEG溶液。這兩種溶液在生產過程中由于長時間的反復循環使用,溶液中含有部分懸浮物。
  200萬裝置的脫硫循環量一般約為12-13m3/h,400萬裝置脫硫循環量在100-120m3/h左右。目前用于測量脫硫MDEA溶液的是孔板流量計,由于溶液含懸浮物易造成導壓管堵塞,需定期吹掃導壓管。
  脫水循環量較小,一般分別在4-5m3/h、6-7m3/h左右,其計量選用轉子流量計。根據轉子流量計的工作原理及結構特點,其較適用于小管徑、低流速及低雷諾數的流量。在脫水循環量計量中使用效果較好。但是,由于轉子流量計內部為機械連接,安裝在循環泵出口管線時,因長時間受到較大振動,傳動部件容易松動。
1.5新鮮水、污水測量
  同樣作為水流量測量,由于水的潔凈程度不同,流體工況條件各異,流量測量范圍懸殊,測量精確度要求有高有低,選用流量計也各有特點。
1.5.1新鮮水
  第一凈化廠新鮮水計量儀表中,除外部拉運水選用現場指示型旋翼式水表外,其余均采用電磁流量計。旋翼式水表無需外部能源可直接現場讀取流量,清晰明了,操作簡便,價格便宜。電磁流量計主要用于測量導電介質的液體流量,作為體積流量測量,其測量原理中不涉及流體的溫度、壓力、密度等,無壓力損失,且測量范圍大,新鮮水作為良好的導電介質,選用電磁流量計是非常合理的。
  但是流量范圍的選型不合理也會造成一定的計量誤差。由于節能要求,2008年第一凈化廠各裝置區新鮮水流量均安裝了管徑為DN80的電磁流量計,計量范圍為4~145m3/h。由于各單元用水量較小,導致小流量計量不上,如200萬裝置區新鮮水計量,正常生產時一般低于4m3/h,因而造成較大的計量誤差,增加了維護工作量,浪費資金。
1.5.2污水
  第一凈化廠污水按性質分為三類:檢修污水、生活污水及集氣站來的含醇污水。其中,檢修污水來自裝置區原料氣分離器、原料氣過濾器排污及裝置檢修期間排污,主要含油類、硫化物、懸浮物和有機污染物(MDEA和TEG)等。其它混合污水主要是生活污水、場地、設備沖洗排水及分析化驗污水。
  廠區污水采用間歇性處理,處理量維持在5-10m3/h。目前均采用金屬管轉子流量計,使用情況良好。主要表現在三個方面:第一,進入計量前的污水基本都是經過沉降初步分離或后續工藝處理后的,其中大的懸浮物、污泥、油份等含量明顯降低,并不會對轉子產生較大的粘附而影響其上下垂直浮動,繼而影響計量結果。第二,廠區處理污水計量并不需要太高的精確度,而轉子流量計的精度一般為2.5級,是比較適用的;第三,轉子流量計結構簡單,都為機械傳動部件,出現問題方便維修,經濟實用。
  氣田含醇污水中含有大量的CO2+、Mg2+、Fe2+、HCO3-等離子,同時還含有一定量的SO42-和溶解狀的CO2、H2S氣體,具有腐蝕性。在進入精餾塔進行精處理之前,首先經過預處理,除去大部分機械雜質及CO2+、Mg2+、Fe2+等離子,同時加入了緩蝕阻垢劑,其腐蝕、結垢現象明顯減輕,由于介質具有良好的導電性,故進料量選用電磁流量計,其測量通道是一段無阻流檢測件光滑直管,使用效果較好,只需每年在檢修期間對流量計襯里進行一次清潔。
2存在問題
2.1部分小流量計量不準確
  裝置區小流量計量主要包括脫硫、脫水閃蒸氣(烴類氣體和少量H2S、CO2)、汽提氣、小股貧液和酸液回流量等。脫硫脫水閃蒸氣量一般在30-50m3/h,3-12m3/h,氣提汽量為1m3/h左右,小股貧液流量基本為0.5m3/h,酸液回流量也在0-2m3/h,其流量范圍都比較小,采用的是轉子流量計或渦街流量計。由于這兩種流量計都存在計量死區的問題(流量太小時,轉子浮不起來,測量受影響;流速太低時,渦街流量計無法形成良好的漩渦,其頻率難以檢測),致使某些小流量計量不上。另外,由于環境因素的影響或工藝條件的改變,這些流體實際流量的變化幅度較大,目前有幾臺流量計下限計量值高于實際流量值或上限計量值低于實際計量值,導致流量計無法正常計量。
2.2內部流量儀表計量確認工作難以開展
  流量儀表的周期檢定是確認其計量準確度的一項重要措施,技術監督部門制定的檢定規程都有明確的規定,進行定期“離線”實流標定或“在線”實流標定。目前第一凈化廠天然氣、新鮮水外貿計量設備由天然氣計量站統一組織進行周期檢定,而廠區內部流量計大多運行多年未進行過實流檢定,計量準確度無法確認。主要原因在于多數內部流量計不具備周期檢定條件。
  一是流量計送外檢定費用高,時間較長,裝置檢修的二十多天無法保證流量計正常檢畢運回;二是某些工藝條件限制無法拆卸或拆裝難度太大。一般只是在檢修期間檢查傳輸線路、清洗計量管路雜物、檢查流量計內部參數等,卻無法對其計量準確度進行評價確認。計量站現有一臺小氣體流量檢定裝置,只能檢定DN100以下的速度式流量計,檢定量程較小,除鍋爐燃氣的十臺流量計可以校驗外,其余都無法檢定。
3結論與建議
3.1流量儀表的合理選型是關鍵
  流量儀表的選型對儀表能否成功使用往往起著非常關鍵的作用,由于被測對象的復雜性以及儀表種類繁多、性能指標各異,使得儀表的選型極為復雜、困難。要正確、有效地選擇流量儀表,首先必須熟悉被測對象的流體特性和儀表自身性能,同時還應考慮安裝條件、環境條件和費用等多方面因素。在流體特性方面,必須考慮流體的溫度、壓力、密度、粘度、腐蝕性、導電率等;在儀表性能方面,不同測量對象有其不同側重點,主要包括準確度、重復性、線性度、流量范圍、信號輸出特性、響應時間、壓力損失等;在安裝條件方面,主要考慮儀表安裝方向、流動方向、管徑、上下游側直管段長度、維修空間等,不同原理的測量方法對安裝要求差異也很大,例如差壓式、渦輪式流量計需要長的上游直管段,以保證流體的紊流速度分布,而轉子流量計則要求較低;在環境條件方面必須考慮環境溫度、濕度、安全性、電磁干擾等;在費用方面應包括儀表購置、安裝、校準、維護等多項費用。
  根據以上選型原則,結合第一凈化廠流量計使用現狀,下面給出天然氣凈化廠各種介質流量計選型的一些建議(如表1)。
表1不同測量介質流量計選型建議表

測量介質

建議選用流量計

天然氣

原料氣

孔板流量計

產品氣

大管徑計量

超聲波流量、渦輪流量計

小管徑計量

孔板流量計、旋進漩渦流量計

酸氣

熱式質量流量計、動差式流量計

蒸汽

智能渦街流量計(帶溫度、壓力補償)

化學溶液

轉子流量計

新鮮水

旋翼式水表、電磁流量計

污水

生產、生活污水

電磁流量計、轉子流量計

氣田含醇污水

電磁流量計

小流量介質

旋翼式流量計、旋進漩渦流量計(潔凈介質)

3.2計量儀表硬件維護管理是基礎
  流量儀表的使用管理也是關鍵之一。往往儀表投運初期工作表現正常,但經過長期使用,檢測件腐蝕、磨損、積垢或堵塞,會造成計量精度下降,甚至發生故障。因此,精心維護成為提高流量計量儀表效率的基礎,對儀表本身乃至整個流量系統各環節進行日常管理和周期維修檢定,才能保證儀表的正常運行。各類流量計都應該嚴格按照標準要求進行設計、安裝、使用、檢驗等工作,同時要加強對計量裝置、儀表、管路等的檢查、維護、保養工作。
3.3關于小流量計量的建議
(1)由于多數電遠傳流量計都不同程度存在計量死區的問題,對于過小流量計量不上,因此流量計的合理選型(主要是流量計類型和測量范圍)成為小流量測量的重中之重,必須根據流體特性進行深入調研,選用最合適的流量計。旋翼式流量計和旋進漩渦流量計比較適用于小流量測量,但旋進漩渦流量計對流體清潔度要求較高。
(2)對于流量變化范圍大的小流量介質,可根據測量系統的設計,研究采用軟計量的方法,通過理論計算來確定流量。
3.4內部流量儀表計量確認的一些建議
(1)對于相同的流量計,可以通過流量計互換的方式來進行流量的比對,從而對流量計的準確性進行評估。
(2)可購置移動式超聲波流量計,只需將超聲波流量計夾持在管道上,即可測量出流量值,然后與在用流量計測量值進行比對,確認其準確度。

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