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  天然气涡轮流量计的应用与故障分析
  发布时间:2018-06-21

摘要:基于天然气涡轮流量计的测量原理,探讨了其起始流量和安装方法。在适当的起始流量下,流量与转速呈线性关系;推荐在流量计入口和出口端各加接一定长度的直管段,若安装空间不能满足要求,可在阻流设备与流量计之间安装整流器,避免因气体流态改变影响流量计转子的转动。分析了天然气涡轮流量计在运行过程中的常见故障:天然气正常流动,流量计不计数;未作减量操作,流量显示逐渐下降;天然气不流动,流量显示不为零。针对以上故障,分别给出了相应的操作维护方法。结合应用实例,提出了天然气涡轮流量计在使用过程中的注意事项。
  随着西气东输、川气东送等长距离、大口径、高压力的输气管道的建成投产以及国家天然气输配网络的逐渐形成,管道运营商对天然气贸易计量的科学性、可靠性、公正性提出了更高的要求。依赖电子技术、互联网和计算机技术的迅猛发展,天然气计量方式亦向自动化、智能化、远程化方向发展,目前天然气涡轮流量计已经实现了实时、在线、远程控制,并逐步向涡轮流量计、变送器、SCADA系统、色谱分析仪等组成的智能计量系统方向发展。
  由于涡轮流量计灵敏度高、重复性好、量程比宽、结构紧凑,因此广泛应用于工业贸易计量。在设计标准方面,欧洲PrEN12261[1]是目前气体涡轮流量计最全面、最具针对性的标准规范,在计量性能、材料要求、输出、标记、文件资料等方面对气体涡轮流量计提出了具体要求[2];其他设计标准还包括美国AGANo7[3]、国际标准化组织ISO9951:1993[4]、国际法制计量组织OIMLR137-1[5]、日本JISZ8765-1980[6]等。国内主要采用GB/T18940-2003[7]进行涡轮流量计的设计。
1涡轮流量计的测量原理
  涡轮流量计是一种速度式流量仪表,测量本体是涡轮流量传感器,主要由叶轮和磁电感应线圈组成,叶轮轴心与管道中心相同,可以自由转动,其叶片与气体流动方向成一定角度。在流体冲击下,涡轮沿管道轴向旋转,其旋转速率随流量变化而不同,流速越高,动能越大,涡轮的转速也越高。涡轮的转速经磁电感应转换器转换为相应频率的电脉冲,通过显示仪表进行积算和显示(图1)。
涡轮流量计工作原理示意图
  涡轮流量计通过不同的计算方法,可分别显示累计流量和瞬时流量。当涡轮叶片切割壳体内永久磁钢产生的磁力线时,将引起传感线圈磁通的变化,磁通周期变化信号经前置放大器放大、整形,产生与流速成正比的脉冲信号,脉冲信号经流量积算电路换算后显示累积流量值,同时经频率电流转换电路转换成模拟电流量,进而显示瞬时流量值(图2)。
涡轮流量计流量计算流程示意图
2涡轮流量计的应用
2.1起始流量
  涡轮叶片克服摩擦力做功,当气体流量较小时,叶片未启动旋转,导致涡轮流量计存在计量盲区。当压力、温度,密度等气体参数发生改变时,涡轮流量计的起始流量也会发生相应变化。被测天然气的静压增大时,所测流量范围也相应增大,同时天然气的密度会引起不同的压损。气体涡轮流量计适合流量幅度较大的场合,但当气量过小时,涡轮流量计不能克服摩擦力矩转动。气量大于一定值后,流量与转速呈线性关系;受叶轮强度、气流压损、轴承寿命等条件的限制,气流量也不宜过大。大多数涡轮流量计在大气压下的测量范围是1:10~1:30,准确度可达到±0.5%~±1.0%[8]。
2.2安装要求
  涡轮流量计对管输天然气的流态非常敏感,而流量计入口前端的阻流设备(分离除尘、管道弯头、旋风分离器和过滤器等)可能使流态改变而影响转子的旋转。为此,一般推荐在涡轮流量计入口和出口端各加接一直管段,其入口端长度不小于10倍管段内径,出口端长度不小于5倍管段内径。若安装空间不能满足上述要求,可在阻流设备与涡轮流量计之间安装整流器。另外,变送器电源线需采用金属屏蔽线,且接地良好可靠。
3故障分析与维护处理
  天然气正常流动,涡轮流量计不计数。故障分析:电源线、功能选择开关和信号线有无断路或接触不良;显示仪内部印制电路板、接触件有无接触不良;线圈是否良好;叶轮是否碰撞传感器内壁,有无异物卡住,轴和轴承有无杂物卡住或断裂。维护处理:用欧姆表排查故障点;印制电路板故障检查采用替换“备用板”法,换下故障板再作细致检查;检查线圈有无断线和焊点脱落;去除异物,清洗或更换损坏零件,复原后气吹或手拔动叶轮,应无摩擦声,更换轴承等零件后应重新校验,求得新的仪表系数。
  未作减量操作,流量显示逐渐下降。故障分析:涡轮流量计前的过滤器是否堵塞;流量传感器管段上的阀门开度自动减少;传感器叶轮受杂物阻碍或轴承间隙进入异物,阻力增加而减缓转速。操作维护:清洗过滤器;调节流量计上游阀门,判断有无故障,确认后再修理或更换;卸下传感器清除杂物,必要时重新校验。
  天然气不流动,流量显示不为零。故障分析:传输信号线路屏蔽不良,外界信号干扰;管道外部振动,叶轮随之抖动,产生误信号;截止阀关闭不严发生内漏;显示仪线路板之间或电子元件损坏产生干扰。操作维护:检查动力电缆与信号电缆是否分开铺设,显示仪端子接地是否良好;加固管道,安装防止振动的设备;检修或更换截止阀;检查显示仪电路,判断干扰源,查出故障点。
4应用案例
  某输气站场采用涡轮流量计(图3)进行计量后向城市门站供气,公称通径为80mm,最大工作压力为10.2MPa,最大流量为8000m3/s。该站场投产时正值冬季,进站压力为7.8MPa,出站压力为4.0MPa,涡轮流量计安装正确,调压装置未安装防冰堵的加热设备。投产初期,管道存有较多游离水,环境温度为-5℃,日输气量约为2×104m3,采用间歇性供气。当开启出站阀门时,涡轮流量计正常运行约30min后站控室流量计算机报警,瞬时流量和累计流量快速下降并变为0,门站涡轮流量计正常计数。

  通过逐项排查,发现流量计前面的过滤器和流量计后的调压装置存在一定程度的冰堵(图4)。采取管道排污、辅助加热、清洗过滤器及调低流量计入口压力至4.0MPa等措施,改善了天然气的节流效应,使涡轮流量计能够正常运行。经与下游门站涡轮流量计比对,输差控制在有效范围。
涡轮流量计前过滤器冰堵
5注意事项
(1)涡轮流量计投用前,通过流量计算机的控制面板完成仪表系数的重新设定。
(2)涡轮流量计投运时,其前后压差不能过大,气体流速不能过快,应缓慢地手动开启入口阀门,待管道完全充满天然气且压力平衡后手动开启出口阀门,以防止发生冰堵和瞬间气流冲击而损坏涡轮。
(3)定期对涡轮流量计进行清洗、检查和复校,定期注入润滑油,以维持叶轮良好运行;关注流量计算机的流量显示状况,评估流量情况,有异常时立即检查。
(4)保持管路畅通。可以依据过滤器入口、出口处的差压变送器的差压值来判断过滤器是否被堵塞。天然气涡轮流量计运转失常时应清洗管路,将流量计的涡轮拆除后用轻质高标号汽油彻底清洗后重新安装。

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