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孔板流量计在酸气计量中问题分析
发布时间:2019-09-26

摘要:以普光高含硫化氢气田为例,介绍了孔板流量计在高酸性气田集输站场单井加热炉、计量分离器、外输管线处的使用现状。分析了孔板流量计在使用过程中容易发生堵塞的原因,阐述了导压系统容易发生的引压管积液、引压管堵塞、节流装置冲刷磨蚀、密封圈、平衡阀渗漏等问题。现场实施的维护保养、溶硫解堵、蒸汽解堵等措施取得了较好的应用效果。
  川东北的普光高含硫化氢气田属超深、高含硫、高压、复杂山地气田,出井天然气含杂质较多,沿工艺管线、设备至上而下压力、温度等因素梯度变化,导致单质硫及其他杂质沉积,气质、气流条件无法达到相关标准规定要求,容易产生计量误差。探讨现场工况中容易出现的孔板堵塞、引压管积液或堵塞对计量准确度的影响,以及为消除或降低影响而采取的措施。
1孔板流量计的工作原理
  孔板流量计是一套流量测量装置,由节流装置、信号引线、二次仪表系统组成。节流装置包括标准孔板、取压装置(孔板夹持器)和上下游测量管,主要作用是使管道中流动的流体产生静压力差[1]。
  充满管道的天然气在流经管道内的节流装置(孔板)时,流束将在节流件处形成局部收缩,从而使流速增加,压力降低,在节流件上下游便产生了压差,流量越大,产生的压差越大;流量越小,产生的压差越小。在已知有关参数的条件下,根据流动连续性原理和伯努利方程可以推导出差压与流量之间的关系,从而可以计算出流量的大小。
2孔板流量计在高酸性气田的应用情况
2.1普光气田天然气特点
  普光气田是目前国内已探明并投入开发的H2S和CO2含量最高的气田,生产的天然气中H2S含量达13%~18%,CO2含量达8.6%,是典型的高酸气田,生产过程中存在着设备装置的元素硫堵塞、H2S腐蚀及CO2的弱酸腐蚀等问题。
2.2普光气田集输站场孔板流量计的使用现状
  孔板流量计是目前集气站场使用较为广泛的计量装置,具有结构简单、操作方便、经济实惠的特点。普光气田集输系统设置有多井轮换计量组合装置,主要用于实现多口气井气液分离后分别进行计量的一种分离分输计量组合装置。普光气田集输站场的天然气计量,采用的是孔板节流计量,其中在单井加热炉、计量分离器、外输管线处均安装有孔板计量装置。
1)加热炉计量装置。安装在加热炉计量管段上的高级孔板阀是针对单井进行计量的装置,该装置前没有设置气体分离系统。未经气液分离并加杂着一些缓蚀剂的混合天然气,经过节流降压后,进入孔板装置进行计量。杂质对孔板阀的使用寿命及计量的准确性影响很大。
2)分离器计量装置。计量分离器的高级孔板阀安装在分离器气相出口,是对单井产量进行准确计量的现场计量装置,由卧式重力式分离器和孔板计量装置组成。单井天然气在分离器内经过气、液、固体杂质分离后,再对气、液分别进行的计量。此处计量数据较为准确,是各单井合理配产的依据所在。
3)外输计量装置。外输计量孔板阀安装在外输计量直管段上,是对整座集气站所有气井产出的混合天然气进行计量。
普光气田集气站的外输系统采用的是气、液混输湿气输送设计,此处的管径大、输气压力稳定。加元素硫在前面管线、汇管、计量分离器等设备的分离、沉降,造成此处的元素硫堵塞较少,对计量的影响较小。
3孔板流量计在使用中存在的问题
3.1被测流体特性的影响
  GB/T21446—2008《用标准孔板流量计测量天然气流量》标准中规定,通过孔板的天然气是经净化处理后的天然气,气流是均匀单相的牛顿流体。若气体中含有的固体或液体微粒成均匀分散状态,且质量分数不超过2%,也可认为是均匀单相的牛顿流体。流经孔板以前的气流流束应与管道轴线平行,气流流动应为充分发展紊流且无旋涡,管道横截面所有点上的旋涡角小于2°即认为无旋涡。
但是由于川东北高含硫化氢气田属超深、高含硫、高压、复杂山地气田,出井天然气含杂质较多,沿工艺管线、设备至上而下压力、温度等因素梯度变化,导致单质硫及其他杂质沉积,气质、气流条件达不到相关标准规定要求,容易产生计量误差[2]。
3.1.1堵塞物形成机理
1)化学溶解和化学沉积。含硫天然气中存在着一个对于单质硫的溶解和沉积有着很大影响的化学平衡。加拿大AlbertSulfurResearchLdt的研究表明,在地层条件下,元素硫与H2S发生反应可形成一种多硫化氢物质。
  含硫气藏开发时,多硫化氢天然气在穿过递减的压力和温度剖面时,反应平衡点发生变化,多硫化氢分解,生成单质硫。当气相中溶解的元素硫达到临界饱和度时,元素硫随着压力的继续降低而析出。分解出的硫量达到一定值,流体气动力不足以携带固态颗粒硫时,元素硫就会沉积在管壁并聚集起来,这一沉积过程主要发生的是化学反应。[3]
2)物理溶解和物理沉积。稠密流体(地层条件下时为地层天然气)对单质硫的物理溶解与解析能力也有很大影响。在油藏储集层高温高压的环境下,天然气对单质硫有很大的溶解度。当含硫天然气藏投入开发后,随着压力、温度的不断降低,元素硫的溶解度也相应降低。一旦压力、温度降低到临界值以下,便会有大量的单质硫析出。当析出的硫量达到一定值,且流体气动力条件不足以携带硫的固态颗粒时,这些析出的硫便会沉积下来,这一沉积过程主要是物理变化。
3.1.2堵塞对计量的影响
  从现场勘查及堵塞物形成机理可知,高含硫化氢气田在生产运行过程中所带出的酸液颜色呈黄色或浅黄色,经化验和分析判断主要含单质硫。在日常清洗集气站高级孔板阀计量系统时发现,管壁、整流器、孔板、导压系统附着有大量单质硫等杂质,更存在整流器整流孔几乎被完全堵塞的情况。这些杂质不仅使得流量计导压系统不能准确地录取静压、差压等参数,还使整流器失去原有的整流作用,气体的流态发生变化,影响计量的准确度。因此,定期清洗流量计和解决工艺系统内硫沉积是提高计量准确度的关键。而试验结果表明,杂质形态受温度影响也较大,保持计量装置内外部处于较高温度对减少硫沉积、提高计量准确度尤为显著。
1)堵塞导致计量直管段直径变化。从生产过程中发现,随着运行时间的增加,计量装置上下游的直管段会逐渐出现沉积硫,直接导致直管段的直径变小,严重时如图1所示,造成气的流动范围减小。

2)整流器堵塞导致整流效果降低。气体通过节流装置的流动必须是保持层流。在气体流经孔板前,其流束必须与管道轴线平行,不得有紊流。而为了保持经过孔板阀时的气体流态为层流,集气站各孔板计量装置前均安装了整流器,但在实际运行中,整流器经常出现筛孔堵塞的现象,严重时如图2所示,导致流态发生变化,失去整流作用。
3)孔板阀阀腔内、孔板及提升导板上附着杂质过多。对集气站的高级孔板阀拆洗时,发现高级孔板阀的孔板上、导板以及腔内附着大量的单质硫等。这些杂质会对孔板的锐利度产生不良影响,导致计量不准确,同时也会导致孔板无法正常的提取,给高级孔板阀的定期清洗工作造成不便。

3.2导压系统问题
引压管最容易出现的问题是有积液和堵塞。
3.2.1引压管积液
  由于天然气中含有水分,会出现引压管积液现象。这种积液往往会造成流量计测量失真,导致变送器的输出出现波动。在寒冷的冬季很容易造成冻堵,最终导致流量计无法正常运行。因此,需要定期对积液进行排放。
3.2.2引压管堵塞
  由于测量介质天然气中含有单质硫等杂质,介质黏稠,会导致引压管堵塞。如不定期排污,引压管更易堵塞,甚至导致杂质固化。一旦发生上述情况,流量计将无法正常运行。因此,要定期排污或疏通。
  按照规定,集气站(包括集气总站)对引压管进行周期性排堵,冬季每班一次,夏季每天一次。另外,集气总站当产量降低约20×104m3时,及时对导压管、五阀组进行加强解堵。由于频繁解堵会降低五阀组的密封性,需要每年更换一次五阀组。
3.2.3节流装置钝化
  孔板流量计的流出系数C是在标准实验室条件下进行校准标定的。当孔板和孔板夹持器或者孔板入口直角锐利度未达到标准要求时,会引起气体流态畸变,使流出系数C值改变,最终影响流量计准确度。小孔径孔板入口边缘轻微的磨圆会引起流量测量值5%的负偏差;而高含硫天然气具有较强的腐蚀性,严重磨蚀和中等沾污的孔板也会引起12%的负偏差。另外,高压流体的冲刷也会导致标准孔板的入口直角锐利度发生钝化[4]。
  严重钝化时会使流出系数偏移1%~2%。在流量计算中,对孔板入口直角锐利度的精确修正造成很大的困难。2017年2季度,对某区块16座集气站共计65套高级孔板阀清洗过程中,发现不同程度损伤的孔板共8块,占全部孔板的12.3%。显然,定期检查孔板保证流出系数C值的稳定对提高计量准确度也很重要。
3.2.4密封圈、平衡阀渗漏
  川东北高含硫化氢气田地层天然气不仅存在流速快,还存在气质组分复杂的特点。根据对残酸液进行取样,发现黏度较高、成分复杂。另外,由于气田开发采用连续加注缓蚀剂的防腐工艺,而缓蚀剂黏度大,易与沉积物结合,形成颗状物质。在实际生产中,密封圈与孔板之间、平衡阀密封部分容易沉积杂质或损伤(图3)。气体流经孔板时直接从孔板外边缘以及上腔渗漏至下游,导致计量偏低。

4建议
4.1加强流量计的维护保养
  加强流量计各部位定期维护保养。每周对孔板阀操作检查一次,每月对孔板清洗一次,保证孔板阀操作正常,孔板清洁、无损伤。每活动一次滑阀,就加注一次密封脂,保证滑阀严密不漏,密封良好。保持孔板阀表面清洁,油漆无脱落、锈蚀,铭牌清晰,零部件齐全完好,无内外渗现象,可动部分灵活好用。除定期清洗保养之外,可采用专用电磁加热器对孔板流量计测量管段定期进行加热除垢,以减少因管道结垢变径对计量的影响。同时,规范安装引压管伴热系统,以减少引压管堵塞现象[5]。
4.2实施有效的解堵措施
4.2.1溶硫剂解堵
  溶硫剂MDEA(二甲基二硫等混合物)是一种非常高效的解除元素硫沉积堵塞的解堵剂,解堵效果显著。但溶硫剂具有极强的腐蚀性,容易造成设备附件损坏(如孔板密封垫圈、提升轴密封胶圈等)。因此仅在已经完全被单质硫堵塞、设备材质允许的条件下小范围使用。
4.2.2蒸汽解堵
  开始时对孔板阀内的元素硫堵塞采用清水冲洗的方法进行处理,但效果不理想,附着在提升轴齿轮、导板齿缝和滑板上的部分杂质无法完全被清洗掉,杂质依然会对孔板阀的正常操作造成影响。
  经过试验,用高压蒸汽冲洗的方法较好。高压蒸汽不仅能将阀腔内的元素硫杂质冲洗干净,还能将阀腔内残存的缓蚀剂、密封脂等杂质冲洗干净,不留死角,对阀体内的附件也不会造成伤害。清洗完毕后,阀门操作灵活、可靠,投入运行后持续生产时间长,清洗效果非常显著。
4.3及时更换计量分离器高级孔板阀孔板密封垫圈
  现场实际操作过程中发现,计量分离器高级孔板阀孔板的橡胶密封垫圈使用一个月左右就会出现腐蚀老化。因此,每月对计量分离器高级孔板阀进行一次维护保养,对失效的橡胶密封垫圈及时进行更换。目前,试验使用耐腐性更强的四聚氟乙烯材料替代橡胶制作孔板密封垫,应用效果较好。
5结论
  高酸气田集气站场使用的高级孔板阀,是站场天然气计量的重要设备,在运行过程中受到所计量介质的性质、压力、温度以及自身材质、结构等多种因素的影响,造成操作困难、计量不准确等问题,严重影响现场的安全平稳生产。在目前无法改变天然气高含H2S的客观情况下,通过现场实际工作,提出了一些解堵、维修保养的方法,取得了一定的效果。通过以上一系列的维护保养措施和改进工作,能更好地解决高级孔板阀在日常使用过程中出现的问题,保证孔板阀的安全运行和天然气计量的准确。

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