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天然气净化厂流量计应用现状分析
发布时间:2019-10-22

摘要:本文简单介绍了常用流量计的原理性能,重点分析了第一净化厂流量计应用现状,并结合实际生产情况,给出天然气净化厂不同测量介质的流量计选型建议表,同时就厂区小流量计量和内部流量仪表的计量确认问题给出了几点建议。
0前言
  流量作为工业生产过程中的四大参数之一(压力、温度、液位、流量),其测量和控制在工业生产和过程控制中占有重要的地位,对流体流量进行正确测量和调节是保证生产过程安全运行、提高产品质量的基础。随着工业生产的发展,对流量测量准确度的要求也越来越高。第一净化厂测量区域广泛,流体介质复杂,流量仪表多样,做好流量计量这一工作,对保证天然气净化质量、节能减排、贸易结算、提高生产效率都具有重要的意义。 
1第一净化厂流量计应用现状
  第一净化厂测量区域广泛,流体介质复杂多样,主要有天然气、酸气、蒸汽、化学溶液、新鲜水、污水等,目前全厂共有包括孔板流量计、电磁流量计、涡街流量计、超声流量计、旋进旋涡流量计、转子流量计等在内的222台流量计,下面针对不同的测量介质分别进行分析。
1.1天然气系统
1.1.1原料气
  来自集气站的原料天然气(湿天然气)含有部分固、液体杂质,H2S和CO2含量较高,有一定腐蚀性。目前集气区及净化装置区的原料气计量全部选用高级孔板流量计,以便定期清洗更换孔板,防止孔板的锈蚀和入口边缘磨损。使用过程中能够满足大多数测量环境,但当被测介质含有大量杂质以及水合物含量较多时,导压管容易堵塞,且长期使用时,脏污物(原料气气流中含的固液杂质)将堆积在孔板的上游,造成差压信号不准,产生计量误差,故需要定期清洗孔板,对不合格的孔板进行更换。
1.1.2产品气
  原料气经脱硫、脱水工艺处理后,H2S和CO2含量大大降低,成为基本不含杂质的产品气(干净天然气),其腐蚀性明显降低。产品气计量分为两种情况:
  出装置区的产品气作为厂区内部计量,全部采用高级孔板流量计,因气质条件明显改变,腐蚀、脏污堵塞等现象大大减少,气流压力比较稳定,孔板使用状况良好。
  作为外贸计量的产品气,其计量准确度要求较高,除了小管径的用孔板计量外,陕京线、靖西线、陕宁1#线等大管径计量选用气体超声波流量计,测量范围大,且体积流量不受被测流体的温度、压力、粘度及密度等物性参数的影响,同时由于无磨损、无示值漂移现象,可以长期保持较高的精度,属于免维护系列,减轻了仪表工维护工作量。
  陕宁2#线选用涡轮流量计。涡轮流量计在所有流量计量仪表中属于最精确的,作为较大管径的天然气贸易、交接计量,它具有良好的应用价值。根据涡轮流量计的结构特点,其对流体的清洁度要求较高,否则会磨损轴承,损坏叶轮,而产品气中基本不含固体颗粒及液体,腐蚀性小,能够满足涡轮流量计的流体要求,叶片损坏率较低。
自用配气站向甲醇厂、靖边县、长庆基地、燃气电站、
  采气三厂供气流量相对较小,日供气量不超过50万,目前采用孔板计量,结构简单,维护技术要求不高。
1.1.3燃料气
  全厂各单元所用燃料气来源于部分产品气、脱硫及脱水单元的闪蒸气(主要是轻质烃类及少量H2S和CO2),气质情况较好,主要为装置区脱水重沸器、燃气锅炉及酸气焚烧炉所用。目前,除燃料气罐、酸气焚烧炉及2#锅炉房的总燃料气等较大管径的流量为孔板流量计外,其余小管径的基本采用涡街流量计旋进漩涡流量计
  200万装置脱水重沸器燃料气管线为DN25的,流量一般在40-50m3/h。所用的涡街流量计在使用过程中,因有时候用气量较小,存在计量误差大的问题。根据涡街流量计的工作原理,它要求流体具有较高的流速,以产生旋涡,在测量气体流量时,流速低于5m/s时计量效果不太好。经过仔细分析研究,对比考察其它小流量测量仪表的性能,在2009年检修期间,将四号装置区重沸器燃料气流量计更换为带温度压力补偿的旋进漩涡流量计来做实验(检修后四号装置尚未运行),如果计量情况良好,计划将其余装置的涡街流量计逐一进行更换。
  自用配气站供1-4号锅炉的燃料气计量为旋进漩涡流量计,使用情况良好。该流量计对流体流速要求没有涡街流量计高,适于低流量测量,流量计内部带有温度压力传感器,可对流量进行实时温度、压力补偿,提高了测量准确度。
1.2酸气系统
  天然气净化厂的酸气是主要含H2S和CO2的混合气(占酸气总体积的95%左右),该气体的特点是压力低,带有一定水汽及杂质,具有较强腐蚀性,其中的H2S是一种剧毒气体。目前测量酸气流量均用孔板流量计,由于酸气具有较强的腐蚀性,孔板流量计使用一段时间后,孔板入口边缘受到严重的腐蚀而造成流量测量误差增大。另外,高含硫气体对仪表的寿命有一定影响,硫化氢造成金属件疲劳,缩短使用寿命,且孔板计量装置有较多连接部位,所以增加了气体泄漏的可能性,在维护过程中也有较大风险,存在安全隐患。
  鉴于孔板流量计在酸气计量中存在以上不足,在2009年检修期间,将二号装置区的酸气计量更换为热式质量流量计。现在为实验阶段(二号装置09年检修后至今未投运),如果使用情况良好将对其它酸气计量逐一更换。
1.3蒸汽系统
  第一净化厂锅炉提供的蒸汽属饱和蒸汽,目前全厂用于蒸汽计量的仪表主要是孔板流量计和涡街流量计,这两种仪表只适用于单相流,而不能计量湿饱和蒸汽,所以当蒸汽为湿饱和蒸汽时,就会造成超差。同时,蒸汽的最终测量结果应是质量流量,而质量流量必须通过流体密度进行换算,必须考虑流体工况变化引起的密度变化。
  1号锅炉房蒸汽主、复线计量及200万装置区脱硫重沸器用生产蒸汽计量为解放军5719厂的JKFM—16C简易孔板流量计。在长时间测量过程中,高温下孔板容易发生变形,致使计量误差较大。同时在蒸汽输送过程中,由于温度变化,密度也相应地变化,但孔板差压式流量计不能对蒸汽密度进行直接或间接的测量,基本采用固定值输入,这也导致了计量误差的存在。
各锅炉出口、400万装置脱硫重沸器、甲醇回收大、小塔重沸器等单元所用蒸汽计量均为承德热河克罗尼的VFM1091型及VFM31型涡街流量计。根据涡街流量计质量流量计算公式:
,其中,为流体密度,f为漩涡频率。
  可知,对确定的涡街流量计,其蒸汽流量计量误差主要由流体密度引起。由于涡街流量计在对蒸汽流量进行测量时,一般也不能同时测量流体工况变化时的介质密度,因而产生一定的测量误差。同时,涡街流量计抗振性能较差,外来振动会使涡街流量计产生测量误差。第一净化厂实际生产中,蒸汽管线常发生水击现象,有时严重时会使管道发出很大的响声和强烈的振动,流体高流速冲击会使涡街发生体的悬臂产生附加振动,使测量准确度降低,大管径影响更为明显。
1.4化学溶液系统
  第一净化厂工业生产所用的化学溶液主要是用于脱硫的MDEA溶液和脱水的TEG溶液。这两种溶液在生产过程中由于长时间的反复循环使用,溶液中含有部分悬浮物。
  200万装置的脱硫循环量一般约为12-13m3/h,400万装置脱硫循环量在100-120m3/h左右。目前用于测量脱硫MDEA溶液的是孔板流量计,由于溶液含悬浮物易造成导压管堵塞,需定期吹扫导压管。
  脱水循环量较小,一般分别在4-5m3/h、6-7m3/h左右,其计量选用转子流量计。根据转子流量计的工作原理及结构特点,其较适用于小管径、低流速及低雷诺数的流量。在脱水循环量计量中使用效果较好。但是,由于转子流量计内部为机械连接,安装在循环泵出口管线时,因长时间受到较大振动,传动部件容易松动。
1.5新鲜水、污水测量
  同样作为水流量测量,由于水的洁净程度不同,流体工况条件各异,流量测量范围悬殊,测量精确度要求有高有低,选用流量计也各有特点。
1.5.1新鲜水
  第一净化厂新鲜水计量仪表中,除外部拉运水选用现场指示型旋翼式水表外,其余均采用电磁流量计。旋翼式水表无需外部能源可直接现场读取流量,清晰明了,操作简便,价格便宜。电磁流量计主要用于测量导电介质的液体流量,作为体积流量测量,其测量原理中不涉及流体的温度、压力、密度等,无压力损失,且测量范围大,新鲜水作为良好的导电介质,选用电磁流量计是非常合理的。
  但是流量范围的选型不合理也会造成一定的计量误差。由于节能要求,2008年第一净化厂各装置区新鲜水流量均安装了管径为DN80的电磁流量计,计量范围为4~145m3/h。由于各单元用水量较小,导致小流量计量不上,如200万装置区新鲜水计量,正常生产时一般低于4m3/h,因而造成较大的计量误差,增加了维护工作量,浪费资金。
1.5.2污水
  第一净化厂污水按性质分为三类:检修污水、生活污水及集气站来的含醇污水。其中,检修污水来自装置区原料气分离器、原料气过滤器排污及装置检修期间排污,主要含油类、硫化物、悬浮物和有机污染物(MDEA和TEG)等。其它混合污水主要是生活污水、场地、设备冲洗排水及分析化验污水。
  厂区污水采用间歇性处理,处理量维持在5-10m3/h。目前均采用金属管转子流量计,使用情况良好。主要表现在三个方面:第一,进入计量前的污水基本都是经过沉降初步分离或后续工艺处理后的,其中大的悬浮物、污泥、油份等含量明显降低,并不会对转子产生较大的粘附而影响其上下垂直浮动,继而影响计量结果。第二,厂区处理污水计量并不需要太高的精确度,而转子流量计的精度一般为2.5级,是比较适用的;第三,转子流量计结构简单,都为机械传动部件,出现问题方便维修,经济实用。
  气田含醇污水中含有大量的CO2+、Mg2+、Fe2+、HCO3-等离子,同时还含有一定量的SO42-和溶解状的CO2、H2S气体,具有腐蚀性。在进入精馏塔进行精处理之前,首先经过预处理,除去大部分机械杂质及CO2+、Mg2+、Fe2+等离子,同时加入了缓蚀阻垢剂,其腐蚀、结垢现象明显减轻,由于介质具有良好的导电性,故进料量选用电磁流量计,其测量通道是一段无阻流检测件光滑直管,使用效果较好,只需每年在检修期间对流量计衬里进行一次清洁。
2存在问题
2.1部分小流量计量不准确
  装置区小流量计量主要包括脱硫、脱水闪蒸气(烃类气体和少量H2S、CO2)、汽提气、小股贫液和酸液回流量等。脱硫脱水闪蒸气量一般在30-50m3/h,3-12m3/h,气提汽量为1m3/h左右,小股贫液流量基本为0.5m3/h,酸液回流量也在0-2m3/h,其流量范围都比较小,采用的是转子流量计或涡街流量计。由于这两种流量计都存在计量死区的问题(流量太小时,转子浮不起来,测量受影响;流速太低时,涡街流量计无法形成良好的漩涡,其频率难以检测),致使某些小流量计量不上。另外,由于环境因素的影响或工艺条件的改变,这些流体实际流量的变化幅度较大,目前有几台流量计下限计量值高于实际流量值或上限计量值低于实际计量值,导致流量计无法正常计量。
2.2内部流量仪表计量确认工作难以开展
  流量仪表的周期检定是确认其计量准确度的一项重要措施,技术监督部门制定的检定规程都有明确的规定,进行定期“离线”实流标定或“在线”实流标定。目前第一净化厂天然气、新鲜水外贸计量设备由天然气计量站统一组织进行周期检定,而厂区内部流量计大多运行多年未进行过实流检定,计量准确度无法确认。主要原因在于多数内部流量计不具备周期检定条件。
  一是流量计送外检定费用高,时间较长,装置检修的二十多天无法保证流量计正常检毕运回;二是某些工艺条件限制无法拆卸或拆装难度太大。一般只是在检修期间检查传输线路、清洗计量管路杂物、检查流量计内部参数等,却无法对其计量准确度进行评价确认。计量站现有一台小气体流量检定装置,只能检定DN100以下的速度式流量计,检定量程较小,除锅炉燃气的十台流量计可以校验外,其余都无法检定。
3结论与建议
3.1流量仪表的合理选型是关键
  流量仪表的选型对仪表能否成功使用往往起着非常关键的作用,由于被测对象的复杂性以及仪表种类繁多、性能指标各异,使得仪表的选型极为复杂、困难。要正确、有效地选择流量仪表,首先必须熟悉被测对象的流体特性和仪表自身性能,同时还应考虑安装条件、环境条件和费用等多方面因素。在流体特性方面,必须考虑流体的温度、压力、密度、粘度、腐蚀性、导电率等;在仪表性能方面,不同测量对象有其不同侧重点,主要包括准确度、重复性、线性度、流量范围、信号输出特性、响应时间、压力损失等;在安装条件方面,主要考虑仪表安装方向、流动方向、管径、上下游侧直管段长度、维修空间等,不同原理的测量方法对安装要求差异也很大,例如差压式、涡轮式流量计需要长的上游直管段,以保证流体的紊流速度分布,而转子流量计则要求较低;在环境条件方面必须考虑环境温度、湿度、安全性、电磁干扰等;在费用方面应包括仪表购置、安装、校准、维护等多项费用。
  根据以上选型原则,结合第一净化厂流量计使用现状,下面给出天然气净化厂各种介质流量计选型的一些建议(如表1)。
表1不同测量介质流量计选型建议表

测量介质

建议选用流量计

天然气

原料气

孔板流量计

产品气

大管径计量

超声波流量、涡轮流量计

小管径计量

孔板流量计、旋进漩涡流量计

酸气

热式质量流量计、动差式流量计

蒸汽

智能涡街流量计(带温度、压力补偿)

化学溶液

转子流量计

新鲜水

旋翼式水表、电磁流量计

污水

生产、生活污水

电磁流量计、转子流量计

气田含醇污水

电磁流量计

小流量介质

旋翼式流量计、旋进漩涡流量计(洁净介质)

3.2计量仪表硬件维护管理是基础
  流量仪表的使用管理也是关键之一。往往仪表投运初期工作表现正常,但经过长期使用,检测件腐蚀、磨损、积垢或堵塞,会造成计量精度下降,甚至发生故障。因此,精心维护成为提高流量计量仪表效率的基础,对仪表本身乃至整个流量系统各环节进行日常管理和周期维修检定,才能保证仪表的正常运行。各类流量计都应该严格按照标准要求进行设计、安装、使用、检验等工作,同时要加强对计量装置、仪表、管路等的检查、维护、保养工作。
3.3关于小流量计量的建议
(1)由于多数电远传流量计都不同程度存在计量死区的问题,对于过小流量计量不上,因此流量计的合理选型(主要是流量计类型和测量范围)成为小流量测量的重中之重,必须根据流体特性进行深入调研,选用最合适的流量计。旋翼式流量计和旋进漩涡流量计比较适用于小流量测量,但旋进漩涡流量计对流体清洁度要求较高。
(2)对于流量变化范围大的小流量介质,可根据测量系统的设计,研究采用软计量的方法,通过理论计算来确定流量。
3.4内部流量仪表计量确认的一些建议
(1)对于相同的流量计,可以通过流量计互换的方式来进行流量的比对,从而对流量计的准确性进行评估。
(2)可购置移动式超声波流量计,只需将超声波流量计夹持在管道上,即可测量出流量值,然后与在用流量计测量值进行比对,确认其准确度。

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