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天然气净化装置常用流量计的选型分析

来源: 中国石油天然气第一建设有限公司 作者:郝孟菲 张 凯 发布日期:2022-01-07

 摘 要:文章介绍了天然气净化装置中常用的几种流量计,并根据各流量计的原理和使用实际情况进行分析,提出流量计的选型建议。

 
前言
流量是天然气净化装置的重要检测参数,正确的流体流量测量是保证生产过程安全运行、提高产品质量的基础。随着科学技术的进步,为达到保证天然气净化质量、节能减排、提高生产效率的目的,人们在流量计性能的提高、使用对象适应性增强及经济性提高等各方面采取相应办法和措施。本文结合常用流量计的设计原理和天然气净化装置流量检测实际情况,提出流量计的选型建议,供探讨交流。 
 
2 常用流量计类型特点分析
天然气净化装置流体介质复杂多样,测量环境不尽相同,可供选择的流量计种类繁多,常用的流量计主要有孔板流量计、涡街流量计、电磁流量计、超声波流量计等。
 
2. 1 孔板流量计
       孔板流量计是利用流体流动过程中在一定条件下动能和静压能可以相互转换的原理进行流量测量的。孔板流量计结构简单,牢靠,性能稳定,使用期限长,价格低廉,且应用范围极广,至今任何一类流量计无可与之比拟,液、气、蒸汽皆可测量,部分气固、气液、液固等亦可应用。但由于本身存在压损较大,范围度窄( 一般范围度为 3∶ 1 ~ 4∶ 1) ,测量的重复性、准确度在流量计中属中等水平。
 
2. 2 涡街流量计
       涡街流量计的工作原理是流体力学的卡门涡街原理。涡街流量计测量准确度高( 可达 ± 1% ) ,属于中上水平; 压损小,约为孔板流量计的 1 /2 ~ 1 /4; 测量范围度宽,可达到10∶ 1或 20∶ 1。但它不适于低雷诺数测量,一般要求雷诺数ReD≥2 × 104,测量口径不宜过大( DN25 ~ 300mm) ,要求流量计上游有较长的直管段长度或装设整流器来保证测量精度,不能应用在干扰强、振动大、压力大的测量环境。
 
2. 3 电磁流量计
       电磁流量计是利用法拉第电磁感应定律,将流量测量转换成感应电势测量。电磁流量计不受介质物理参数影响,精度高; 无节流件,无附加压力损失,也不易堵塞; 耐腐蚀、耐磨损、使用寿命长; 测量范围度大( 20∶ 1 ~ 40∶ 1) ,且可以任意改变量程; 对上游直管段要求较低,仪表口径系列齐全。但是电磁流量计造价高,不适用于非导电介质和高温介质,且对环境的强电磁场干扰敏感。
 
2. 4 超声波流量计
       超声波流量计是通过检测流体流动对超声速的作用来检测流量。超声波流量计具有测量范围度宽,无压力损失等特点。与同样为非接触式测量的电磁流量计相比,从被测介质、工作状态和管径等各方面看应用范围要更加广泛,因此特别适用于大管径大流量的测量,现有夹装式超声波在工艺管道外部安装,可任意选择位置移动安装。但超声波流量计不适用于高频振动的场合,对被测流体的温度范围也有限制要求,同时超声波流量计价格相对昂贵。常用的流量计还有涡轮流量计、转子流量计、旋进旋涡流量计和均速管流量计等,不再进行详细介绍。 
 
3 天然气净化装置流量计选型实例分析
天然气净化装置主要包括过滤、脱硫、脱水、硫磺回收、尾气处理和污水处理等单元,根据以上流量计的原理及特点,结合测量介质的特性、操作环境、安装条件及投资成本等因素,对安岳气田某天然气净化厂流量计选型及应用进行分析。
 
3. 1 过滤、脱硫单元的流量检测
过滤、脱硫单元中主要测量介质为原料气、化学溶液、蒸汽等。如原料气进装置流量检测、吸收塔和闪蒸塔贫胺液流量检测、贫胺液循环泵流量检测、闪蒸塔顶闪蒸汽流量检测、富胺液至活性炭过滤器流量检测等。
 
进装置的原料气含有少量的固、液体杂质,H2 S 和 CO2 含量较高,有一定腐蚀性。天然气净化厂检测原料气常选用
经济适用的孔板流量计,但在使用过程中,固液杂质容易堆积在孔板的上游,易造成孔板流量计导压管堵塞。为了方便后期维护中定期清洗更换孔板,提高计量准确度,过滤脱硫单元原料气流量检测选用高级阀式孔板节流装置的孔板流量计。高级阀式孔板节流装置带有孔板升降机构,更换孔板不需停止介质输送,既满足以往对经济适用的要求,同时方便定期维护,较好保证了测量的准确度。贫胺液、富胺液等化学溶液在生产过程中是长时间反复循环使用的,溶液中含有部分悬浮物。净化厂化学溶液流量测量常用的流量计有孔板流量计、转子流量计、超声波流量计等。
 
安岳气田某天然气净化厂脱硫单元中化学溶液流量检测所在位置的管径为 DN150 至 DN300 不等,且有部分测量位置在循环泵附近。转子流量计一般的应用管径为 DN50以下,通常进行小、微流量测量,且安装在振动较大的地方,传动部件容易松动。超声流量计同样不适宜安装在振动较大的地方,且超声流量计虽然精度高,但价格昂贵。根据各流量计特点及经济适用综合考虑,选择法兰取压孔板节流装置的流量计。见图 1 为吸收塔贫胺液流量检测用的孔板流量计。
吸收塔贫胺液流量检测用的孔板流量计
蒸汽计量一般选择孔板流量计和涡街流量计,因为蒸汽测量为质量测量,所以蒸汽密度变化对测量结果有较大的影响,在进行计量时,需考虑流体工况变化引起的密度变化。孔板流量计在进行测量时,基本采用固定值计算,测量结果误差大,且本单元蒸汽温度可达到 155℃,长时间的高温测量过程,易使孔板发生变形,同样产生较大测量误差。根据本单元蒸汽工艺条件,低压蒸汽雷诺数 ReD 为 917115,闪蒸汽雷诺数 ReD 为 41835,测量口径分别为DN300 和 DN80,满足涡街流量计雷诺数 ReD≥2 × 104 和口径大小的要求,且根据涡街流量计质量流量计算公式:
据涡街流量计质量流量计算公式
其中 qm 为质量流量,d 为旋涡发生体迎流面宽度,D 为表体通径, f 为旋涡频率,St 为斯特劳哈尔数,ρ 为流体密度。
 
可知,流体的密度变化直接影响计量结果,为了降低密度变化的影响,选择带温度压力修正的涡街流量计。
 
3. 2 脱水单元的流量检测
脱水单元中主要测量介质为产品气、化学溶液等。如产品气流量检测、TEG 贫液至吸收塔流量检测等。原料气经过脱硫脱水后形成的产品气基本不含杂质,腐蚀性也明显降低。可供选择的流量计为孔板流量计、超声波流量计或涡轮流量计。本单元产品气属于装置内部测量,要求精度不高,所采用高级阀式孔板流量计进行流量检测。如果产品气用于贸易、交接计量,在大管径进行流量测量时,可以选择计量准确度高的超声波流量计。
 
超声波流量计测量范围大,体积流量不受介质物理参数的影响,不存在磨损、示值漂移等现象,其准确度可达到 ± 0. 5% ,且可以长期保持较高的精度,属于免维护系列,但一次性投资较高。也可以选择涡轮流量计用于贸易、交接计量,涡轮流量计在所有流量计仪表中准确度很高,在国际市场,气体准确度为± 0. 5% ,± 1% ,国内市场,气体准确度为 ± 1% ,± 1. 5% 。选用涡轮流量计主要看中的是其高准确度,所以保持高准确度一般要求流体清洁度高,必要时,进行温压补偿、粘度补偿、雷诺数补偿等措施。
 
TEG 贫液的流量检测根据化学溶液的特点仍选择孔板流量计。
 
3. 3 硫磺回收单元的流量检测
硫磺回收单元中主要有燃料气流量检测、燃烧炉空气流量检测、酸气流量检测等。
 
单元中燃料气主要来源于部分产品气、脱硫及脱水单元的闪蒸气,含 H2 S 和 CO2很少,介质情况较好。考虑使用的
流量计有孔板流量计、涡街流量计和旋进旋涡流量计。本单元中较大管径( DN≥50mm) 的流量测量选择孔板流量计,其余小管径一般选择涡街流量计和旋进旋涡流量计。根据涡街流量计的工作原理,在流体流速较高时产生旋涡,当流速较低时,计量效果就会打折扣,计量误差会增大,所以在流体流速低的工况下,我们选择旋进旋涡流量计进行计量,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。
 
酸性气体含有高浓度的 H2 S 和 CO2,带有一定水汽及杂质,具有较强腐蚀性,其中的 H2 S 是一种剧毒气体。在选
择酸性气体的流量测量上,一般选择孔板流量计和均速管流量计。但均速管流量计的准确度一般为 ± 2% ~ ± 5% ,且均速管用于大口径测量,缺乏相应口径的大口径校验装置,即使具备校验设备条件,逐台校准,则失去价格低廉的优势。只有应用口径达到某一数值( 一般为 DN800mm) 时,仪表流量系数趋于一致,才能满足抽取某一口径取得的系数,其余口径可 参 照 使 用。而检测酸气的管道尺寸为 DN500 和DN600,上述条件不满足,所以选择抗硫材质的孔板流量计。
 
3. 4 尾气处理单元的流量检测
尾气处理单元中需要进行稀酸流量检测、贫液流量检测、富胺液流量检测、回流液流量检测、饱和烟气流量检测、空气/燃料气进焚烧炉流量测量等。
 
以上液体流量检测中的介质腐蚀性强,其中腐蚀性介质组分中含有 SO2、H2 SO4、CO2 等,在选择此类介质的流量检测仪表时,考虑选用非接触式流量计。尾气单元介质固体颗粒很少,污染物少,减少了固体颗粒对传感器内衬及电极的磨蚀和对电极的污染,降低维护成本,同时尾气装置中介质导电率、密度、动力粘度满足测量条件,测量环境电磁干扰小,决定采用衬里、电极为抗硫材质的电磁流量计。饱和烟气为具有 腐 蚀 性 气 体,且测量位置的管径为DN1000mm,满足均速管流量计大管径测量的优势,且均速管流量计yongjiu压力损失仅为标准孔板的 5% 以下,结构简单,安装维护比较方便,所以饱和烟气流量测量选择抗硫材质为 UNS S31254 的均速管流量计。
 
3. 5 污水处理单元的流量检测
根据水的洁净程度、测量精度等工况及测量条件的不同,可以选择的流量测量仪表有孔板流量计、电磁流量计、超声流量计等。若水的洁净程度较好,测量管口径小,可以采用电磁流量计,其测量原理中不涉及流体的温度、压力、密度等,无压力损失,测量范围大。若测量管口径较大? 选择超声流量计比较理想。污水流量测量选择电磁流量计比较合适,水质较好也可选用孔板流量计。
 
安岳气田某天然气净化厂污水处理单元的生产废水、淡 水、检修污水、生产生活污水中含有 H2 S、CO2 等腐蚀性物质,所以针对腐蚀性物质对孔板流量计孔板的腐蚀、部分小口径管线对涡街流量计限制以及超声流量计价格昂贵等问题,选择非接触式的电磁流量计。 
 
4 流量计选型原则总结
根据以上各个处理单元流量计选型分析情况,在选择流量计时,要从多个方面进行考虑: ( 1) 仪表性能,准确度、重复性、线性度、测量范围、压损等; ( 2) 流体特性,要考虑被测介质的温度、压力、密度、粘 度、腐蚀性、电导率、气体压缩系数等; ( 3) 安装条件,管道布置方向、上下游管道长度、管道口径、管道振动等; ( 4) 环境条件,环境温度、电磁干扰、维护空间等; ( 5) 经济因素,购置费、安装费、维修费、校验费等。
 
根据上述分析,对天然气净化装置流量计选型进行如下整理,见表 1。
天然气净化装置流量计选型一览表
本文只是将各类流量计的特点进行大致整理,实际上流量计选型是一个极其复杂的过程,要综合考虑流体性能、仪表特性、安装和环境条件以及经济适用等各方面,才能选择出测量技术非常适宜、运行非常可靠同时经济性非常高的流量计。

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