提高天然氣小流量計量系統的準確性

1 小流量計量系統運行現狀

天然氣小流量計量系統在我廠(chǎng)的應用十分普及，其廣泛應用于全廠(chǎng)集（配）氣站的自用氣、單井計量系統，及我廠(chǎng)內部貿易計量部位，儀表選型基本為浙江天信生產(chǎn)的TDS型旋進(jìn)旋渦智能流量計，目前在用儀表總計150臺，特別是其中的26套計量系統均為貿易計量點(diǎn)，其計量的穩定性與準確性直接影響著(zhù)氣量的交接、核算，關(guān)系著(zhù)供求雙方的經(jīng)濟利益；同時(shí)站內自用氣計量系統的穩定、準確工作為我廠(chǎng)節能減排工作提供著(zhù)重要的依據，而且自用氣和單井計量系統對全廠(chǎng)的輸差控制也有著(zhù)直接的影響，因此維護小流量計量系統的穩定、準確性是一項極為重要而關(guān)鍵性的工作。

但是在現場(chǎng)生產(chǎn)中，我廠(chǎng)小流量計量系統運行狀況存在著(zhù)故障率高、穩定性差的客觀(guān)現實(shí)，限制了其應有作用的發(fā)揮。通過(guò)近年來(lái)春冬季巡檢普查結果及儀表維護統計結果發(fā)現，我廠(chǎng)在用的150臺旋進(jìn)旋渦流量計每年損壞更換大約維持在8.6%左右，通過(guò)對2012年旋進(jìn)漩渦流量計故障次數統計，小流量計量系統全年故障次為102次，整臺更換流量計13臺，零件更換76次。

2 科學(xué)分析原因

2.1 通過(guò)理論研究，評價(jià)流量計性能特征

2.1.1 從流量傳感器測量原理上分析：

在天然氣管道中，當沿著(zhù)軸向流動(dòng)的流體進(jìn)入流量傳感器入口時(shí)，螺旋形葉片強迫流體進(jìn)行旋轉運動(dòng)，于是旋渦發(fā)生體中心產(chǎn)生旋渦流，旋渦流在文丘利管中旋進(jìn)，到達收縮段突然節流使旋渦流加速，當旋渦進(jìn)行擴散段后，因回流作用強迫進(jìn)行旋進(jìn)式二次旋轉。此時(shí)旋渦流的旋轉頻率與介質(zhì)流速成正比，并為線(xiàn)性。

頻率與流體流速線(xiàn)性關(guān)系為：Q=F/K其中F為旋渦頻率，K為儀表常數。由以上線(xiàn)性關(guān)系可知，理想條件下若要得出正確流量，一面方面必須測得正確旋渦頻率值，一方面要有穩定的儀表常數，這兩者的準確性直接影響著(zhù)流量計的準確與穩定。經(jīng)過(guò)對傳感器測量原理的深入研究，小組成員發(fā)現直接影響旋渦傳感器正常測量的主要決定因素為：

（1）殼體：是流量計的關(guān)鍵部位，是約束流量計通徑、入口錐角、擴散段錐角以及噴嘴是否適合的關(guān)鍵。

（2）旋渦發(fā)生體：是流量計的關(guān)鍵部位，用于產(chǎn)生氣體旋渦，也是決定流量計測量準確度的關(guān)鍵因素。如果被測流體中存在黏性顆�；驃A雜較多纖維物質(zhì)，則可能會(huì )逐漸堆積在旋渦發(fā)生體迎流面上，使其幾何形狀和尺寸發(fā)生變化，因而流量系數也相應變化。據日本Oval公司進(jìn)行的模擬試驗結果，在該公司旋渦發(fā)生體端的堆積物厚度為0.01D的附加誤差為－2%；為0.02D時(shí)，附加誤差為－3.4%。

（3）旋渦整流器：是消除整流的主要部件，可以消除一部分干擾，使進(jìn)入流量計的流體平整、穩定，盡量接近工況狀態(tài)，它直接影響著(zhù)被測量的穩定性。

（4）壓電傳感器：是檢測旋渦應力變化的傳感部件，從而輸出頻率與被測流體流速成正比的交變電荷信號，壓電傳感器發(fā)出的脈沖數越多，流量計的顯示值越大。

（5）流量傳感器：是最直接測量流量的元件，流量傳感器一般由熱敏電阻制成，接入平衡電橋中，當流體通過(guò)時(shí)造成溫度變化，將進(jìn)動(dòng)頻率變?yōu)殡娮枳柚底兓�的頻率，也就是旋渦頻率F，因此，它的值的準確測量直接影響被測量的準確性。

（6）溫度傳感器：當傳感器內被測流體的溫度變化較大時(shí)，將引起傳感器內部尺寸和流體體積的變化，從而造成傳感器儀表常數的變化，也就是線(xiàn)性關(guān)系式中K的變化，這也會(huì )影響到測量的準確性。

2.1.2 從智能型流量積算儀的工作原理分析：

流量積算儀由溫度和壓力檢測模擬通道、流量傳感器通道能及微處理單元組成，并配有外輸接口，輸出各種信號。流量計中的微處理器按照氣態(tài)方程進(jìn)行溫壓補償，并自動(dòng)進(jìn)行壓縮因子修正，氣態(tài)方程如下：

Qn=Zn/Zg*（Pg+Pa）/Pn*Tn/Tg*Qg

由流量積算公式分析可以得出：

在現場(chǎng)測量時(shí)，計量壓力和溫度的準確度直接影響天然氣標準體積流量的準確性；同時(shí)天然氣的壓縮因子的準確度也直接影響天然氣體積流量的準確性。

其中壓縮因子計算公式為：

Z=Vm（真實(shí)）/Vm（理想） Vm=RT/p

由此可見(jiàn)，天然氣中的N2、CO2的摩爾百分比含量以及相對密度等計量參數對天然氣標準體積流量的準確性也有影響。根據以上數學(xué)模型的進(jìn)一步探索，最終得出了影響流量計正常運行與標準體積流量準確測量的主要因素：

①壓力/溫度傳感器測量值的準確性；

②各級儀表系數、壓縮因子等計量參數的準確性；

③流量計主板與微處理器的性能；

2013年3月，小組成員對2012年旋進(jìn)旋渦流量計出現故障進(jìn)行統計，總結了常見(jiàn)的由于本體故障而導致流量計年不能正常運行的情況見(jiàn)（表1）。

表1 2012年旋進(jìn)旋渦流量計故障統計表

由以上分析圖上可以清晰的判斷，流量傳傳感器損壞、電流輸出模塊損壞以及液晶顯示屏損壞是影響流量計穩定性、準確性的主要原因。

通過(guò)大量實(shí)驗證實(shí)以上推理影響旋進(jìn)旋渦流量計穩定性與準確性的主要因素為：

（1）旋進(jìn)旋渦流量計的核心旋渦發(fā)生體，在生產(chǎn)現場(chǎng)發(fā)電機、壓縮機在運行中產(chǎn)生的振動(dòng)，外圍有強磁場(chǎng)等造成漩渦發(fā)生體出現偏差，流量計流量波動(dòng)大，長(cháng)期在氣質(zhì)臟污條件下使用也易出現粘污或一定程度的磨損，并且與天然氣中成分發(fā)生化學(xué)反應，產(chǎn)生腐蝕，導致流量計量不準；

（2）在高含硫的站場(chǎng)中流量傳感器易變形、腐蝕、磨穿，使流量計不能正常工作；

（3）工況條件下，壓力/溫度傳感器易損壞將導致流量計不能正常工作；

（4）工況條件下，主板由于自身性能、質(zhì)量原因或線(xiàn)路原因，會(huì )被擊穿，造成不能正常運行；

（5）前置放大器的損壞也會(huì )造成儀表不能穩定、準確運行；

（6）液晶顯示器等硬件損壞概率也較大，主要是由于太陽(yáng)直接照射時(shí)間過(guò)長(cháng)導致花屏，缺字，模糊不清等，這將直接導致流量計不能正常工作。

（7）雷擊、雨天雨水滲入易致主板、顯示器、前置放大器或電路發(fā)生短路、斷路等現象，直接導致流量計不能正常工作。

2.2 分析流量計發(fā)生故障的原因

針對流量計主要故障，從各方面深入探討、嚴肅剖析，終于找出了流量計發(fā)生故障的各種潛在原因：

（1）人員技術(shù)能力方面，對流量計的工作原理的研究探討力度不夠，人員技術(shù)水平參差不齊，故障原因分析處理不準確。

（2）流量計硬件性能方面，對一些故障原因重視程度不夠，沒(méi)有做出認真透徹的調查分析，出現管理漏洞。

（3）設備日常管理分為兩個(gè)方面，一方面集氣站員工對流量計工作原理及運行狀態(tài)了解不清，致使一些可以立即解決的問(wèn)題長(cháng)時(shí)間拖延，造成流量計一直處于失準狀態(tài)；另一方面本站員工對流量計重視程度不夠，沒(méi)有對流量計的使用情況進(jìn)行定期檢查，對其使用環(huán)境、運行狀況不了解。

（4）檢定及操作規范方面，沒(méi)有標準的操作流程，只能根據耳口相傳的前人經(jīng)驗進(jìn)行操作，一定程度上存在著(zhù)風(fēng)險；另一方面，修舊利廢工作針對故障流量計進(jìn)行維修，雖然一定程度上延長(cháng)了儀表的使用壽命，但是，由于條件限制，對修舊的流量計未進(jìn)行檢定校準工作，對其準確性及穩定性不能保證，對準確計量有一定的影響。

3 制定整改措施

3.1 針對故障要因，制定整改措施如下：

（1）由專(zhuān)人負責小流量計量系統日常運行情況跟蹤關(guān)注，職責明確，建立相應小流量計量系統在用情況統計、故障統計、零部件損耗統計等臺帳；與生產(chǎn)廠(chǎng)家及時(shí)溝通，與實(shí)際生產(chǎn)現場(chǎng)相結合的原則，開(kāi)展人員技術(shù)培訓活動(dòng)，掌握流量計檢修維護技能，提高人員技術(shù)水平。

（2）在廠(chǎng)家技術(shù)人員的配合下，小組成員對產(chǎn)生故障的流量計從使用時(shí)間、工作環(huán)境、工藝流程、天然氣氣質(zhì)、操作方法等方面分析故障原因，針對具體原因采取措施，解決故障；并且與廠(chǎng)家技術(shù)人員一起尋求出能夠改進(jìn)主板、流量傳感器、電流輸出模塊、前置放大器及液晶顯示屏等硬件設備性能的改進(jìn)方法。

（3）針對日常流量計管理，結合生產(chǎn)運行情況、故障發(fā)生頻數等進(jìn)行定期普查和重點(diǎn)集氣站普查，及時(shí)發(fā)現問(wèn)題，及時(shí)解決問(wèn)題；對于集氣站工作員工來(lái)說(shuō)，流量計工作制度、流量計維護保養制度有不健全的部分，制度執行力度不夠，現場(chǎng)工作人員對流量計操作不符合標準，現場(chǎng)相關(guān)技術(shù)培訓活動(dòng)沒(méi)有及時(shí)跟上。

（4）在現有的流量計檢修作業(yè)指導書(shū)、流量計現場(chǎng)維護技術(shù)規范的基礎上，認真組織編寫(xiě)了流量計操作標準作業(yè)流程，規范流量計操作，提高流量計的使用完好率。

（5）針對維修后的流量計，進(jìn)行檢定校準，重新對儀表的各項參數進(jìn)行調校，調校合格后才進(jìn)行使用。

4 積極實(shí)施整改措施

（1）2013年3月，將全廠(chǎng)在用旋進(jìn)旋渦流量計的統計工作作為一項基本工作，為流量計前期研究工作提供每一手資料。

（2）在3至5月期間，巡檢了全廠(chǎng)集（配）氣站共150套旋進(jìn)旋渦流量計，細查發(fā)生故障原因。經(jīng)過(guò)對近幾年各故障原因的分析，與流量計廠(chǎng)家積極配合，對流量計進(jìn)行了如下改進(jìn)：

①在主板上加入隔離板及電流過(guò)載保護裝置，當電流過(guò)大時(shí)，防止主板被擊穿，保證主板性能，保證流量計的正常使用。

②原有的電流輸出模塊和前置放大器電路板上各種元件裸露，當操作不當或有雨水、水蒸氣進(jìn)入極易導致短路導通，破壞元件，損壞率高，改進(jìn)后，采用灌膠式，各元件之間不接觸，由膠體與外界絕緣，很大程度上提高了儀表的穩定性和準確性。

③原有的流量計殼體與旋渦發(fā)生體都由于材質(zhì)原因，與天然氣中的酸性氣體反應，易腐蝕，對流量計的準確計量有影響，因此改進(jìn)后鋁制殼體、旋渦發(fā)生體逐漸更換為鋁合金，合金材質(zhì)更抗腐蝕、耐磨。

④原有壓力傳感器精度為0.2級，為了滿(mǎn)足氣田生產(chǎn)需要，能夠更加準確計量氣量，經(jīng)過(guò)與廠(chǎng)家溝通聯(lián)系，目前流量計全部更換為0.1級。

⑤原有流量計均無(wú)遠傳數據功能，只有數字顯示功能，在改進(jìn)中加入了電流輸出模塊及信號信，實(shí)現了數據遠傳功能，降低了員工的勞運強度，有助于實(shí)現數字化管理。

（3）7月至9月開(kāi)展了兩次關(guān)于旋進(jìn)旋渦流量計檢測技術(shù)的室內培訓活動(dòng)，與廠(chǎng)家技術(shù)人員一起奔赴現場(chǎng)，與技術(shù)人員一起排除流量計故障，既加強了技術(shù)員工在該項目上的檢修技能，也能與生產(chǎn)廠(chǎng)家技術(shù)人員充分探討，鍛煉了分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

（4）8月，根據廠(chǎng)內編寫(xiě)崗位標準作業(yè)流程的要求，從科學(xué)的角度上規范了流量計的使用、測試與維護作業(yè)。

（5）通過(guò)9月的第二次巡檢，解決了全廠(chǎng)在用流量計故障，更換了1臺流量計，保證了全廠(chǎng)150臺旋進(jìn)旋渦流量計的正常運行，完好率提高到100%，確保了氣田小流量計量工作的正常進(jìn)行。

5 實(shí)施整改措施后的結果調查

整改后工作情況匯總如下：

（1）截止到10月中旬，2014年全廠(chǎng)旋進(jìn)旋渦流量故障頻次明顯減少，共40次，具體故障原因見(jiàn)（表2）

表2 2014年旋進(jìn)旋渦流量計故障統計表

（2）通過(guò)室內的技術(shù)培訓和現場(chǎng)廠(chǎng)家技術(shù)人員的指導，日常維護技術(shù)水平有大幅度提高，流量計檢測技術(shù)日趨成熟.

（3）本年度共維修流量計11臺，經(jīng)過(guò)維修后送檢，對流量計的儀表系數、計量參數進(jìn)行調校，保證了流量計的準確計量。

6 鞏固措施

（1）明確崗位工作職責，專(zhuān)人專(zhuān)項管理，加大技術(shù)監督管理力度，使業(yè)務(wù)過(guò)程標準化、規范化。

（2）針對流量傳感器、前置放大器、主板、壓力傳感器等故障原因，與生產(chǎn)廠(chǎng)家持續聯(lián)系溝通，進(jìn)一步從制造及設計源頭開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)，降低故障率。

（3）電流輸出模塊的損壞也較多，雷擊、線(xiàn)路故障等容易造成較大電流通過(guò)，造成被燒壞，因此增加了防雷接地裝置。

（4）旋渦發(fā)生體故障雖不是主要故障原因，但是為了防患于未然，要求現場(chǎng)員工定期清洗，吹掃前后直管段，保持旋渦發(fā)生體能正常工作。

7 總結

截止目前為止，小流量計量裝置故障率比2012年減少60.78%，故障率明顯降低，穩定性、準確性提高，整臺更換流量計共5臺，僅占全部流量計的3.28%，零件更換33臺/次，比2012年減少56.57，報廢流量計明顯減少，零部件更換減少，節約了生產(chǎn)成本近25余萬(wàn)元，也降低因流量計計量不穩定、準確度低而造成的計量輸差，為氣田穩定生產(chǎn)提供保證。