二氧化碳流量計在氣田生產中使用情況與計量問題分析
點擊次數(shù)：2109 發(fā)布時間：2021-01-08 05:45:23
該氣田是迄今為止中國規(guī)模*大、豐度*高的特大型整裝海相氣田之一。氣田的氣質特殊，屬高含硫化氫和二氧化碳，硫化氫含量15.16%，二氧化碳含量8.64%。氣田在天然氣外輸計量中選用的流量計量儀表采用的是高級二氧化碳流量計。二氧化碳流量計在測量氣體方面有很大的優(yōu)勢，是一種性能好，使用方便的測量裝置。廣泛地應用于工業(yè)中，在測量氣體、蒸汽以及液體的流量方面有很大的造詣，這種儀器結構穩(wěn)定簡單、維修起來方便，性能十分穩(wěn)定。這是產品的簡單特點，接下來我們詳細介紹產品的特點。
*先，二氧化碳流量計是一種方便的裝置，結構簡單容易復制，簡單而又十分牢固，性能穩(wěn)定可靠，不必擔心中途會出現(xiàn)什么巨大的差池和問題，并且，二氧化碳流量計的壽命長，價格低廉，性價比非常高。
其次，二氧化碳流量計的應用之廣泛超乎人的想象，可以測量天然氣、空氣、氮氣、氧氣等氣體，很多工業(yè)中都使用二氧化碳流量計來測量，可見其廣泛性，并且這種裝置容易投入使用，并不需要十分復雜的校準就能簡單地投入使用。二氧化碳流量計在測量時需要與差壓變送器配套使用。
本文說明二氧化碳流量計在普光氣田的使用情況，并針對存在的計量問題進行了分析。
1.計量原理及特點
計量原理
標準二氧化碳流量計的計量原理為:基于流體流動的節(jié)流原理，以能量守衡和流動連續(xù)性方程為基礎，利用流體流經標準孔板時在其前、后產生壓差，通過測量壓差的大小就可以間接地知道流量的大小。在標準狀態(tài)下天然氣流量的實用計算公式為:
式中，、為標準狀態(tài)下天然氣體積流量，m; /s; A,為秒計量系數(shù)，視采用計量單位而定，此處A=311 794 x 10 -6; C為流出系數(shù);E為漸近速度系數(shù);d為孔板直徑，mm; F}為相對密度系數(shù);。為可膨脹系數(shù);F:為超壓縮因子;F:為流動溫度系數(shù);P，為孔板上游側取壓孔氣流絕對靜壓，Pa;0P為氣流流經孔板時產生的壓差，Pao
1.2結構及特點
標準二氧化碳流量計結構如圖1所示，包括節(jié)流元件(標準孔板及其取壓裝置)、傳輸壓差信號的引壓管路、閥門以及差壓計等部分。標準孔板是壓差測量時的一次元件，人們利用它在管道內使流體產生壓差，再通過引壓管路把孔板前、后產生的壓差傳送給差壓變送器，再輸人到二次儀表，從而顯示出管道內流體的靜壓、壓差、瞬時流量和累計流量等計量參數(shù)。
標準二氧化碳流量計有以下特點:①高級孔板閥結構簡單，應用技術成熟，容易掌握;②適應性強，可實現(xiàn)在線更換、清洗和檢查孔板;③性能穩(wěn)定可靠，使用壽命長;④孔板為標準節(jié)流元件，不需要標定。存在的缺點主要有:①量程比較小;②壓力損失較大;③受影響因素較多，不確定度大;④對前、后直管段要求高。
2標準二氧化碳流量計在某氣田的應用
某氣田集氣站外輸計量和集氣總站外輸總計量選用的流量計量儀表均為高級孔板閥流量計，由高級孔板閥、流量計算機及過程連接部件3部分組成。由于某氣田介質為高含硫化氫天然氣，且集輸工藝采用保濕混輸工藝，天然氣中含水和單質硫，相對于常規(guī)天然氣計量，標準二氧化碳流量計在普光氣田的應用中有其本身的特點。
2. 1高級孔板閥的選材
某氣田酸氣外輸采用的是丹尼爾高級孔板閥，以法蘭取壓標準孔板作為流量檢測元件。閥體由上、下2部分組成，中間滑閥連通或切斷，設有密封脂注人機構，下閥腔與孔板上游連通。當孔板閥正常工作時，滑閥關閉，下閥腔壓力與上游管內壓力相等，上閥腔壓力與大氣壓力相等，在上、下閥腔之間產生較大的壓力差，此壓力差作用在滑閥下方，從而增強其密封性?？装彘y底部設有排污閥，用于定期吹掃排除閥內污物。上閥腔亦設置有放氣孔，可排出上閥腔內介質?？装彘y可實現(xiàn)在線更換、清洗和檢查孔板，其操作也靈活方便。
為保證在某高含硫化氫工況下高級孔板閥的性能滿足要求，并確保其使用壽命和安全生產，高級孔板閥上、下腔間的密封件采用全硬密封結構，閥板和閥座均采用316L材質，標準孔板片采用In-conel 625材質，可有效防止硫化物應力開裂和氫致開裂。
2. 2流量計算機選擇
對于高含硫化氫氣田來說，一個重要的原則就是盡量減少動靜密封點，從而降低泄漏風險。某氣田地面集輸系統(tǒng)選用的流量計算機為艾默生的FLOBOSS103流量計算機，集成壓差、靜壓雙變量變送器、RTD溫度變送器和流量計算功能于一體。FLOBOSS103檢測孔板兩側壓差及管道靜壓，并通過Pt100熱電阻采集流體溫度，可以就地顯示這些測量值，同時也可通過標準的MODBUS RTU協(xié)議和RS485通信接口將參數(shù)值傳給站控SCADA系統(tǒng)。可以接收上位機控制系統(tǒng)下載的氣體組分信息，也可由MODSCAN犯軟件通過串口通信向FLOBOSS103內寫人氣體組分信息，還可通過配置軟件ROCLINK 800人工輸人組分信息。
雙變量變送器(DVS)采用成熟可靠的羅斯蒙特電容元件技術測量壓差。同時利用壓阻和硅傳感器技術檢測靜壓，測量的過程值精確、穩(wěn)定和可重復性好。其專用微處理器使用存儲在永久存儲器中的特征化數(shù)據(jù)對原始傳感器信號進行線性化和校正。讀數(shù)存儲于FLOBOSS103的內部模擬輸人點中，通過中斷的方式向變送器的處理器發(fā)送數(shù)據(jù)。RTD溫度變送器采用鉑電阻Pt100來采集現(xiàn)場流體溫度，測量范圍為一40一240℃，準確度等級為1 0. 2℃。
2. 3過程連接部件
過程連接部件主要是指2個1 /4NPT的取壓閥、五閥組以及引壓管路。雙變量變送器(DVS)底部采用NPT內螺紋連接孔板上的引壓管。上、下游管線通常連接到孔板的高、低壓側。由于連接部件均為長期接觸高含硫化氫天然氣的部件，且天然氣為濕氣，故不同于一般的天然氣計量場合。普光氣田現(xiàn)場的取壓閥、五閥組和引壓管均采用哈氏合金材質，且連接部件的孔徑較大，如引壓管路內徑為12 mm，以防止沉積的單質硫等雜質堵塞引壓管路。
3誤差分析
某氣田實際生產中，天然氣外輸計量采用的標準二氧化碳流量計存在計量不穩(wěn)定、讀數(shù)偏差較大等問題，各集氣站場的天然氣外輸計量總和與集氣總站分線外輸總計量存在輸差問題。針對這一實際情況，從軟件和硬件2方面展開分析。
3. 1軟件問題產生的計量數(shù)據(jù)誤差
采用標準二氧化碳流量計測量天然氣流量，其流量值與天然氣組分、壓差、壓力和溫度等參數(shù)有關。流量測量系統(tǒng)若未能嚴格按計量標準要求配置相應的測量儀表，流量計算時氣體壓力、溫度和天然氣組分的變化未能得到完全補償，則會造成流量計準確度下降，形成測量誤差。檢查某氣田現(xiàn)場使用的流量計算機計算軟件，其符合**標準，測量系統(tǒng)完全滿足標準二氧化碳流量計計量標準，其測量誤差基本可以忽略不計，所以在采用的計量標準方面，某氣田現(xiàn)場使用標準二氧化碳流量計符合要求，不是產生誤差的原因。
標準孔板測量是通過節(jié)流取壓差，引壓管高壓側為靜壓，軟件根據(jù)靜壓、壓差、溫度、氣體組分、孔板孔徑和管徑等參數(shù)計算流量計值。在軟件中可以對這些參數(shù)進行設置，若其中有一個參數(shù)不準確，都會引起流量不準確?，F(xiàn)場通過流量計配置軟件檢查各流量計參數(shù)的配置情況，設置值均與現(xiàn)場實際情況相符。同時，根據(jù)現(xiàn)場采集到的溫度、壓力、壓差及軟件中配置的管徑、孔徑等參數(shù)，然后根據(jù)國際計量標準AGA8氣體壓縮因子計算方式計算出的流量與流量計測量值非常接近，若以上有任何參數(shù)設置不正確，就會造成氣體計量不準確4-5。隨著高含硫氣田的開發(fā)，氣體中硫化氫含量不斷增加，造成氣體計量誤差不斷增大，通過及時更新氣體組分數(shù)據(jù)，基本保證了氣體流量計量的準確性。
3. 2硬件問題產生的計量數(shù)據(jù)誤差
現(xiàn)場生產實踐表明，標準二氧化碳流量計會因為標準孔板、五閥組、引壓管路等硬件出現(xiàn)異常，導致流量計量不準確，下面分別進行分析。
3. 2. 1標準孔板
對孔板進行研究后發(fā)現(xiàn)，某氣田生產現(xiàn)場85%以上的標準孔板均受到了不同程度的刮傷、變形，觀察上、下游直管段，管道內壁沉積了大量的單質硫，導板周圍出現(xiàn)腐蝕、碳化，且有雜質附著。
某氣田現(xiàn)場作業(yè)較多，關井之后重新開井的過程比較迅速，造成孔板受天然氣的強力沖蝕或機械磨損而產生劃傷、變形，孔板的光潔度下降，人口的尖銳程度變圓，使其圓弧半徑不能滿足標準要求，使得計量數(shù)據(jù)比實際流量偏低;高級孔板閥和直管段內部附著單質硫之后，氣體不能形成穩(wěn)定的牛頓流體，造成計量誤差;孔板在天然氣沖擊過程中，不同程度地產生了偏心，同時導板周圍出現(xiàn)的腐蝕、碳化和雜質沉淀等因素，也會嚴重影響流量計量的準確性。通過嚴格執(zhí)行操作規(guī)程，按照操作步驟平穩(wěn)操作，確定開井方式;同時定期清洗孔板閥、計量直管段等方式可以有效解決上述問題。普光氣田集氣站氣體流量計量不準確，誤差很大，通過拆卸高級孔板閥和直管段，發(fā)現(xiàn)內部有許多單質硫沉積。清洗高級孔板閥和直管段后，氣體流量恢復正常。
3.2.2五閥組
在生產過程中，需要定時對二氧化碳流量計進行排污。通過對五閥組進行解體檢查，發(fā)現(xiàn)內部存在單質硫等雜質，造成五閥組中的平衡閥關不嚴，形成內漏，影響二氧化碳流量計的上、下游取壓，導致壓差信號變小，儀表計量偏低。此類問題可通過清洗或更換新的五閥組得以解決。
3.2.3儀表引壓管路
某天然氣會析出單質硫，單質硫在引壓管路中沉積、固化，會引起引壓管路堵塞，不能正常取壓，二氧化碳流量計不能及時得到正確的靜壓和壓差，從而造成計量偏差。前期在某氣田現(xiàn)場生產過程中經常出現(xiàn)流量計示值長期不變化的情況。對此，采取在二氧化碳流量計引壓管線、五閥組等部位安裝電伴熱裝置的辦法，減少單質硫在引壓管路中的析出、沉積，防止引壓管路堵塞。同時定期對引壓管路進行放空、清洗，確保引壓管路不堵塞。
4結束語
由于某氣田氣質的特殊性，前期生產過程中更多的關注在選材和防腐方面，對造成計量偏差的因素估計不足，導致計量偏差較大;后期采取設定正確的計算參數(shù)，定期清洗孔板閥、五閥組和引壓管線等措施后，圓滿解決了計量偏差問題。總體而言，類似某氣田的工況使用標準二氧化碳流量計需注意以下問題:①設定正確的流量計算參數(shù)，及時修正氣體組分參數(shù);②定期對標準孔板進行檢查、清洗，發(fā)現(xiàn)問題后及時更換;③定期對五閥組及其引壓管路進行排污驗漏檢查，冬季氣溫下降易發(fā)生凍堵和硫沉積，需增加排污次數(shù)。若發(fā)現(xiàn)五閥組及引壓管路堵塞，應及時清洗或更換，保證其正常運行。
*先，二氧化碳流量計是一種方便的裝置，結構簡單容易復制，簡單而又十分牢固，性能穩(wěn)定可靠，不必擔心中途會出現(xiàn)什么巨大的差池和問題，并且，二氧化碳流量計的壽命長，價格低廉，性價比非常高。
其次，二氧化碳流量計的應用之廣泛超乎人的想象，可以測量天然氣、空氣、氮氣、氧氣等氣體，很多工業(yè)中都使用二氧化碳流量計來測量，可見其廣泛性，并且這種裝置容易投入使用，并不需要十分復雜的校準就能簡單地投入使用。二氧化碳流量計在測量時需要與差壓變送器配套使用。
本文說明二氧化碳流量計在普光氣田的使用情況，并針對存在的計量問題進行了分析。
1.計量原理及特點
計量原理
標準二氧化碳流量計的計量原理為:基于流體流動的節(jié)流原理，以能量守衡和流動連續(xù)性方程為基礎，利用流體流經標準孔板時在其前、后產生壓差，通過測量壓差的大小就可以間接地知道流量的大小。在標準狀態(tài)下天然氣流量的實用計算公式為:
式中，、為標準狀態(tài)下天然氣體積流量，m; /s; A,為秒計量系數(shù)，視采用計量單位而定，此處A=311 794 x 10 -6; C為流出系數(shù);E為漸近速度系數(shù);d為孔板直徑，mm; F}為相對密度系數(shù);。為可膨脹系數(shù);F:為超壓縮因子;F:為流動溫度系數(shù);P，為孔板上游側取壓孔氣流絕對靜壓，Pa;0P為氣流流經孔板時產生的壓差，Pao
1.2結構及特點
標準二氧化碳流量計結構如圖1所示，包括節(jié)流元件(標準孔板及其取壓裝置)、傳輸壓差信號的引壓管路、閥門以及差壓計等部分。標準孔板是壓差測量時的一次元件，人們利用它在管道內使流體產生壓差，再通過引壓管路把孔板前、后產生的壓差傳送給差壓變送器，再輸人到二次儀表，從而顯示出管道內流體的靜壓、壓差、瞬時流量和累計流量等計量參數(shù)。
標準二氧化碳流量計有以下特點:①高級孔板閥結構簡單，應用技術成熟，容易掌握;②適應性強，可實現(xiàn)在線更換、清洗和檢查孔板;③性能穩(wěn)定可靠，使用壽命長;④孔板為標準節(jié)流元件，不需要標定。存在的缺點主要有:①量程比較小;②壓力損失較大;③受影響因素較多，不確定度大;④對前、后直管段要求高。
2標準二氧化碳流量計在某氣田的應用
某氣田集氣站外輸計量和集氣總站外輸總計量選用的流量計量儀表均為高級孔板閥流量計，由高級孔板閥、流量計算機及過程連接部件3部分組成。由于某氣田介質為高含硫化氫天然氣，且集輸工藝采用保濕混輸工藝，天然氣中含水和單質硫，相對于常規(guī)天然氣計量，標準二氧化碳流量計在普光氣田的應用中有其本身的特點。
2. 1高級孔板閥的選材
某氣田酸氣外輸采用的是丹尼爾高級孔板閥，以法蘭取壓標準孔板作為流量檢測元件。閥體由上、下2部分組成，中間滑閥連通或切斷，設有密封脂注人機構，下閥腔與孔板上游連通。當孔板閥正常工作時，滑閥關閉，下閥腔壓力與上游管內壓力相等，上閥腔壓力與大氣壓力相等，在上、下閥腔之間產生較大的壓力差，此壓力差作用在滑閥下方，從而增強其密封性?？装彘y底部設有排污閥，用于定期吹掃排除閥內污物。上閥腔亦設置有放氣孔，可排出上閥腔內介質?？装彘y可實現(xiàn)在線更換、清洗和檢查孔板，其操作也靈活方便。
為保證在某高含硫化氫工況下高級孔板閥的性能滿足要求，并確保其使用壽命和安全生產，高級孔板閥上、下腔間的密封件采用全硬密封結構，閥板和閥座均采用316L材質，標準孔板片采用In-conel 625材質，可有效防止硫化物應力開裂和氫致開裂。
2. 2流量計算機選擇
對于高含硫化氫氣田來說，一個重要的原則就是盡量減少動靜密封點，從而降低泄漏風險。某氣田地面集輸系統(tǒng)選用的流量計算機為艾默生的FLOBOSS103流量計算機，集成壓差、靜壓雙變量變送器、RTD溫度變送器和流量計算功能于一體。FLOBOSS103檢測孔板兩側壓差及管道靜壓，并通過Pt100熱電阻采集流體溫度，可以就地顯示這些測量值，同時也可通過標準的MODBUS RTU協(xié)議和RS485通信接口將參數(shù)值傳給站控SCADA系統(tǒng)。可以接收上位機控制系統(tǒng)下載的氣體組分信息，也可由MODSCAN犯軟件通過串口通信向FLOBOSS103內寫人氣體組分信息，還可通過配置軟件ROCLINK 800人工輸人組分信息。
雙變量變送器(DVS)采用成熟可靠的羅斯蒙特電容元件技術測量壓差。同時利用壓阻和硅傳感器技術檢測靜壓，測量的過程值精確、穩(wěn)定和可重復性好。其專用微處理器使用存儲在永久存儲器中的特征化數(shù)據(jù)對原始傳感器信號進行線性化和校正。讀數(shù)存儲于FLOBOSS103的內部模擬輸人點中，通過中斷的方式向變送器的處理器發(fā)送數(shù)據(jù)。RTD溫度變送器采用鉑電阻Pt100來采集現(xiàn)場流體溫度，測量范圍為一40一240℃，準確度等級為1 0. 2℃。
2. 3過程連接部件
過程連接部件主要是指2個1 /4NPT的取壓閥、五閥組以及引壓管路。雙變量變送器(DVS)底部采用NPT內螺紋連接孔板上的引壓管。上、下游管線通常連接到孔板的高、低壓側。由于連接部件均為長期接觸高含硫化氫天然氣的部件，且天然氣為濕氣，故不同于一般的天然氣計量場合。普光氣田現(xiàn)場的取壓閥、五閥組和引壓管均采用哈氏合金材質，且連接部件的孔徑較大，如引壓管路內徑為12 mm，以防止沉積的單質硫等雜質堵塞引壓管路。
3誤差分析
某氣田實際生產中，天然氣外輸計量采用的標準二氧化碳流量計存在計量不穩(wěn)定、讀數(shù)偏差較大等問題，各集氣站場的天然氣外輸計量總和與集氣總站分線外輸總計量存在輸差問題。針對這一實際情況，從軟件和硬件2方面展開分析。
3. 1軟件問題產生的計量數(shù)據(jù)誤差
采用標準二氧化碳流量計測量天然氣流量，其流量值與天然氣組分、壓差、壓力和溫度等參數(shù)有關。流量測量系統(tǒng)若未能嚴格按計量標準要求配置相應的測量儀表，流量計算時氣體壓力、溫度和天然氣組分的變化未能得到完全補償，則會造成流量計準確度下降，形成測量誤差。檢查某氣田現(xiàn)場使用的流量計算機計算軟件，其符合**標準，測量系統(tǒng)完全滿足標準二氧化碳流量計計量標準，其測量誤差基本可以忽略不計，所以在采用的計量標準方面，某氣田現(xiàn)場使用標準二氧化碳流量計符合要求，不是產生誤差的原因。
標準孔板測量是通過節(jié)流取壓差，引壓管高壓側為靜壓，軟件根據(jù)靜壓、壓差、溫度、氣體組分、孔板孔徑和管徑等參數(shù)計算流量計值。在軟件中可以對這些參數(shù)進行設置，若其中有一個參數(shù)不準確，都會引起流量不準確?，F(xiàn)場通過流量計配置軟件檢查各流量計參數(shù)的配置情況，設置值均與現(xiàn)場實際情況相符。同時，根據(jù)現(xiàn)場采集到的溫度、壓力、壓差及軟件中配置的管徑、孔徑等參數(shù)，然后根據(jù)國際計量標準AGA8氣體壓縮因子計算方式計算出的流量與流量計測量值非常接近，若以上有任何參數(shù)設置不正確，就會造成氣體計量不準確4-5。隨著高含硫氣田的開發(fā)，氣體中硫化氫含量不斷增加，造成氣體計量誤差不斷增大，通過及時更新氣體組分數(shù)據(jù)，基本保證了氣體流量計量的準確性。
3. 2硬件問題產生的計量數(shù)據(jù)誤差
現(xiàn)場生產實踐表明，標準二氧化碳流量計會因為標準孔板、五閥組、引壓管路等硬件出現(xiàn)異常，導致流量計量不準確，下面分別進行分析。
3. 2. 1標準孔板
對孔板進行研究后發(fā)現(xiàn)，某氣田生產現(xiàn)場85%以上的標準孔板均受到了不同程度的刮傷、變形，觀察上、下游直管段，管道內壁沉積了大量的單質硫，導板周圍出現(xiàn)腐蝕、碳化，且有雜質附著。
某氣田現(xiàn)場作業(yè)較多，關井之后重新開井的過程比較迅速，造成孔板受天然氣的強力沖蝕或機械磨損而產生劃傷、變形，孔板的光潔度下降，人口的尖銳程度變圓，使其圓弧半徑不能滿足標準要求，使得計量數(shù)據(jù)比實際流量偏低;高級孔板閥和直管段內部附著單質硫之后，氣體不能形成穩(wěn)定的牛頓流體，造成計量誤差;孔板在天然氣沖擊過程中，不同程度地產生了偏心，同時導板周圍出現(xiàn)的腐蝕、碳化和雜質沉淀等因素，也會嚴重影響流量計量的準確性。通過嚴格執(zhí)行操作規(guī)程，按照操作步驟平穩(wěn)操作，確定開井方式;同時定期清洗孔板閥、計量直管段等方式可以有效解決上述問題。普光氣田集氣站氣體流量計量不準確，誤差很大，通過拆卸高級孔板閥和直管段，發(fā)現(xiàn)內部有許多單質硫沉積。清洗高級孔板閥和直管段后，氣體流量恢復正常。
3.2.2五閥組
在生產過程中，需要定時對二氧化碳流量計進行排污。通過對五閥組進行解體檢查，發(fā)現(xiàn)內部存在單質硫等雜質，造成五閥組中的平衡閥關不嚴，形成內漏，影響二氧化碳流量計的上、下游取壓，導致壓差信號變小，儀表計量偏低。此類問題可通過清洗或更換新的五閥組得以解決。
3.2.3儀表引壓管路
某天然氣會析出單質硫，單質硫在引壓管路中沉積、固化，會引起引壓管路堵塞，不能正常取壓，二氧化碳流量計不能及時得到正確的靜壓和壓差，從而造成計量偏差。前期在某氣田現(xiàn)場生產過程中經常出現(xiàn)流量計示值長期不變化的情況。對此，采取在二氧化碳流量計引壓管線、五閥組等部位安裝電伴熱裝置的辦法，減少單質硫在引壓管路中的析出、沉積，防止引壓管路堵塞。同時定期對引壓管路進行放空、清洗，確保引壓管路不堵塞。
4結束語
由于某氣田氣質的特殊性，前期生產過程中更多的關注在選材和防腐方面，對造成計量偏差的因素估計不足，導致計量偏差較大;后期采取設定正確的計算參數(shù)，定期清洗孔板閥、五閥組和引壓管線等措施后，圓滿解決了計量偏差問題。總體而言，類似某氣田的工況使用標準二氧化碳流量計需注意以下問題:①設定正確的流量計算參數(shù)，及時修正氣體組分參數(shù);②定期對標準孔板進行檢查、清洗，發(fā)現(xiàn)問題后及時更換;③定期對五閥組及其引壓管路進行排污驗漏檢查，冬季氣溫下降易發(fā)生凍堵和硫沉積，需增加排污次數(shù)。若發(fā)現(xiàn)五閥組及引壓管路堵塞，應及時清洗或更換，保證其正常運行。