孔板流量計(jì)在酸氣計(jì)量中存在的問(wèn)題分析

鄭莉萍

中國(guó)石化中原油田分公司技術(shù)監(jiān)測(cè)中心 （河南 濮陽(yáng) 410900）

川東北的普光高含硫化氫氣田屬超深、高含硫、高壓、復(fù)雜山地氣田，出井天然氣含雜質(zhì)較多，沿工藝管線、設(shè)備至上而下壓力、溫度等因素梯度變化，導(dǎo)致單質(zhì)硫及其他雜質(zhì)沉積，氣質(zhì)、氣流條件無(wú)法達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求，容易產(chǎn)生計(jì)量誤差。探討現(xiàn)場(chǎng)工況中容易出現(xiàn)的孔板堵塞、引壓管積液或堵塞對(duì)計(jì)量準(zhǔn)確度的影響，以及為消除或降低影響而采取的措施。

1 孔板流量計(jì)的工作原理

孔板流量計(jì)是一套流量測(cè)量裝置，由節(jié)流裝置、信號(hào)引線、二次儀表系統(tǒng)組成。節(jié)流裝置包括標(biāo)準(zhǔn)孔板、取壓裝置（孔板夾持器）和上下游測(cè)量管，主要作用是使管道中流動(dòng)的流體產(chǎn)生靜壓力差[1]。

充滿管道的天然氣在流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流裝置（孔板）時(shí)，流束將在節(jié)流件處形成局部收縮，從而使流速增加，壓力降低，在節(jié)流件上下游便產(chǎn)生了壓差，流量越大，產(chǎn)生的壓差越大；流量越小，產(chǎn)生的壓差越小。在已知有關(guān)參數(shù)的條件下，根據(jù)流動(dòng)連續(xù)性原理和伯努利方程可以推導(dǎo)出差壓與流量之間的關(guān)系，從而可以計(jì)算出流量的大小。

2 孔板流量計(jì)在高酸性氣田的應(yīng)用情況

2.1 普光氣田天然氣特點(diǎn)

普光氣田是目前國(guó)內(nèi)已探明并投入開(kāi)發(fā)的H2S和CO2含量最高的氣田，生產(chǎn)的天然氣中H2S含量達(dá)13%～18%，CO2含量達(dá)8.6%，是典型的高酸氣田，生產(chǎn)過(guò)程中存在著設(shè)備裝置的元素硫堵塞、H2S腐蝕及CO2的弱酸腐蝕等問(wèn)題。

2.2 普光氣田集輸站場(chǎng)孔板流量計(jì)的使用現(xiàn)狀

孔板流量計(jì)是目前集氣站場(chǎng)使用較為廣泛的計(jì)量裝置，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的特點(diǎn)。普光氣田集輸系統(tǒng)設(shè)置有多井輪換計(jì)量組合裝置，主要用于實(shí)現(xiàn)多口氣井氣液分離后分別進(jìn)行計(jì)量的一種分離分輸計(jì)量組合裝置。普光氣田集輸站場(chǎng)的天然氣計(jì)量，采用的是孔板節(jié)流計(jì)量，其中在單井加熱爐、計(jì)量分離器、外輸管線處均安裝有孔板計(jì)量裝置。

1）加熱爐計(jì)量裝置。安裝在加熱爐計(jì)量管段上的高級(jí)孔板閥是針對(duì)單井進(jìn)行計(jì)量的裝置，該裝置前沒(méi)有設(shè)置氣體分離系統(tǒng)。未經(jīng)氣液分離并加雜著一些緩蝕劑的混合天然氣，經(jīng)過(guò)節(jié)流降壓后，進(jìn)入孔板裝置進(jìn)行計(jì)量。雜質(zhì)對(duì)孔板閥的使用壽命及計(jì)量的準(zhǔn)確性影響很大。

2）分離器計(jì)量裝置。計(jì)量分離器的高級(jí)孔板閥安裝在分離器氣相出口，是對(duì)單井產(chǎn)量進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)量的現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量裝置，由臥式重力式分離器和孔板計(jì)量裝置組成。單井天然氣在分離器內(nèi)經(jīng)過(guò)氣、液、固體雜質(zhì)分離后，再對(duì)氣、液分別進(jìn)行的計(jì)量。此處計(jì)量數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確，是各單井合理配產(chǎn)的依據(jù)所在。

3）外輸計(jì)量裝置。外輸計(jì)量孔板閥安裝在外輸計(jì)量直管段上，是對(duì)整座集氣站所有氣井產(chǎn)出的混合天然氣進(jìn)行計(jì)量。

普光氣田集氣站的外輸系統(tǒng)采用的是氣、液混輸濕氣輸送設(shè)計(jì)，此處的管徑大、輸氣壓力穩(wěn)定。加元素硫在前面管線、匯管、計(jì)量分離器等設(shè)備的分離、沉降，造成此處的元素硫堵塞較少，對(duì)計(jì)量的影響較小。

3 孔板流量計(jì)在使用中存在的問(wèn)題

3.1 被測(cè)流體特性的影響

GB/T 21446—2008《用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，通過(guò)孔板的天然氣是經(jīng)凈化處理后的天然氣，氣流是均勻單相的牛頓流體。若氣體中含有的固體或液體微粒成均勻分散狀態(tài)，且質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò)2%，也可認(rèn)為是均勻單相的牛頓流體。流經(jīng)孔板以前的氣流流束應(yīng)與管道軸線平行，氣流流動(dòng)應(yīng)為充分發(fā)展紊流且無(wú)旋渦，管道橫截面所有點(diǎn)上的旋渦角小于2°即認(rèn)為無(wú)旋渦。

但是由于川東北高含硫化氫氣田屬超深、高含硫、高壓、復(fù)雜山地氣田，出井天然氣含雜質(zhì)較多，沿工藝管線、設(shè)備至上而下壓力、溫度等因素梯度變化，導(dǎo)致單質(zhì)硫及其他雜質(zhì)沉積，氣質(zhì)、氣流條件達(dá)不到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求，容易產(chǎn)生計(jì)量誤差[2]。

3.1.1 堵塞物形成機(jī)理

1）化學(xué)溶解和化學(xué)沉積。含硫天然氣中存在著一個(gè)對(duì)于單質(zhì)硫的溶解和沉積有著很大影響的化學(xué)平衡。加拿大Albert Sulfur ResearchLdt的研究表明，在地層條件下，元素硫與H2S發(fā)生反應(yīng)可形成一種多硫化氫物質(zhì)。

含硫氣藏開(kāi)發(fā)時(shí)，多硫化氫天然氣在穿過(guò)遞減的壓力和溫度剖面時(shí)，反應(yīng)平衡點(diǎn)發(fā)生變化，多硫化氫分解，生成單質(zhì)硫。當(dāng)氣相中溶解的元素硫達(dá)到臨界飽和度時(shí)，元素硫隨著壓力的繼續(xù)降低而析出。分解出的硫量達(dá)到一定值，流體氣動(dòng)力不足以攜帶固態(tài)顆粒硫時(shí)，元素硫就會(huì)沉積在管壁并聚集起來(lái)，這一沉積過(guò)程主要發(fā)生的是化學(xué)反應(yīng)。[3]

2）物理溶解和物理沉積。稠密流體（地層條件下時(shí)為地層天然氣）對(duì)單質(zhì)硫的物理溶解與解析能力也有很大影響。在油藏儲(chǔ)集層高溫高壓的環(huán)境下，天然氣對(duì)單質(zhì)硫有很大的溶解度。當(dāng)含硫天然氣藏投入開(kāi)發(fā)后，隨著壓力、溫度的不斷降低，元素硫的溶解度也相應(yīng)降低。一旦壓力、溫度降低到臨界值以下，便會(huì)有大量的單質(zhì)硫析出。當(dāng)析出的硫量達(dá)到一定值，且流體氣動(dòng)力條件不足以攜帶硫的固態(tài)顆粒時(shí)，這些析出的硫便會(huì)沉積下來(lái)，這一沉積過(guò)程主要是物理變化。

3.1.2 堵塞對(duì)計(jì)量的影響

從現(xiàn)場(chǎng)勘查及堵塞物形成機(jī)理可知，高含硫化氫氣田在生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中所帶出的酸液顏色呈黃色或淺黃色，經(jīng)化驗(yàn)和分析判斷主要含單質(zhì)硫。在日常清洗集氣站高級(jí)孔板閥計(jì)量系統(tǒng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，管壁、整流器、孔板、導(dǎo)壓系統(tǒng)附著有大量單質(zhì)硫等雜質(zhì)，更存在整流器整流孔幾乎被完全堵塞的情況。這些雜質(zhì)不僅使得流量計(jì)導(dǎo)壓系統(tǒng)不能準(zhǔn)確地錄取靜壓、差壓等參數(shù)，還使整流器失去原有的整流作用，氣體的流態(tài)發(fā)生變化，影響計(jì)量的準(zhǔn)確度。因此，定期清洗流量計(jì)和解決工藝系統(tǒng)內(nèi)硫沉積是提高計(jì)量準(zhǔn)確度的關(guān)鍵。而試驗(yàn)結(jié)果表明，雜質(zhì)形態(tài)受溫度影響也較大，保持計(jì)量裝置內(nèi)外部處于較高溫度對(duì)減少硫沉積、提高計(jì)量準(zhǔn)確度尤為顯著。

1）堵塞導(dǎo)致計(jì)量直管段直徑變化。從生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，計(jì)量裝置上下游的直管段會(huì)逐漸出現(xiàn)沉積硫，直接導(dǎo)致直管段的直徑變小，嚴(yán)重時(shí)如圖1所示，造成氣的流動(dòng)范圍減小。

圖1 計(jì)量直管段堵塞

2）整流器堵塞導(dǎo)致整流效果降低。氣體通過(guò)節(jié)流裝置的流動(dòng)必須是保持層流。在氣體流經(jīng)孔板前，其流束必須與管道軸線平行，不得有紊流。而為了保持經(jīng)過(guò)孔板閥時(shí)的氣體流態(tài)為層流，集氣站各孔板計(jì)量裝置前均安裝了整流器，但在實(shí)際運(yùn)行中，整流器經(jīng)常出現(xiàn)篩孔堵塞的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)如圖2所示，導(dǎo)致流態(tài)發(fā)生變化，失去整流作用。

3）孔板閥閥腔內(nèi)、孔板及提升導(dǎo)板上附著雜質(zhì)過(guò)多。對(duì)集氣站的高級(jí)孔板閥拆洗時(shí)，發(fā)現(xiàn)高級(jí)孔板閥的孔板上、導(dǎo)板以及腔內(nèi)附著大量的單質(zhì)硫等。這些雜質(zhì)會(huì)對(duì)孔板的銳利度產(chǎn)生不良影響，導(dǎo)致計(jì)量不準(zhǔn)確，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致孔板無(wú)法正常的提取，給高級(jí)孔板閥的定期清洗工作造成不便。

圖2 整流器堵塞

3.2 導(dǎo)壓系統(tǒng)問(wèn)題

引壓管最容易出現(xiàn)的問(wèn)題是有積液和堵塞。

3.2.1 引壓管積液

由于天然氣中含有水分，會(huì)出現(xiàn)引壓管積液現(xiàn)象。這種積液往往會(huì)造成流量計(jì)測(cè)量失真，導(dǎo)致變送器的輸出出現(xiàn)波動(dòng)。在寒冷的冬季很容易造成凍堵，最終導(dǎo)致流量計(jì)無(wú)法正常運(yùn)行。因此，需要定期對(duì)積液進(jìn)行排放。

3.2.2 引壓管堵塞

由于測(cè)量介質(zhì)天然氣中含有單質(zhì)硫等雜質(zhì),介質(zhì)黏稠，會(huì)導(dǎo)致引壓管堵塞。如不定期排污，引壓管更易堵塞，甚至導(dǎo)致雜質(zhì)固化。一旦發(fā)生上述情況，流量計(jì)將無(wú)法正常運(yùn)行。因此，要定期排污或疏通。

按照規(guī)定，集氣站（包括集氣總站）對(duì)引壓管進(jìn)行周期性排堵，冬季每班一次，夏季每天一次。另外，集氣總站當(dāng)產(chǎn)量降低約20×104m3時(shí)，及時(shí)對(duì)導(dǎo)壓管、五閥組進(jìn)行加強(qiáng)解堵。由于頻繁解堵會(huì)降低五閥組的密封性，需要每年更換一次五閥組。

3.2.3 節(jié)流裝置鈍化

孔板流量計(jì)的流出系數(shù)C是在標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行校準(zhǔn)標(biāo)定的。當(dāng)孔板和孔板夾持器或者孔板入口直角銳利度未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，會(huì)引起氣體流態(tài)畸變，使流出系數(shù)C值改變，最終影響流量計(jì)準(zhǔn)確度。小孔徑孔板入口邊緣輕微的磨圓會(huì)引起流量測(cè)量值5%的負(fù)偏差；而高含硫天然氣具有較強(qiáng)的腐蝕性，嚴(yán)重磨蝕和中等沾污的孔板也會(huì)引起12%的負(fù)偏差。另外，高壓流體的沖刷也會(huì)導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)孔板的入口直角銳利度發(fā)生鈍化[4]。

嚴(yán)重鈍化時(shí)會(huì)使流出系數(shù)偏移1%～2%。在流量計(jì)算中，對(duì)孔板入口直角銳利度的精確修正造成很大的困難。2017年2季度，對(duì)某區(qū)塊16座集氣站共計(jì)65套高級(jí)孔板閥清洗過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)不同程度損傷的孔板共8塊，占全部孔板的12.3%。顯然，定期檢查孔板保證流出系數(shù)C值的穩(wěn)定對(duì)提高計(jì)量準(zhǔn)確度也很重要。

3.2.4 密封圈、平衡閥滲漏

川東北高含硫化氫氣田地層天然氣不僅存在流速快，還存在氣質(zhì)組分復(fù)雜的特點(diǎn)。根據(jù)對(duì)殘酸液進(jìn)行取樣，發(fā)現(xiàn)黏度較高、成分復(fù)雜。另外，由于氣田開(kāi)發(fā)采用連續(xù)加注緩蝕劑的防腐工藝，而緩蝕劑黏度大，易與沉積物結(jié)合，形成顆狀物質(zhì)。在實(shí)際生產(chǎn)中，密封圈與孔板之間、平衡閥密封部分容易沉積雜質(zhì)或損傷（圖3）。氣體流經(jīng)孔板時(shí)直接從孔板外邊緣以及上腔滲漏至下游，導(dǎo)致計(jì)量偏低。

圖3 密封圈損壞

4 建議

4.1 加強(qiáng)流量計(jì)的維護(hù)保養(yǎng)

加強(qiáng)流量計(jì)各部位定期維護(hù)保養(yǎng)。每周對(duì)孔板閥操作檢查一次，每月對(duì)孔板清洗一次，保證孔板閥操作正常，孔板清潔、無(wú)損傷。每活動(dòng)一次滑閥，就加注一次密封脂，保證滑閥嚴(yán)密不漏，密封良好。保持孔板閥表面清潔，油漆無(wú)脫落、銹蝕，銘牌清晰，零部件齊全完好，無(wú)內(nèi)外滲現(xiàn)象，可動(dòng)部分靈活好用。除定期清洗保養(yǎng)之外，可采用專用電磁加熱器對(duì)孔板流量計(jì)測(cè)量管段定期進(jìn)行加熱除垢，以減少因管道結(jié)垢變徑對(duì)計(jì)量的影響。同時(shí)，規(guī)范安裝引壓管伴熱系統(tǒng)，以減少引壓管堵塞現(xiàn)象[5]。

4.2 實(shí)施有效的解堵措施

4.2.1 溶硫劑解堵

溶硫劑MDEA(二甲基二硫等混合物)是一種非常高效的解除元素硫沉積堵塞的解堵劑，解堵效果顯著。但溶硫劑具有極強(qiáng)的腐蝕性，容易造成設(shè)備附件損壞（如孔板密封墊圈、提升軸密封膠圈等）。因此僅在已經(jīng)完全被單質(zhì)硫堵塞、設(shè)備材質(zhì)允許的條件下小范圍使用。

4.2.2 蒸汽解堵

開(kāi)始時(shí)對(duì)孔板閥內(nèi)的元素硫堵塞采用清水沖洗的方法進(jìn)行處理，但效果不理想，附著在提升軸齒輪、導(dǎo)板齒縫和滑板上的部分雜質(zhì)無(wú)法完全被清洗掉，雜質(zhì)依然會(huì)對(duì)孔板閥的正常操作造成影響。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，用高壓蒸汽沖洗的方法較好。高壓蒸汽不僅能將閥腔內(nèi)的元素硫雜質(zhì)沖洗干凈，還能將閥腔內(nèi)殘存的緩蝕劑、密封脂等雜質(zhì)沖洗干凈，不留死角，對(duì)閥體內(nèi)的附件也不會(huì)造成傷害。清洗完畢后，閥門(mén)操作靈活、可靠，投入運(yùn)行后持續(xù)生產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)，清洗效果非常顯著。

4.3 及時(shí)更換計(jì)量分離器高級(jí)孔板閥孔板密封墊圈

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，計(jì)量分離器高級(jí)孔板閥孔板的橡膠密封墊圈使用一個(gè)月左右就會(huì)出現(xiàn)腐蝕老化。因此，每月對(duì)計(jì)量分離器高級(jí)孔板閥進(jìn)行一次維護(hù)保養(yǎng)，對(duì)失效的橡膠密封墊圈及時(shí)進(jìn)行更換。目前，試驗(yàn)使用耐腐性更強(qiáng)的四聚氟乙烯材料替代橡膠制作孔板密封墊，應(yīng)用效果較好。

5 結(jié)論

高酸氣田集氣站場(chǎng)使用的高級(jí)孔板閥，是站場(chǎng)天然氣計(jì)量的重要設(shè)備，在運(yùn)行過(guò)程中受到所計(jì)量介質(zhì)的性質(zhì)、壓力、溫度以及自身材質(zhì)、結(jié)構(gòu)等多種因素的影響，造成操作困難、計(jì)量不準(zhǔn)確等問(wèn)題，嚴(yán)重影響現(xiàn)場(chǎng)的安全平穩(wěn)生產(chǎn)。

在目前無(wú)法改變天然氣高含H2S的客觀情況下，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作，提出了一些解堵、維修保養(yǎng)的方法，取得了一定的效果。通過(guò)以上一系列的維護(hù)保養(yǎng)措施和改進(jìn)工作，能更好地解決高級(jí)孔板閥在日常使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，保證孔板閥的安全運(yùn)行和天然氣計(jì)量的準(zhǔn)確。