渦輪流量計(jì)在天然氣場(chǎng)站中的應(yīng)用

唐立龍，張乃祿

（西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，人口越來越集中，人民收入越來越高，天然氣作為一種高效的清潔能源已經(jīng)走進(jìn)了城市和鄉(xiāng)村，有望和電力一樣走進(jìn)每家每戶。此外人們對(duì)空氣質(zhì)量越來越重視，因此在工業(yè)領(lǐng)域煤改氣項(xiàng)目實(shí)施的越來越多。再者作為傳統(tǒng)清潔能源的核能，由于日本福島事件的影響，現(xiàn)在核電廠在歐洲處于不斷關(guān)停的趨勢(shì)；風(fēng)能和太陽能雖然都是最清潔的能源但是由于自身分布太廣且利用率低和上網(wǎng)困難等問題也很難發(fā)展壯大；水能雖然較為理想，但是適合建壩的地方并不多。所以從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，天然氣在能源中的消耗占比也將不斷增加。反映到地方企業(yè)上某天然氣股份有限公司的天然氣場(chǎng)站每年冬運(yùn)的輸氣量確實(shí)在不斷增長(zhǎng)，很多天然氣場(chǎng)站在冬季都是滿負(fù)荷運(yùn)行。因此給工作人員和設(shè)備設(shè)施運(yùn)行帶來了壓力。而作為天然氣場(chǎng)站關(guān)鍵的計(jì)量設(shè)備之一的渦輪流量計(jì)在計(jì)量中發(fā)揮著重要作用。它因?yàn)橛?jì)量準(zhǔn)確、易于安裝、占地面積小、維護(hù)保養(yǎng)簡(jiǎn)單、事故少。越來越受到天然氣輸氣場(chǎng)站青睞。而且在油氣田、化工企業(yè)、天然氣門站等發(fā)揮著越來越重要的角色。

1 渦輪流量計(jì)的原理

當(dāng)天然氣通過渦輪流量計(jì)的渦輪時(shí)，氣體分子通過碰撞渦輪葉片，將動(dòng)能和勢(shì)能傳遞給渦輪，使渦輪做圓周運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，在一定的流量范圍內(nèi)，對(duì)一定的氣體介質(zhì)，渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度與流體流速成正比。因此，流體流速可通過渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度得到，并通過機(jī)械傳動(dòng)傳給機(jī)械表頭通過計(jì)數(shù)器從而得到氣體的工況流量。渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度通過安裝在流量計(jì)外面的信號(hào)檢測(cè)放大器用電磁感應(yīng)的原理來測(cè)量[1-2]。當(dāng)渦輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，渦輪上螺旋形葉片依次接近和遠(yuǎn)離處于管壁外的磁電感應(yīng)線圈，周期性的改變感應(yīng)線圈磁回路磁阻，使通過線圈的磁通量發(fā)生周期性的變化而產(chǎn)生與流量成正比的信號(hào)。由于剛感應(yīng)出的信號(hào)還很微弱，因此需要通過級(jí)聯(lián)的多個(gè)放大電路放大后再輸出；此時(shí)的信號(hào)中由于存在諸多干擾和噪音，為了去除干擾信號(hào)得到有用信號(hào)，就要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。這時(shí)的信號(hào)由于不是規(guī)整的脈沖信號(hào)，因此就需要通過電壓比較器轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的磁脈沖信號(hào)再通過表頭的計(jì)數(shù)器來得出，可以得到瞬時(shí)流量和累計(jì)流量，再上傳到PLC柜就可以顯示在工控機(jī)上，并且通過衛(wèi)星通信或以太網(wǎng)就可以傳到調(diào)控中心。

2 影響計(jì)量的原因

眾所周知，影響計(jì)量的原因很多。除了天然氣的一些原因，也有設(shè)備設(shè)施的原因和在管理上的一些原因。下面我們就從日常工作中逐一分析。

（1）因?yàn)樘烊粴鈩傞_采出來時(shí)本身含有硫化氫，如果凈化廠除硫除不干凈，就會(huì)有殘留氣體存到長(zhǎng)輸管網(wǎng)中。硫化氫氣體與水汽結(jié)合會(huì)形成酸性氣體，而酸性氣體不僅會(huì)腐蝕流量計(jì)金屬主體，而且會(huì)腐蝕渦輪，使渦輪變脆，影響渦輪流量計(jì)的使用壽命和計(jì)量準(zhǔn)確性。

（2）在冬季由于采暖原因晚上輸氣量較大，且在陜北地區(qū)氣溫在夜間有時(shí)甚至?xí)_(dá)到零下二十度左右，當(dāng)溫度低于露點(diǎn)時(shí)就會(huì)有水汽在管線中析出形成水珠，由于溫度低于零下所以水就會(huì)在渦輪中結(jié)冰造成渦輪冰堵現(xiàn)象，使得供氣出現(xiàn)停輸。

（3）氣體中的粉塵[3]會(huì)給葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)帶來阻力，粉塵多時(shí)就會(huì)導(dǎo)致氣體通道被堵，影響葉片旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而影響計(jì)量，產(chǎn)生粉塵的原因是管線在施工完成后沒有清理干凈，還有就是管道內(nèi)壁在氣體的沖擊下會(huì)生成鐵粉。

（4）在天然氣開采過程中，會(huì)伴隨著一定的油分子帶出，如果太多的話還會(huì)產(chǎn)生凝析油，如果在凈化過程中處理不干凈，則會(huì)沾到渦輪葉片或者葉輪的內(nèi)壁上，并在渦輪高速旋轉(zhuǎn)下做離心運(yùn)動(dòng)，影響渦輪做圓周運(yùn)動(dòng)。

（5）壓力傳感器和溫變信號(hào)[4]的傳輸也會(huì)影響渦輪流量計(jì)的計(jì)量，因?yàn)闄z測(cè)的信號(hào)都有可能因?yàn)楦鞣N原因?qū)е聹p小或者增大，因此確保渦輪流量計(jì)的壓變和溫變、流量計(jì)算機(jī)每半年按時(shí)效驗(yàn)一次。

（6）因?yàn)樘烊粴庵谐^甲烷，還會(huì)有少量的乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等。所以用色譜分析儀定期對(duì)氣體組分進(jìn)行標(biāo)定，確定氣體的具體組分，可以使得計(jì)量更加精準(zhǔn)。

（7）因?yàn)橛脷庥懈叩头?，?dāng)氣體流量大于額定量程的百分之八十或者低于百分之二十時(shí)就會(huì)計(jì)量不準(zhǔn)確，所以選定合適量程渦輪流量計(jì)確保流量范圍在百分之二十到百分之八十之間，如果流量太低或者太高應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況切換到備用支路或者更合適量程的渦輪流量計(jì)來計(jì)量。

3 渦輪流量計(jì)在天然氣場(chǎng)站中使用的技術(shù)

（1）SCADA(數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)）[5]，以計(jì)算機(jī)為核心的控制系統(tǒng)。在鐵路、電力、化工、石油行業(yè)中具有極其重要的作用。在天然氣長(zhǎng)輸管網(wǎng)公司中，調(diào)控中心SCADA系統(tǒng)控制主機(jī)，通過路由器將數(shù)據(jù)傳到衛(wèi)星主站和DNN/PSTN公網(wǎng)，通過衛(wèi)星天線將數(shù)據(jù)傳到衛(wèi)星再傳到各個(gè)場(chǎng)站的衛(wèi)星天線再經(jīng)過衛(wèi)星通訊設(shè)備到場(chǎng)站PLC控制柜。公網(wǎng)數(shù)據(jù)通過光纖將傳給場(chǎng)站交換機(jī)再到場(chǎng)站PLC柜。而PLC連接了天然氣場(chǎng)站的機(jī)組數(shù)據(jù)，快速截?cái)嚅y，電動(dòng)球閥，超聲波流量計(jì)，壓變，溫變，渦輪流量計(jì)，輔助設(shè)備設(shè)施等數(shù)據(jù)。渦輪流量計(jì)在運(yùn)行過程中將采集的壓力、溫度、和渦輪數(shù)據(jù)，傳到渦輪流量計(jì)表頭（流量積算儀）。以愛拓力流量計(jì)為例，表頭具有流量計(jì)算、數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設(shè)置、時(shí)鐘設(shè)置、數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、故障診斷等功能。利用Modbus協(xié)議將采集的流量信號(hào)上傳到PLC(可編程邏輯控制器）的計(jì)量模塊，再傳到工控機(jī)就可以在電腦桌面上顯示瞬時(shí)流量、累計(jì)流量。然后PLC根據(jù)TCP/IP協(xié)議可以將數(shù)據(jù)上傳到以太網(wǎng)，通過通訊設(shè)備傳到調(diào)控中心，調(diào)控中心根據(jù)輸氣計(jì)劃就可以隨時(shí)給場(chǎng)站下達(dá)指令或者自己對(duì)用戶進(jìn)行輸氣計(jì)劃調(diào)整。其原理圖見圖1。

圖1 渦輪流量計(jì)信號(hào)傳遞原理圖

（2）渦輪流量計(jì)采用先進(jìn)的集成芯片和微機(jī)技術(shù)，表頭功耗低，內(nèi)部電池可以使用兩年左右，不僅可以讀取累計(jì)瞬時(shí)氣量、昨日累計(jì)氣量、今日累計(jì)流量、歷史流量數(shù)據(jù)，可輸出標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號(hào)，將信號(hào)遠(yuǎn)傳和上位機(jī)進(jìn)行通訊，方便數(shù)據(jù)記錄。

（3）渦輪流量計(jì)采用RS485通訊，接口組成半雙工網(wǎng)絡(luò)采用兩線制，用屏蔽的雙絞線傳輸，這種接線方式為總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在同一總線上最多可以掛接32個(gè)結(jié)點(diǎn)。RS485較之RS232不容易損壞接口電路芯片，且該電平與TTL電路兼容，可方便與TTL電路連接。數(shù)據(jù)傳輸效率高，速度可以到10Mbps，抗共模能力增強(qiáng)，抗噪聲干擾好，傳輸距離可以到3KM。

4 渦輪流量計(jì)的維護(hù)保養(yǎng)

4.1 日維護(hù)保養(yǎng)

對(duì)渦輪流量計(jì)進(jìn)行巡檢，觀察讀數(shù)顯示及電池電量顯示是否清晰、真實(shí)、準(zhǔn)確。檢查渦輪流量計(jì)各密封點(diǎn)有無泄漏現(xiàn)象，如有泄漏現(xiàn)象應(yīng)及時(shí)處理；

保持渦輪流量計(jì)外觀及其附件的清潔狀態(tài)；

檢查儀表檢定標(biāo)識(shí)是否清晰、有效，鉛封是否良好。

4.2 月維護(hù)保養(yǎng)

檢查渦輪流量計(jì)本體及附件是否完整、是否有銹蝕或損壞，銘牌是否清晰，接插件是否接觸良好，端子接線等是否牢固；

檢查防爆撓性管連接是否可靠，若有松動(dòng)應(yīng)及時(shí)緊固；

檢查防雷接地是否可靠，確保防雷接地線各連接處無松動(dòng)、無銹蝕。

4.3 季維護(hù)保養(yǎng)

春秋檢時(shí)對(duì)所配用的過濾除塵器進(jìn)行拆解檢查并清潔；

春秋檢時(shí)對(duì)渦輪流量計(jì)的葉輪及軸承進(jìn)行清潔和潤(rùn)滑保養(yǎng)，并經(jīng)檢定合格后方可恢復(fù)正常使用；

春秋檢時(shí)根據(jù)電池電量提示及時(shí)更換液晶顯示屏電池；

春秋檢檢查防爆撓性管是否老化、龜裂，對(duì)影響防爆性能的及時(shí)更換。

4.4 年維護(hù)保養(yǎng)

每半年效驗(yàn)一次。

5 渦輪流量計(jì)的安裝注意事項(xiàng)

確保完好的渦輪流量計(jì)上有箭頭方向表明流體方向不能裝反；

安裝的管道必須吹掃干凈里面的殘?jiān)?/p>

渦輪流量計(jì)必須水平安裝，表頭朝上；

渦輪流量計(jì)上游必須安裝帶有差壓表的過濾器，且過濾器距離渦輪有一段較長(zhǎng)的直管段，以確保流體正常平穩(wěn)的流動(dòng)。

6 渦輪流量計(jì)的使用的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易，使用范圍廣

渦輪流量計(jì)以德國(guó)愛拓利流量計(jì)為例主要部件有：流量計(jì)主體、穩(wěn)流器、渦輪的測(cè)量單元、軸承、累加器、磁耦合裝置，校正儀。該流量計(jì)適用于低，中，高壓氣體都可以計(jì)量。管道公稱直徑從DN50～DN500范圍都有，溫度范圍從-20℃～+60℃。因此計(jì)量范圍廣，大流量、小流量都可以，既能適應(yīng)寒冷地區(qū)，也適應(yīng)高溫地區(qū)。

（2）使用方便，量程寬

以S省場(chǎng)站應(yīng)用最多的渦輪流量計(jì)，正在逐漸取代孔板流量計(jì)。因?yàn)闇u輪流量計(jì)量程寬，在一次更換后基本可以滿足全年高低峰的使用要求。不需要再頻繁更換孔板流量計(jì)的孔板和效驗(yàn)壓變。該流量計(jì)量程一般量程是1:30，最大甚至可擴(kuò)展至1:50。而孔板流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)量程比1:13，最大可拓展至1:30，比渦輪流量計(jì)少了很多。

（3）計(jì)量精度準(zhǔn)確

以愛托利流量計(jì)為例最大允許誤差為最小流量的+/-2%，最大流量的0.2。

缺點(diǎn)：

對(duì)氣質(zhì)要求高，測(cè)量氣體必須純度高，雜質(zhì)少。

7 渦輪流量計(jì)常見問題及故障處理（見表1）

表1 渦輪流量計(jì)常見問題及故障處理

8 結(jié)語

目前天然氣場(chǎng)站現(xiàn)行的例行工作和工藝條件不能有效降低天然氣氣質(zhì)中的雜質(zhì)。所以為了提高渦輪流量計(jì)計(jì)量的準(zhǔn)確性，應(yīng)該從以下幾點(diǎn)得到加強(qiáng)。

第一是從日常工作方面加強(qiáng)沿線天然氣場(chǎng)站臥分和過濾器的層層排污，目的是在天然氣進(jìn)入流量計(jì)之前設(shè)置層層屏障，在雜質(zhì)進(jìn)入流量計(jì)之前就把它清理干凈。第二定期采取清管作業(yè)，當(dāng)管輸效率降低到90%以下時(shí)對(duì)管道里的污物定期清理干凈。第三根據(jù)在場(chǎng)站排污時(shí)所排的雜質(zhì)的多少，判斷是否要進(jìn)行多次排污，以確定是否已經(jīng)達(dá)標(biāo)。第四個(gè)是流量計(jì)的使用說明書、合格證書、檢定證書都應(yīng)該具備且在有效期內(nèi)，及備品備件原則上按使用總數(shù)的3%儲(chǔ)備。場(chǎng)站應(yīng)該應(yīng)該有專門的計(jì)量管理人員負(fù)責(zé)計(jì)量器具及資料的管理，保證計(jì)量器具資料的完整。從技術(shù)方面在做好平時(shí)渦輪流量計(jì)的維護(hù)保養(yǎng)和每年的檢定，確保流量計(jì)的運(yùn)行在檢定周期內(nèi)。第五加強(qiáng)公司對(duì)日常工作的考核力度，確保每項(xiàng)工作都順利完成。