天然氣凈化裝置常用流量計的選型分析

來源：中國石油天然氣第一建設有限公司作者：郝孟菲張凱發(fā)布日期：2022-01-07

摘要：文章介紹了天然氣凈化裝置中常用的幾種流量計，并根據(jù)各流量計的原理和使用實際情況進行分析，提出流量計的選型建議。

前言

流量是天然氣凈化裝置的重要檢測參數(shù)，正確的流體流量測量是保證生產(chǎn)過程安全運行、提高產(chǎn)品質(zhì)量的基礎。隨著科學技術的進步，為達到保證天然氣凈化質(zhì)量、節(jié)能減排、提高生產(chǎn)效率的目的，人們在流量計性能的提高、使用對象適應性增強及經(jīng)濟性提高等各方面采取相應辦法和措施。本文結(jié)合常用流量計的設計原理和天然氣凈化裝置流量檢測實際情況，提出流量計的選型建議，供探討交流。

2 常用流量計類型特點分析

天然氣凈化裝置流體介質(zhì)復雜多樣，測量環(huán)境不盡相同，可供選擇的流量計種類繁多，常用的流量計主要有孔板流量計、渦街流量計、電磁流量計、超聲波流量計等。

2． 1 孔板流量計

孔板流量計是利用流體流動過程中在一定條件下動能和靜壓能可以相互轉(zhuǎn)換的原理進行流量測量的�？装辶髁坑嫿Y(jié)構(gòu)簡單，牢靠，性能穩(wěn)定，使用期限長，價格低廉，且應用范圍極廣，至今任何一類流量計無可與之比擬，液、氣、蒸汽皆可測量，部分氣固、氣液、液固等亦可應用。但由于本身存在壓損較大，范圍度窄( 一般范圍度為 3∶ 1 ～ 4∶ 1) ，測量的重復性、準確度在流量計中屬中等水平。

2． 2 渦街流量計

渦街流量計的工作原理是流體力學的卡門渦街原理。渦街流量計測量準確度高( 可達 ± 1% ) ，屬于中上水平; 壓損小，約為孔板流量計的 1 /2 ～ 1 /4; 測量范圍度寬，可達到10∶ 1或 20∶ 1。但它不適于低雷諾數(shù)測量，一般要求雷諾數(shù)ＲeD≥2 × 104，測量口徑不宜過大( DN25 ～ 300mm) ，要求流量計上游有較長的直管段長度或裝設整流器來保證測量精度，不能應用在干擾強、振動大、壓力大的測量環(huán)境。

2． 3 電磁流量計

電磁流量計是利用法拉第電磁感應定律，將流量測量轉(zhuǎn)換成感應電勢測量。電磁流量計不受介質(zhì)物理參數(shù)影響，精度高; 無節(jié)流件，無附加壓力損失，也不易堵塞; 耐腐蝕、耐磨損、使用壽命長; 測量范圍度大( 20∶ 1 ～ 40∶ 1) ，且可以任意改變量程; 對上游直管段要求較低，儀表口徑系列齊全。但是電磁流量計造價高，不適用于非導電介質(zhì)和高溫介質(zhì)，且對環(huán)境的強電磁場干擾敏感。

2． 4 超聲波流量計

超聲波流量計是通過檢測流體流動對超聲速的作用來檢測流量。超聲波流量計具有測量范圍度寬，無壓力損失等特點。與同樣為非接觸式測量的電磁流量計相比，從被測介質(zhì)、工作狀態(tài)和管徑等各方面看應用范圍要更加廣泛，因此特別適用于大管徑大流量的測量，現(xiàn)有夾裝式超聲波在工藝管道外部安裝，可任意選擇位置移動安裝。但超聲波流量計不適用于高頻振動的場合，對被測流體的溫度范圍也有限制要求，同時超聲波流量計價格相對昂貴。常用的流量計還有渦輪流量計、轉(zhuǎn)子流量計、旋進旋渦流量計和均速管流量計等，不再進行詳細介紹。

3 天然氣凈化裝置流量計選型實例分析

天然氣凈化裝置主要包括過濾、脫硫、脫水、硫磺回收、尾氣處理和污水處理等單元，根據(jù)以上流量計的原理及特點，結(jié)合測量介質(zhì)的特性、操作環(huán)境、安裝條件及投資成本等因素，對安岳氣田某天然氣凈化廠流量計選型及應用進行分析。

3． 1 過濾、脫硫單元的流量檢測

過濾、脫硫單元中主要測量介質(zhì)為原料氣、化學溶液、蒸汽等。如原料氣進裝置流量檢測、吸收塔和閃蒸塔貧胺液流量檢測、貧胺液循環(huán)泵流量檢測、閃蒸塔頂閃蒸汽流量檢測、富胺液至活性炭過濾器流量檢測等。

進裝置的原料氣含有少量的固、液體雜質(zhì)，H2 S 和 CO2 含量較高，有一定腐蝕性。天然氣凈化廠檢測原料氣常選用

經(jīng)濟適用的孔板流量計，但在使用過程中，固液雜質(zhì)容易堆積在孔板的上游，易造成孔板流量計導壓管堵塞。為了方便后期維護中定期清洗更換孔板，提高計量準確度，過濾脫硫單元原料氣流量檢測選用高級閥式孔板節(jié)流裝置的孔板流量計。高級閥式孔板節(jié)流裝置帶有孔板升降機構(gòu)，更換孔板不需停止介質(zhì)輸送，既滿足以往對經(jīng)濟適用的要求，同時方便定期維護，較好保證了測量的準確度。貧胺液、富胺液等化學溶液在生產(chǎn)過程中是長時間反復循環(huán)使用的，溶液中含有部分懸浮物。凈化廠化學溶液流量測量常用的流量計有孔板流量計、轉(zhuǎn)子流量計、超聲波流量計等。

安岳氣田某天然氣凈化廠脫硫單元中化學溶液流量檢測所在位置的管徑為 DN150 至 DN300 不等，且有部分測量位置在循環(huán)泵附近。轉(zhuǎn)子流量計一般的應用管徑為 DN50以下，通常進行小、微流量測量，且安裝在振動較大的地方，傳動部件容易松動。超聲流量計同樣不適宜安裝在振動較大的地方，且超聲流量計雖然精度高，但價格昂貴。根據(jù)各流量計特點及經(jīng)濟適用綜合考慮，選擇法蘭取壓孔板節(jié)流裝置的流量計。見圖 1 為吸收塔貧胺液流量檢測用的孔板流量計。

蒸汽計量一般選擇孔板流量計和渦街流量計，因為蒸汽測量為質(zhì)量測量，所以蒸汽密度變化對測量結(jié)果有較大的影響，在進行計量時，需考慮流體工況變化引起的密度變化。孔板流量計在進行測量時，基本采用固定值計算，測量結(jié)果誤差大，且本單元蒸汽溫度可達到 155℃，長時間的高溫測量過程，易使孔板發(fā)生變形，同樣產(chǎn)生較大測量誤差。根據(jù)本單元蒸汽工藝條件，低壓蒸汽雷諾數(shù) ＲeD 為 917115，閃蒸汽雷諾數(shù) ＲeD 為 41835，測量口徑分別為DN300 和 DN80，滿足渦街流量計雷諾數(shù) ＲeD≥2 × 104 和口徑大小的要求，且根據(jù)渦街流量計質(zhì)量流量計算公式:

其中 qm 為質(zhì)量流量，d 為旋渦發(fā)生體迎流面寬度，D 為表體通徑， f 為旋渦頻率，St 為斯特勞哈爾數(shù)，ρ 為流體密度。

可知，流體的密度變化直接影響計量結(jié)果，為了降低密度變化的影響，選擇帶溫度壓力修正的渦街流量計。

3． 2 脫水單元的流量檢測

脫水單元中主要測量介質(zhì)為產(chǎn)品氣、化學溶液等。如產(chǎn)品氣流量檢測、TEG 貧液至吸收塔流量檢測等。原料氣經(jīng)過脫硫脫水后形成的產(chǎn)品氣基本不含雜質(zhì)，腐蝕性也明顯降低。可供選擇的流量計為孔板流量計、超聲波流量計或渦輪流量計。本單元產(chǎn)品氣屬于裝置內(nèi)部測量，要求精度不高，所采用高級閥式孔板流量計進行流量檢測。如果產(chǎn)品氣用于貿(mào)易、交接計量，在大管徑進行流量測量時，可以選擇計量準確度高的超聲波流量計。

超聲波流量計測量范圍大，體積流量不受介質(zhì)物理參數(shù)的影響，不存在磨損、示值漂移等現(xiàn)象，其準確度可達到 ± 0． 5% ，且可以長期保持較高的精度，屬于免維護系列，但一次性投資較高。也可以選擇渦輪流量計用于貿(mào)易、交接計量，渦輪流量計在所有流量計儀表中準確度很高，在國際市場，氣體準確度為± 0． 5% ，± 1% ，國內(nèi)市場，氣體準確度為 ± 1% ，± 1． 5% 。選用渦輪流量計主要看中的是其高準確度，所以保持高準確度一般要求流體清潔度高，必要時，進行溫壓補償、粘度補償、雷諾數(shù)補償?shù)却胧?/div>

TEG 貧液的流量檢測根據(jù)化學溶液的特點仍選擇孔板流量計。

3． 3 硫磺回收單元的流量檢測

硫磺回收單元中主要有燃料氣流量檢測、燃燒爐空氣流量檢測、酸氣流量檢測等。

單元中燃料氣主要來源于部分產(chǎn)品氣、脫硫及脫水單元的閃蒸氣，含 H2 S 和 CO2很少，介質(zhì)情況較好�？紤]使用的

流量計有孔板流量計、渦街流量計和旋進旋渦流量計。本單元中較大管徑( DN≥50mm) 的流量測量選擇孔板流量計，其余小管徑一般選擇渦街流量計和旋進旋渦流量計。根據(jù)渦街流量計的工作原理，在流體流速較高時產(chǎn)生旋渦，當流速較低時，計量效果就會打折扣，計量誤差會增大，所以在流體流速低的工況下，我們選擇旋進旋渦流量計進行計量，流量計內(nèi)部帶有溫度壓力傳感器，可對流量進行實時溫度、壓力補償，提高了測量準確度。

酸性氣體含有高濃度的 H2 S 和 CO2，帶有一定水汽及雜質(zhì)，具有較強腐蝕性，其中的 H2 S 是一種劇毒氣體。在選

擇酸性氣體的流量測量上，一般選擇孔板流量計和均速管流量計。但均速管流量計的準確度一般為 ± 2% ～ ± 5% ，且均速管用于大口徑測量，缺乏相應口徑的大口徑校驗裝置，即使具備校驗設備條件，逐臺校準，則失去價格低廉的優(yōu)勢。只有應用口徑達到某一數(shù)值( 一般為 DN800mm) 時，儀表流量系數(shù)趨于一致，才能滿足抽取某一口徑取得的系數(shù)，其余口徑可參照使用。而檢測酸氣的管道尺寸為 DN500 和DN600，上述條件不滿足，所以選擇抗硫材質(zhì)的孔板流量計。

3． 4 尾氣處理單元的流量檢測

尾氣處理單元中需要進行稀酸流量檢測、貧液流量檢測、富胺液流量檢測、回流液流量檢測、飽和煙氣流量檢測、空氣/燃料氣進焚燒爐流量測量等。

以上液體流量檢測中的介質(zhì)腐蝕性強，其中腐蝕性介質(zhì)組分中含有 SO2、H2 SO4、CO2 等，在選擇此類介質(zhì)的流量檢測儀表時，考慮選用非接觸式流量計。尾氣單元介質(zhì)固體顆粒很少，污染物少，減少了固體顆粒對傳感器內(nèi)襯及電極的磨蝕和對電極的污染，降低維護成本，同時尾氣裝置中介質(zhì)導電率、密度、動力粘度滿足測量條件，測量環(huán)境電磁干擾小，決定采用襯里、電極為抗硫材質(zhì)的電磁流量計。飽和煙氣為具有腐蝕性氣體，且測量位置的管徑為DN1000mm，滿足均速管流量計大管徑測量的優(yōu)勢，且均速管流量計yongjiu壓力損失僅為標準孔板的 5% 以下，結(jié)構(gòu)簡單，安裝維護比較方便，所以飽和煙氣流量測量選擇抗硫材質(zhì)為 UNS S31254 的均速管流量計。

3． 5 污水處理單元的流量檢測

根據(jù)水的潔凈程度、測量精度等工況及測量條件的不同，可以選擇的流量測量儀表有孔板流量計、電磁流量計、超聲流量計等。若水的潔凈程度較好，測量管口徑小，可以采用電磁流量計，其測量原理中不涉及流體的溫度、壓力、密度等，無壓力損失，測量范圍大。若測量管口徑較大? 選擇超聲流量計比較理想。污水流量測量選擇電磁流量計比較合適，水質(zhì)較好也可選用孔板流量計。

安岳氣田某天然氣凈化廠污水處理單元的生產(chǎn)廢水、淡水、檢修污水、生產(chǎn)生活污水中含有 H2 S、CO2 等腐蝕性物質(zhì)，所以針對腐蝕性物質(zhì)對孔板流量計孔板的腐蝕、部分小口徑管線對渦街流量計限制以及超聲流量計價格昂貴等問題，選擇非接觸式的電磁流量計。

4 流量計選型原則總結(jié)

根據(jù)以上各個處理單元流量計選型分析情況，在選擇流量計時，要從多個方面進行考慮: ( 1) 儀表性能，準確度、重復性、線性度、測量范圍、壓損等; ( 2) 流體特性，要考慮被測介質(zhì)的溫度、壓力、密度、粘度、腐蝕性、電導率、氣體壓縮系數(shù)等; ( 3) 安裝條件，管道布置方向、上下游管道長度、管道口徑、管道振動等; ( 4) 環(huán)境條件，環(huán)境溫度、電磁干擾、維護空間等; ( 5) 經(jīng)濟因素，購置費、安裝費、維修費、校驗費等。

根據(jù)上述分析，對天然氣凈化裝置流量計選型進行如下整理，見表 1。