煤氣流量計量儀表的選型及應(yīng)用

煤氣俗稱“瓦斯”，其主要成分是CH4（甲烷），與煤炭伴生、以吸附狀態(tài)儲存于煤層內(nèi)的非常規(guī)天然氣，熱值是通用煤的2～5倍。1m3純煤氣的熱值相當(dāng)于1.13kg汽油、1.21kg標(biāo)準(zhǔn)煤，其熱值與天然氣相當(dāng)，可以與天然氣混輸混用，而且燃燒后很潔凈，幾乎不產(chǎn)生任何廢氣，是上好的工業(yè)、化工、發(fā)電和居民生活燃料。煤氣在空氣中的濃度達(dá)到5%～16%時，遇明火就會爆炸，這是煤礦瓦斯爆炸事故的根源。煤氣直接排放到大氣中，其溫室效應(yīng)約為二氧化碳的21倍，對生態(tài)環(huán)境破壞性*。
在采煤之前如果先開采煤氣，煤礦瓦斯爆炸率將降低70%到85%。煤氣的開發(fā)利用具有一舉多得的功效:提高瓦斯事故防范水平，具有安全效應(yīng);有效減排溫室氣體，產(chǎn)生良好的環(huán)保效應(yīng);作為一種、潔凈能源，商業(yè)化能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
我國埋深2000m以下淺煤氣地質(zhì)資源儲量約36.81萬億m3，居*三位。煤氣利用范圍不斷拓展，廣泛應(yīng)用于城市民用、汽車燃料、工業(yè)燃料、瓦斯發(fā)電等領(lǐng)域，煤礦瓦斯用戶過189萬戶，煤氣燃料汽車6000余輛，瓦斯發(fā)電裝機(jī)容量過75萬kW，實施煤礦瓦斯回收利用CDM項目60余項，煤氣的利用必將得到大力的發(fā)展，作為能源貿(mào)易計量，非常有必要選用合適的流量計。
1、煤氣計量場合特點
1.1計量工作環(huán)境及條件
我國煤氣主要分布在華北和西北地區(qū)，大于5000億m3的含煤氣盆地（群）共有14個，其中含氣量在5000～10000億m3之間的有川南黔北、豫西、川渝、三塘湖、徐淮等盆地，含氣量大于10000億m3的有鄂爾多斯盆地東緣、沁水盆地、準(zhǔn)噶爾盆地、滇東黔西盆地群、二連盆地、吐哈盆地、塔里木盆地、天山盆地群、海拉爾盆地，儲存條件復(fù)雜、環(huán)境惡劣，計量儀表一般安裝在野外，晝夜溫差非常大。
環(huán)境溫度為－25～50℃，工作壓力（一般為）0.2～0.6MPa。
1.2氣質(zhì)含水量大、雜質(zhì)多
從氣井出來的氣，配備有分離器，但由于工況條件（溫度、壓力等）變化、分離器跑油、間斷計量時油水在計量管路中沉積等因素，經(jīng)分離后的氣體中還是不可避免地含有液體，因此，油氣田內(nèi)部集輸?shù)拇蠖嗍菨駳怏w。
由于煤氣來源及采氣工藝的問題，采出的氣體均不潔凈，含有的雜質(zhì)。
1.3工藝流程特殊
煤氣抽采過程中，為了及時了解煤氣產(chǎn)量，需要頻繁測量井底流壓，工藝流程如圖1?，F(xiàn)場做法是在撬裝計量系統(tǒng)的流量計上下游安裝有閥門，先慢慢關(guān)小流量計上游的閥門，下游閥門的“排空”管道打開;在“排空”結(jié)束后，切換到“集輸管網(wǎng)”時，需要將“排空”閥門關(guān)小再打開集輸管網(wǎng)的閥門，該過程約需1～2h，在此過程中，由于下游閥門開度越來越小，在流量計處的介質(zhì)壓力慢慢升高，即通俗所說的“憋壓”。
2、煤氣用流量儀表選型
煤氣的物理性質(zhì)與常規(guī)天然氣類似，但由于煤氣抽采工藝特殊，濕氣、氣質(zhì)臟等特點，有些流量計使用一段時間后即不能正常計量。故在流量計的選型上有其特殊性，分述如下。
2.1 孔板流量計
孔板流量計的主要特點為結(jié)構(gòu)易于復(fù)制、簡單牢固、性能穩(wěn)定可靠、使用期限長、價格低廉等，整套流量計由節(jié)流裝置、差壓變送器和流量顯示儀（或流量計算機(jī)）組成。它們可以分別由不同廠家生產(chǎn)，易于形成規(guī)模生產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)效益高，各部分組合非常靈活，即使目前推出的一體化孔板流量計，亦可分開生產(chǎn)，再靈活組裝。
但是孔板流量計亦有一些重大缺點:范圍度窄，壓損大，且需要進(jìn)行微差壓測量，重復(fù)性不高，對整套流量計的度影響因素多且錯綜復(fù)雜，因此度提高的難度很大，且對現(xiàn)場安裝條件要求高等。
而且在長時間計量對孔板銳角的磨損，影響計量的性。晝夜溫差大，冬季未做保溫處理的計量閥組在夜間結(jié)冰，過流面積減少，計量度大大降低。
2.2渦輪流量計
渦輪流量計是一種速度式流量計，利用置于流體中的葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度與流體流速成比例的關(guān)系，通過測量葉輪的轉(zhuǎn)速來反映通過管道的流體體積流量，是目前流量儀表中比較成熟的高度儀表之一。主要優(yōu)點是:測量度高，復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性均好;量程范圍寬，量程比可達(dá)（10～20）∶1，線性好;耐高壓，壓力損失小;對流量變化反應(yīng)迅速，可測
脈動流;抗干擾能力強(qiáng)，信號便于遠(yuǎn)傳及與計算機(jī)相連。
渦輪流量計的特性易受介質(zhì)物性和流體流動特性的影響，愈是高度，其影響愈敏感，例如介質(zhì)臟污、結(jié)垢使葉片及通道發(fā)生變化，流量計特性亦隨之改變;軸承磨損使特性偏移等。流體流動特性有來流速度分布和流體脈動等的影響，要保持儀表校驗時的參比流動條件，其儀表系數(shù)才保持不變，否則需進(jìn)行相應(yīng)的修正或?qū)嵭性诰€校準(zhǔn)，以獲得現(xiàn)場實際的流量計特性。
由于煤氣質(zhì)臟，在應(yīng)用過程中，渦輪流量計上游需加裝過濾器，并且需定期清洗。
2.3旋進(jìn)旋渦流量計
是速度式流量計的一種，在國內(nèi)的研制始于上世紀(jì)70年代末，經(jīng)過近幾年的發(fā)展，目前該類產(chǎn)品已從單探頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)為雙探頭（壓電傳感器）差動式結(jié)構(gòu)。其工作原理如圖2:當(dāng)沿著軸向流動的流體進(jìn)入流量傳感器入口時，旋渦發(fā)生體強(qiáng)迫流體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運動，于是在旋渦發(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(dá)收縮段突然節(jié)流使旋渦流加速，當(dāng)旋渦流進(jìn)入擴(kuò)散段，因回流作用強(qiáng)迫進(jìn)行旋進(jìn)式二次旋轉(zhuǎn)。此時旋渦流的旋轉(zhuǎn)頻率與介質(zhì)流速成正比，并為線性。兩個壓電傳感器檢測的微弱電荷信號經(jīng)前置放大器差動放大，濾波，整形后變成兩路頻率與流速成正比的脈沖信號，同時處理電路對兩路的脈沖信號進(jìn)行相位比較和判別，剔除干擾信號，而對正常的流量信號進(jìn)行計數(shù)處理。

由于采用了雙探頭差動式結(jié)構(gòu)，且配合相位識別電路，可有效地克服單探頭結(jié)構(gòu)抗脈動和機(jī)械振動能力差的缺點。近年來，有些流量計還采用了自適應(yīng)功率譜FFT算法技術(shù)，使產(chǎn)品的小流量檢測能力和抗干擾能力得到有效提高，且隨著單片機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，儀表實現(xiàn)了智能化、網(wǎng)絡(luò)化，真正使該產(chǎn)品的計量性能和質(zhì)量水平實現(xiàn)質(zhì)的飛躍。由于它具有體積小、無可動部件、介質(zhì)適應(yīng)性好、可靠性高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，已被廣泛用于石油、化工、冶金、電力和燃?xì)獾阮I(lǐng)域的計量，尤其在煤氣計量領(lǐng)域，更是的計量用表。
2.4聲流量計
氣體聲流量計的應(yīng)用始于20世紀(jì)90年代，由于它的一些突出優(yōu)點———測量度高、量程比寬、無壓損、無可動部件等，受到用戶的歡迎。它適用于高壓、大口徑、潔凈的天然氣流量計量。在現(xiàn)場應(yīng)用中，聲流量計安裝條件要求高。在煤氣測量時，由于經(jīng)過濾后的小粒徑煤粉會附在探頭上，影響計量的性。對時差式氣體聲流量計，小粒徑煤粉會影響聲波的正常傳輸，無法實現(xiàn)時差的測量。因此，在煤氣計量中，一般不宜選用。
3、旋進(jìn)旋渦流量計在“憋壓”時計量的問題及解決方案
如圖1，在關(guān)小流量計上游的閥門，下游閥門的“排空”管道打開時，流量計正常工作;在“排空”結(jié)束后，切換到“集輸管網(wǎng)”時，即將“排空”閥門關(guān)小再打開集輸管網(wǎng)的閥門（即“憋壓”）時，壓力達(dá)到一定程度，流量計不能正常計量，流量示值有“虛大”的現(xiàn)象。
對于該問題，我們在實驗室，按現(xiàn)場管道進(jìn)行模擬現(xiàn)場情況，并且按延長直管段、加整流器、加彎管3種情況進(jìn)行試驗，得出加彎管可解決該問題的結(jié)論。
3.1試驗設(shè)備配置
流量計:TDS智能旋進(jìn)旋渦流量計;
前直管段:≥10D;
后直管段:≥5D;
空氣壓縮機(jī);
儲氣罐;
調(diào)壓閥;
上、下游球閥等。
實驗在參比條件下進(jìn)行。
3.2延長前、后直管段
如圖3所示。

可以看出，在常壓102kPa開始時閥門開始關(guān)小，通過的流量應(yīng)相應(yīng)地變小，但實際流量不降反增，從173.2m3/h增到180.3、208.8、238.2m3/h，直到壓力再往上增，即閥門開度很小的時候，在壓力為280.0kPa后，通過的流量才降低，從開始減小閥開度時開始，該處計量的流量即出現(xiàn)“虛大”現(xiàn)象。
3.3加整流器
在圖3的基礎(chǔ)上，將前直管段前部分500mm加上如標(biāo)準(zhǔn)GB/T2624—2006/ISO5767－1:2003《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量》所述的19根管子的管束式流動整直器，如圖4、圖5。

從表2看出，在常壓101.6kPa開始時閥門開始關(guān)小，現(xiàn)象與前述延長直管段相似，當(dāng)調(diào)小閥門開度時，實際流量不降反增，到一定程度（調(diào)小下游閥門使壓力升至300.4kPa）下降。該處計量的流量出現(xiàn)“虛大”現(xiàn)象。
3.4加彎管
如圖6所示。

從表3可看出，當(dāng)閥門開度變小時，相應(yīng)的流量也變小，與實際情況相符。經(jīng)現(xiàn)場試驗應(yīng)用，結(jié)果相符，解決了流量“虛大”的問題。
從上述幾個試驗可看出，在加彎管后且流量計自上至下垂直安裝狀態(tài)時，可以解決“憋壓”過程中流量示值“虛大”的情況。因此，該方案是解決“憋壓”的有效方案之一。
4、結(jié)束語
煤氣計量是近年來才發(fā)展起來的新領(lǐng)域，由于煤氣的介質(zhì)條件和使用條件較為惡劣，因此，從流量計的特點而言，只有旋進(jìn)旋渦因無可動部件，比較適合煤氣計量。但是，旋進(jìn)旋渦流量計因是一種旋渦振蕩型流量計，且檢測傳感器為壓敏元件，盡管采用了差動式結(jié)構(gòu)等技術(shù)手段，但尚難于克服現(xiàn)場的“憋壓”和強(qiáng)烈的振動，因此，在設(shè)計時要盡量避免“憋壓”現(xiàn)象及強(qiáng)烈振動現(xiàn)象的存在，有了這種現(xiàn)象存在就要采取有效的措施。本文介紹的解決方案僅拋磚引玉，希望同行能有更多的研究成果。從現(xiàn)場應(yīng)用看，建議改善計量的工藝流程，如在計量裝置前應(yīng)進(jìn)行處理，使流量計計量的條件趨于，計量的氣體潔凈、干燥，這樣，對流量計的計量、使用壽命才有更大的幫助。