渦輪流量計在天然氣場站中的應用

唐立龍，張乃祿

（西安石油大學 電子工程學院，陜西 西安 710065）

0 引言

隨著城市化進程的不斷加快，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走進了城市和鄉村，有望和電力一樣走進每家每戶。此外人們對空氣質量越來越重視，因此在工業領域煤改氣項目實施的越來越多。再者作為傳統清潔能源的核能，由于日本福島事件的影響，現在核電廠在歐洲處于不斷關停的趨勢；風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困難等問題也很難發展壯大；水能雖然較為理想，但是適合建壩的地方并不多。所以從長遠來看，天然氣在能源中的消耗占比也將不斷增加。反映到地方企業上某天然氣股份有限公司的天然氣場站每年冬運的輸氣量確實在不斷增長，很多天然氣場站在冬季都是滿負荷運行。因此給工作人員和設備設施運行帶來了壓力。而作為天然氣場站關鍵的計量設備之一的渦輪流量計在計量中發揮著重要作用。它因為計量準確、易于安裝、占地面積小、維護保養簡單、事故少。越來越受到天然氣輸氣場站青睞。而且在油氣田、化工企業、天然氣門站等發揮著越來越重要的角色。

1 渦輪流量計的原理

當天然氣通過渦輪流量計的渦輪時，氣體分子通過碰撞渦輪葉片，將動能和勢能傳遞給渦輪，使渦輪做圓周運動產生旋轉，在一定的流量范圍內，對一定的氣體介質，渦輪的旋轉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角速度得到，并通過機械傳動傳給機械表頭通過計數器從而得到氣體的工況流量。渦輪的旋轉角速度通過安裝在流量計外面的信號檢測放大器用電磁感應的原理來測量[1-2]。當渦輪旋轉時，渦輪上螺旋形葉片依次接近和遠離處于管壁外的磁電感應線圈，周期性的改變感應線圈磁回路磁阻，使通過線圈的磁通量發生周期性的變化而產生與流量成正比的信號。由于剛感應出的信號還很微弱，因此需要通過級聯的多個放大電路放大后再輸出；此時的信號中由于存在諸多干擾和噪音，為了去除干擾信號得到有用信號，就要對信號進行濾波。這時的信號由于不是規整的脈沖信號，因此就需要通過電壓比較器轉化為標準的磁脈沖信號再通過表頭的計數器來得出，可以得到瞬時流量和累計流量，再上傳到PLC柜就可以顯示在工控機上，并且通過衛星通信或以太網就可以傳到調控中心。

2 影響計量的原因

眾所周知，影響計量的原因很多。除了天然氣的一些原因，也有設備設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）因為天然氣剛開采出來時本身含有硫化氫，如果凈化廠除硫除不干凈，就會有殘留氣體存到長輸管網中。硫化氫氣體與水汽結合會形成酸性氣體，而酸性氣體不僅會腐蝕流量計金屬主體，而且會腐蝕渦輪，使渦輪變脆，影響渦輪流量計的使用壽命和計量準確性。

（2）在冬季由于采暖原因晚上輸氣量較大，且在陜北地區氣溫在夜間有時甚至會達到零下二十度左右，當溫度低于露點時就會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在渦輪中結冰造成渦輪冰堵現象，使得供氣出現停輸。

（3）氣體中的粉塵[3]會給葉片旋轉時帶來阻力，粉塵多時就會導致氣體通道被堵，影響葉片旋轉，進而影響計量，產生粉塵的原因是管線在施工完成后沒有清理干凈，還有就是管道內壁在氣體的沖擊下會生成鐵粉。

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

（5）壓力傳感器和溫變信號[4]的傳輸也會影響渦輪流量計的計量，因為檢測的信號都有可能因為各種原因導致減小或者增大，因此確保渦輪流量計的壓變和溫變、流量計算機每半年按時效驗一次。

（6）因為天然氣中除過甲烷，還會有少量的乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等。所以用色譜分析儀定期對氣體組分進行標定，確定氣體的具體組分，可以使得計量更加精準。

（7）因為用氣有高低峰，當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就會計量不準確，所以選定合適量程渦輪流量計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根據實際情況切換到備用支路或者更合適量程的渦輪流量計來計量。

3 渦輪流量計在天然氣場站中使用的技術

（1）SCADA(數據采集與監視控制系統）[5]，以計算機為核心的控制系統。在鐵路、電力、化工、石油行業中具有極其重要的作用。在天然氣長輸管網公司中，調控中心SCADA系統控制主機，通過路由器將數據傳到衛星主站和DNN/PSTN公網，通過衛星天線將數據傳到衛星再傳到各個場站的衛星天線再經過衛星通訊設備到場站PLC控制柜。公網數據通過光纖將傳給場站交換機再到場站PLC柜。而PLC連接了天然氣場站的機組數據，快速截斷閥，電動球閥，超聲波流量計，壓變，溫變，渦輪流量計，輔助設備設施等數據。渦輪流量計在運行過程中將采集的壓力、溫度、和渦輪數據，傳到渦輪流量計表頭（流量積算儀）。以愛拓力流量計為例，表頭具有流量計算、數據采集、參數設置、時鐘設置、數據通訊、數據存儲、故障診斷等功能。利用Modbus協議將采集的流量信號上傳到PLC(可編程邏輯控制器）的計量模塊，再傳到工控機就可以在電腦桌面上顯示瞬時流量、累計流量。然后PLC根據TCP/IP協議可以將數據上傳到以太網，通過通訊設備傳到調控中心，調控中心根據輸氣計劃就可以隨時給場站下達指令或者自己對用戶進行輸氣計劃調整。其原理圖見圖1。

圖1 渦輪流量計信號傳遞原理圖

（2）渦輪流量計采用先進的集成芯片和微機技術，表頭功耗低，內部電池可以使用兩年左右，不僅可以讀取累計瞬時氣量、昨日累計氣量、今日累計流量、歷史流量數據，可輸出標準的模擬信號，將信號遠傳和上位機進行通訊，方便數據記錄。

（3）渦輪流量計采用RS485通訊，接口組成半雙工網絡采用兩線制，用屏蔽的雙絞線傳輸，這種接線方式為總線式拓撲結構在同一總線上最多可以掛接32個結點。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。數據傳輸效率高，速度可以到10Mbps，抗共模能力增強，抗噪聲干擾好，傳輸距離可以到3KM。

4 渦輪流量計的維護保養

4.1 日維護保養

對渦輪流量計進行巡檢，觀察讀數顯示及電池電量顯示是否清晰、真實、準確。檢查渦輪流量計各密封點有無泄漏現象，如有泄漏現象應及時處理；

保持渦輪流量計外觀及其附件的清潔狀態；

檢查儀表檢定標識是否清晰、有效，鉛封是否良好。

4.2 月維護保養

檢查渦輪流量計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，若有松動應及時緊固；

檢查防雷接地是否可靠，確保防雷接地線各連接處無松動、無銹蝕。

4.3 季維護保養

春秋檢時對所配用的過濾除塵器進行拆解檢查并清潔；

春秋檢時對渦輪流量計的葉輪及軸承進行清潔和潤滑保養，并經檢定合格后方可恢復正常使用；

春秋檢時根據電池電量提示及時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，對影響防爆性能的及時更換。

4.4 年維護保養

每半年效驗一次。

5 渦輪流量計的安裝注意事項

確保完好的渦輪流量計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渣；

渦輪流量計必須水平安裝，表頭朝上；

渦輪流量計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的直管段，以確保流體正常平穩的流動。

6 渦輪流量計的使用的優缺點

優點：

（1）結構簡易，使用范圍廣

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

（2）使用方便，量程寬

以S省場站應用最多的渦輪流量計，正在逐漸取代孔板流量計。因為渦輪流量計量程寬，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的孔板和效驗壓變。該流量計量程一般量程是1:30，最大甚至可擴展至1:50。而孔板流量計標準量程比1:13，最大可拓展至1:30，比渦輪流量計少了很多。

（3）計量精度準確

以愛托利流量計為例最大允許誤差為最小流量的+/-2%，最大流量的0.2。

缺點：

對氣質要求高，測量氣體必須純度高，雜質少。

7 渦輪流量計常見問題及故障處理（見表1）

表1 渦輪流量計常見問題及故障處理

8 結語

目前天然氣場站現行的例行工作和工藝條件不能有效降低天然氣氣質中的雜質。所以為了提高渦輪流量計計量的準確性，應該從以下幾點得到加強。

第一是從日常工作方面加強沿線天然氣場站臥分和過濾器的層層排污，目的是在天然氣進入流量計之前設置層層屏障，在雜質進入流量計之前就把它清理干凈。第二定期采取清管作業，當管輸效率降低到90%以下時對管道里的污物定期清理干凈。第三根據在場站排污時所排的雜質的多少，判斷是否要進行多次排污，以確定是否已經達標。第四個是流量計的使用說明書、合格證書、檢定證書都應該具備且在有效期內，及備品備件原則上按使用總數的3%儲備。場站應該應該有專門的計量管理人員負責計量器具及資料的管理，保證計量器具資料的完整。從技術方面在做好平時渦輪流量計的維護保養和每年的檢定，確保流量計的運行在檢定周期內。第五加強公司對日常工作的考核力度，確保每項工作都順利完成。