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孔板流量計在酸氣計量中問題分析
發布時間:2019-09-26

摘要:以普光高含硫化氫氣田為例,介紹了孔板流量計在高酸性氣田集輸站場單井加熱爐、計量分離器、外輸管線處的使用現狀。分析了孔板流量計在使用過程中容易發生堵塞的原因,闡述了導壓系統容易發生的引壓管積液、引壓管堵塞、節流裝置沖刷磨蝕、密封圈、平衡閥滲漏等問題。現場實施的維護保養、溶硫解堵、蒸汽解堵等措施取得了較好的應用效果。
  川東北的普光高含硫化氫氣田屬超深、高含硫、高壓、復雜山地氣田,出井天然氣含雜質較多,沿工藝管線、設備至上而下壓力、溫度等因素梯度變化,導致單質硫及其他雜質沉積,氣質、氣流條件無法達到相關標準規定要求,容易產生計量誤差。探討現場工況中容易出現的孔板堵塞、引壓管積液或堵塞對計量準確度的影響,以及為消除或降低影響而采取的措施。
1孔板流量計的工作原理
  孔板流量計是一套流量測量裝置,由節流裝置、信號引線、二次儀表系統組成。節流裝置包括標準孔板、取壓裝置(孔板夾持器)和上下游測量管,主要作用是使管道中流動的流體產生靜壓力差[1]。
  充滿管道的天然氣在流經管道內的節流裝置(孔板)時,流束將在節流件處形成局部收縮,從而使流速增加,壓力降低,在節流件上下游便產生了壓差,流量越大,產生的壓差越大;流量越小,產生的壓差越小。在已知有關參數的條件下,根據流動連續性原理和伯努利方程可以推導出差壓與流量之間的關系,從而可以計算出流量的大小。
2孔板流量計在高酸性氣田的應用情況
2.1普光氣田天然氣特點
  普光氣田是目前國內已探明并投入開發的H2S和CO2含量最高的氣田,生產的天然氣中H2S含量達13%~18%,CO2含量達8.6%,是典型的高酸氣田,生產過程中存在著設備裝置的元素硫堵塞、H2S腐蝕及CO2的弱酸腐蝕等問題。
2.2普光氣田集輸站場孔板流量計的使用現狀
  孔板流量計是目前集氣站場使用較為廣泛的計量裝置,具有結構簡單、操作方便、經濟實惠的特點。普光氣田集輸系統設置有多井輪換計量組合裝置,主要用于實現多口氣井氣液分離后分別進行計量的一種分離分輸計量組合裝置。普光氣田集輸站場的天然氣計量,采用的是孔板節流計量,其中在單井加熱爐、計量分離器、外輸管線處均安裝有孔板計量裝置。
1)加熱爐計量裝置。安裝在加熱爐計量管段上的高級孔板閥是針對單井進行計量的裝置,該裝置前沒有設置氣體分離系統。未經氣液分離并加雜著一些緩蝕劑的混合天然氣,經過節流降壓后,進入孔板裝置進行計量。雜質對孔板閥的使用壽命及計量的準確性影響很大。
2)分離器計量裝置。計量分離器的高級孔板閥安裝在分離器氣相出口,是對單井產量進行準確計量的現場計量裝置,由臥式重力式分離器和孔板計量裝置組成。單井天然氣在分離器內經過氣、液、固體雜質分離后,再對氣、液分別進行的計量。此處計量數據較為準確,是各單井合理配產的依據所在。
3)外輸計量裝置。外輸計量孔板閥安裝在外輸計量直管段上,是對整座集氣站所有氣井產出的混合天然氣進行計量。
普光氣田集氣站的外輸系統采用的是氣、液混輸濕氣輸送設計,此處的管徑大、輸氣壓力穩定。加元素硫在前面管線、匯管、計量分離器等設備的分離、沉降,造成此處的元素硫堵塞較少,對計量的影響較小。
3孔板流量計在使用中存在的問題
3.1被測流體特性的影響
  GB/T21446—2008《用標準孔板流量計測量天然氣流量》標準中規定,通過孔板的天然氣是經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,且質量分數不超過2%,也可認為是均勻單相的牛頓流體。流經孔板以前的氣流流束應與管道軸線平行,氣流流動應為充分發展紊流且無旋渦,管道橫截面所有點上的旋渦角小于2°即認為無旋渦。
但是由于川東北高含硫化氫氣田屬超深、高含硫、高壓、復雜山地氣田,出井天然氣含雜質較多,沿工藝管線、設備至上而下壓力、溫度等因素梯度變化,導致單質硫及其他雜質沉積,氣質、氣流條件達不到相關標準規定要求,容易產生計量誤差[2]。
3.1.1堵塞物形成機理
1)化學溶解和化學沉積。含硫天然氣中存在著一個對于單質硫的溶解和沉積有著很大影響的化學平衡。加拿大AlbertSulfurResearchLdt的研究表明,在地層條件下,元素硫與H2S發生反應可形成一種多硫化氫物質。
  含硫氣藏開發時,多硫化氫天然氣在穿過遞減的壓力和溫度剖面時,反應平衡點發生變化,多硫化氫分解,生成單質硫。當氣相中溶解的元素硫達到臨界飽和度時,元素硫隨著壓力的繼續降低而析出。分解出的硫量達到一定值,流體氣動力不足以攜帶固態顆粒硫時,元素硫就會沉積在管壁并聚集起來,這一沉積過程主要發生的是化學反應。[3]
2)物理溶解和物理沉積。稠密流體(地層條件下時為地層天然氣)對單質硫的物理溶解與解析能力也有很大影響。在油藏儲集層高溫高壓的環境下,天然氣對單質硫有很大的溶解度。當含硫天然氣藏投入開發后,隨著壓力、溫度的不斷降低,元素硫的溶解度也相應降低。一旦壓力、溫度降低到臨界值以下,便會有大量的單質硫析出。當析出的硫量達到一定值,且流體氣動力條件不足以攜帶硫的固態顆粒時,這些析出的硫便會沉積下來,這一沉積過程主要是物理變化。
3.1.2堵塞對計量的影響
  從現場勘查及堵塞物形成機理可知,高含硫化氫氣田在生產運行過程中所帶出的酸液顏色呈黃色或淺黃色,經化驗和分析判斷主要含單質硫。在日常清洗集氣站高級孔板閥計量系統時發現,管壁、整流器、孔板、導壓系統附著有大量單質硫等雜質,更存在整流器整流孔幾乎被完全堵塞的情況。這些雜質不僅使得流量計導壓系統不能準確地錄取靜壓、差壓等參數,還使整流器失去原有的整流作用,氣體的流態發生變化,影響計量的準確度。因此,定期清洗流量計和解決工藝系統內硫沉積是提高計量準確度的關鍵。而試驗結果表明,雜質形態受溫度影響也較大,保持計量裝置內外部處于較高溫度對減少硫沉積、提高計量準確度尤為顯著。
1)堵塞導致計量直管段直徑變化。從生產過程中發現,隨著運行時間的增加,計量裝置上下游的直管段會逐漸出現沉積硫,直接導致直管段的直徑變小,嚴重時如圖1所示,造成氣的流動范圍減小。

2)整流器堵塞導致整流效果降低。氣體通過節流裝置的流動必須是保持層流。在氣體流經孔板前,其流束必須與管道軸線平行,不得有紊流。而為了保持經過孔板閥時的氣體流態為層流,集氣站各孔板計量裝置前均安裝了整流器,但在實際運行中,整流器經常出現篩孔堵塞的現象,嚴重時如圖2所示,導致流態發生變化,失去整流作用。
3)孔板閥閥腔內、孔板及提升導板上附著雜質過多。對集氣站的高級孔板閥拆洗時,發現高級孔板閥的孔板上、導板以及腔內附著大量的單質硫等。這些雜質會對孔板的銳利度產生不良影響,導致計量不準確,同時也會導致孔板無法正常的提取,給高級孔板閥的定期清洗工作造成不便。

3.2導壓系統問題
引壓管最容易出現的問題是有積液和堵塞。
3.2.1引壓管積液
  由于天然氣中含有水分,會出現引壓管積液現象。這種積液往往會造成流量計測量失真,導致變送器的輸出出現波動。在寒冷的冬季很容易造成凍堵,最終導致流量計無法正常運行。因此,需要定期對積液進行排放。
3.2.2引壓管堵塞
  由于測量介質天然氣中含有單質硫等雜質,介質黏稠,會導致引壓管堵塞。如不定期排污,引壓管更易堵塞,甚至導致雜質固化。一旦發生上述情況,流量計將無法正常運行。因此,要定期排污或疏通。
  按照規定,集氣站(包括集氣總站)對引壓管進行周期性排堵,冬季每班一次,夏季每天一次。另外,集氣總站當產量降低約20×104m3時,及時對導壓管、五閥組進行加強解堵。由于頻繁解堵會降低五閥組的密封性,需要每年更換一次五閥組。
3.2.3節流裝置鈍化
  孔板流量計的流出系數C是在標準實驗室條件下進行校準標定的。當孔板和孔板夾持器或者孔板入口直角銳利度未達到標準要求時,會引起氣體流態畸變,使流出系數C值改變,最終影響流量計準確度。小孔徑孔板入口邊緣輕微的磨圓會引起流量測量值5%的負偏差;而高含硫天然氣具有較強的腐蝕性,嚴重磨蝕和中等沾污的孔板也會引起12%的負偏差。另外,高壓流體的沖刷也會導致標準孔板的入口直角銳利度發生鈍化[4]。
  嚴重鈍化時會使流出系數偏移1%~2%。在流量計算中,對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,對某區塊16座集氣站共計65套高級孔板閥清洗過程中,發現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C值的穩定對提高計量準確度也很重要。
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,還存在氣質組分復雜的特點。根據對殘酸液進行取樣,發現黏度較高、成分復雜。另外,由于氣田開發采用連續加注緩蝕劑的防腐工藝,而緩蝕劑黏度大,易與沉積物結合,形成顆狀物質。在實際生產中,密封圈與孔板之間、平衡閥密封部分容易沉積雜質或損傷(圖3)。氣體流經孔板時直接從孔板外邊緣以及上腔滲漏至下游,導致計量偏低。

4建議
4.1加強流量計的維護保養
  加強流量計各部位定期維護保養。每周對孔板閥操作檢查一次,每月對孔板清洗一次,保證孔板閥操作正常,孔板清潔、無損傷。每活動一次滑閥,就加注一次密封脂,保證滑閥嚴密不漏,密封良好。保持孔板閥表面清潔,油漆無脫落、銹蝕,銘牌清晰,零部件齊全完好,無內外滲現象,可動部分靈活好用。除定期清洗保養之外,可采用專用電磁加熱器對孔板流量計測量管段定期進行加熱除垢,以減少因管道結垢變徑對計量的影響。同時,規范安裝引壓管伴熱系統,以減少引壓管堵塞現象[5]。
4.2實施有效的解堵措施
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。但溶硫劑具有極強的腐蝕性,容易造成設備附件損壞(如孔板密封墊圈、提升軸密封膠圈等)。因此僅在已經完全被單質硫堵塞、設備材質允許的條件下小范圍使用。
4.2.2蒸汽解堵
  開始時對孔板閥內的元素硫堵塞采用清水沖洗的方法進行處理,但效果不理想,附著在提升軸齒輪、導板齒縫和滑板上的部分雜質無法完全被清洗掉,雜質依然會對孔板閥的正常操作造成影響。
  經過試驗,用高壓蒸汽沖洗的方法較好。高壓蒸汽不僅能將閥腔內的元素硫雜質沖洗干凈,還能將閥腔內殘存的緩蝕劑、密封脂等雜質沖洗干凈,不留死角,對閥體內的附件也不會造成傷害。清洗完畢后,閥門操作靈活、可靠,投入運行后持續生產時間長,清洗效果非常顯著。
4.3及時更換計量分離器高級孔板閥孔板密封墊圈
  現場實際操作過程中發現,計量分離器高級孔板閥孔板的橡膠密封墊圈使用一個月左右就會出現腐蝕老化。因此,每月對計量分離器高級孔板閥進行一次維護保養,對失效的橡膠密封墊圈及時進行更換。目前,試驗使用耐腐性更強的四聚氟乙烯材料替代橡膠制作孔板密封墊,應用效果較好。
5結論
  高酸氣田集氣站場使用的高級孔板閥,是站場天然氣計量的重要設備,在運行過程中受到所計量介質的性質、壓力、溫度以及自身材質、結構等多種因素的影響,造成操作困難、計量不準確等問題,嚴重影響現場的安全平穩生產。在目前無法改變天然氣高含H2S的客觀情況下,通過現場實際工作,提出了一些解堵、維修保養的方法,取得了一定的效果。通過以上一系列的維護保養措施和改進工作,能更好地解決高級孔板閥在日常使用過程中出現的問題,保證孔板閥的安全運行和天然氣計量的準確。

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