天然气计量输差诊断方法应用研究.pdf

第 5 O卷第 6 期 2 0 1 4 年 1 2月 石油化工自动化 AUT0MATI ON I N P ETRO- CHEMI CAL I NDUS TRY Vo l _ 5 0，No ． 6 De c e mb e r ，2 0 1 4 天然气计量输差诊断方法应用研究 吕素芳 ， 李晓明， 李效彪 ， 郭阳， 李杰 ， 王小英 中国石化股份有 限公 司 中原油 田分公 司 天然气产销厂 ， 河南 濮 阳 4 5 7 1 6 2 摘要 通过分析目前天然气计量及输差的现状与存在的不足， 结合对输差的概念与分类的认识， 给出一般输差的计算方法， 针 对性地提出了一般天然气输差分析时常用的诊断分析思路 。从计量数据分析 、 输差走势对 比、 日常巡检等角度定 位输差 问题 ， 依次对有关装 置、 阀门、 工艺等进行检查 ， 进一步分析出解决问题 的途径 ， 并逐一 结合到现场 天然气的采输生 产过程中 ， 解决 了 站场输差存在的问题 。结合集气站存在天然气输差的客观原因 ， 分别从安装 工艺、 直管段 、 人 为因素等角度提 出相应的建议与 对策 。 关键词 天然气计量输差诊断分析 中图分类号T E 8 6 3 ． 1 文献标志码B 文章编号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 1 4 0 6 0 0 5 9 0 3 Ap pl i c a t i o n Re s e a r c h o n Di a g n o s t i c An a l y s i s o f Tr a ns m i s s i o n Er r o r M e a s ur e me n t f o r Na t u r a i Gas Lv S u f a n g，Li Xi a o mi n g，Li Xi a o b i a o ，Gu o Ya n g，Li J i e ，Wa n g Xi a o y i n g Na t u r a l Ga s Pr o d u c t i o n a n d M a r k e t i n g Fa c t o r y o f Z h o n g y u a n Oi l f i e l d， S I NOPEC，Pu y a n g ，4 5 7 1 6 2，Ch i n a Ab s t r a c t Th r o u g h a n a l y s i s o f c u r r e n t s t a t u s a n d s h o r t c o mi n g s o f n a t u r a l g a s me a s u r e me n t a n d t r a n s mi s s i o n e r r o r ，c o mb i n g wi t h u n d e r s t a n d i n g o f c o n c e p t a n d c l a s s i f i c a t i o n o f t r a n s mi s s i o n e r r o r ，g e n e r a l c a l c u l a t i o n me t h o d s a r e c o n c l u d e d ， a n d c o mmo n u s e d d i a g n o s t i c a n a l y s i s o f n a t u r a l g a s t r a n s mi s s i o n e r r o r i s p e r t i n e n t l y p r o p o s e d ．Th e t r a n s mi s s i o n e r r o r wa s p o s i t i o n e d b y a n a l y s i s o f me a s u r e me n t d a t a ，t r a n s mi s s i o n e r r o r t r e n d c o n t r a s t a n d d a i l y i n s p e c t i o n ．Th e s o l u t i o n wa s a p p r o a c h e d b y i n s p e c t i n g r e l e v a n t e q u i p me n t ，v a l v e s ，p r o c e s s ，e t c ．s u c c e s s i v e l y ． Th e e x i s t i n g p r o b l e m o f t r a n s mi s s i o n e r r o r s a t s t a t i o n s i s s o l v e d wi t h c o mb i n i n g a c t u a l n a t u r a l g a s e x p l o i t a t i o n a n d t r a n s p o r t a t i o n o f p r o d u c t i o n o n s i t e ．C o mb i n e d w i t h o b j e c t i v e c a u s e s o f g a s t r a n s mi s s i o n e r r o r ，s u g g e s t i o n s a n d c o u n t e r me a s u r e s a r e p r o p o s e d r e s p e c t i v e l y f r o m t h e p o i n t o f i n s t a l l a t i o n，s t r a i g h t p i p e s e c t i o n a n d h u ma n f a c t o r s ． Ke y wo r d s n a t u r a l g a s ；t r a n s mi s s i o n e r r o r me a s u r e me n t ；d i a g n o s t i c a n a l y s i s 1 天然气计量及输差现状 流量计量是天然气工业发展 中尤其重要 的问 题 ， 不仅是生产部 门用来判断气井生产能力 的技术 指标 ， 更是天然气供需双方贸易结算的依据。为了 准确计算流量， 需要提高流量计量的准确度。 天然气计量的准确度受多种因素的影响 ， 在井 口气量与外输气量 、 供给气量与接收气量 、 总计量 与分表计量之间总存在一定 的差值 ， 即常说的“ 计 量输差” 。对输差的合理控制是保证计量准确性的 一 项重要工作 。 目前 中国石化股份有限公司 中原油 田分公 司 天然气产销厂在天然气计量中的管理机构、 制度以 及量值传递系统已很健全 ， 计量装置与仪表齐全 ， 但仍存在一些不足u J 。 1 ． 1 计量器具的现状 目前集气站 的计量方式主要采用标准孔板节 流装置差压式流量计 ， 占该 厂总流量计 的 7 0 以 上 ， 孔板虽是 目前 国内外标准化程度较高的计量器 具 ， 但受干扰因素较多 ， 维护相对复杂。其二次仪 表主要配置双波纹管压差计 和压力温度 变送 器。 除孔板差压式流量计外 ， 还有少数旋 进漩 涡流量 计 ， 该流量计无可动部件 ， 仪表准确度不高， 且极易 受气流脉动和压力变化的影响而产生计量误差l 2 J 。 稿 件收到 日期 2 0 1 4 0 8 1 1 。 作者 简介 吕素芳 1 9 7 1 ， 女 ， 2 0 1 0年毕业 于河南科技大学测量 仪器 与控制专业 ， 获学士学位 ， 现就职于 中国石化股份有 限公 司中 原油 田分公 司天然气产销 厂， 从事 天然气计 量管理 和计量 技术工 作 ， 任工程师 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 0 石油化工自动化 第 5 O卷 1 ． 2 工艺流程对天然气采输的影响 随着气田的逐步开发， 天然气中水分等杂质的 增多 ， 集气站设备的逐渐老化， 现有生产工艺无法达 到理想的分离效果 ， 气体输送 中易形成两相流甚至 是多相流， 导致气况偏离计量标准要求 ， 影响天然气 计量准确性， 不仅增大计量误差， 还减少仪表的使用 寿命 。由此造成的计量误差随着气田开发 的年限而 愈显 ， 该 问题也是 限制气 田计量 水平 提高的重要 因素。 2 输差的基本概念与分类 2 ． 1 概念 输差是指天然气在输送过程中的量值减量 ， 其 计算公式如下 r T r T △一I q ． d t I q j． d t 1 式中 △ 天 然 气 输 差 ， m。 ； 流 入 气 量 ， m。 ； q 流 出 气 量 ， m。 ； ￡ 时 间，s ；卜 周期。 2 ． 2 分类 输差根据实际情况可分为站输差 、 线输差 、 综 合输差等 。 站输差 A 站一E q 出站一E q 进站 2 线输差 △线 g 出 气 ～ q 进气 q 管 存 变 化 3 综合输差 △ 综 合一E q 销 气 一∑ q 接 气 ∑q 管 存 变 化 4 其中， 综合输差要达到三点要求 等于总出、 总进之差； 等于所有站输差和线输差之和 ； 等于所 有基层单位输差之和。 3 集气站输差诊断方法及应用 对采输气管网进行合理的输差分析， 及时查找 输差问题 ， 尽快将问题交给计量和巡线人员 。可促 使计量人员首先对计量仪表是否存 在产生输差的 可能性进行确认 ； 同时让巡线人员对管线窃气 、 漏 气等现象进行确认。 3 ． 1 定位输差问题 3 ． 1 ． 1 计量数据分析 一 般天然气管网的计量数据都具有传递性质， 通过对某条管线或某个 站场上下游计量点的计量 数据进行对比分析， 可以判断某段位置计量仪表的 准确性 ， 找到存在计量输差 的问题部位。 3 ． 1 ． 2 输差走势对 比 将整个管网或全线的输差和区域的输差 曲线进 行对 比。如果发现某段或某个区域的输差曲线和整 个管网或全线的输差曲线走势相似， 该线存在输差 问题的可能性就 比较大 ， 重点对该段或该区域进行 查找 ， 缩小工作范围， 提高解决输差 问题的效率。 3 ． 1 ． 3 集气站 日常巡检工作 在集气站的日常工作中， 对计量数据进行及时 录取并上传是一项非常重要的工作 ， 基层工作人员 作为站场计量系统故 障的第一发现人 ， 可以及时对 可能产生的输差 问题进行现场解决处理 。 3 ． 2 检查 解决输差问题应遵循计量优先的原则， 即首先 从计量仪表上寻找输差产生的原因。与窃气、 漏气 相比， 计量仪表发生故障造成计量输差的可能性更 大且不易被发觉。同时 ， 计量仪表的处理与巡线相 比较为容易和及时 。针对集气站 日常工作而言， 从 计量优先的角度考虑则主要包括如下几个方面 1 检查计量仪 表数据显示或远传是否正常 。 计量仪表接线处接触不 良、 位置松动等造成仪表数 据间断显示或无法正常远传； 计量监控系统卡死、 计量暂停等原因均会对计量产生影响。值班人员 应密切关注监控数据 ， 及时对接线 稳 固性进行检 查， 系统遇卡时一般采取 系统重启的措施 ， 即可恢 复正常计量状态。 2 检查仪表参数设置。参数包括节流装置参 数和天然气的相对密度参数。软件输入的孔板直 径、 管径等数据一定要 与现场节流装置相符合 ， 否 则对计量精确度的影 响较为严重。天然气的相对 密度在测量中也是较重要 的物性参数， 目前采取的 是每月 1 5日更换一次密度值 的方式 ， 将某点的分 析数据代表该月份的组分情况， 该组分是流量计量 的重要参数。 3 检查计量装置管路及 阀门。平衡阀、 高低压 阀以及计量仪表取压阀开关未到位， 仪表阀门内漏 或堵塞等均会对计量产生一定的影响。表 1 为各仪 表装置阀门开关情况对天然气正常计量的影响。 表 1 计量装置阀门状态对正常流量计量的影响 状态平衡 阀高压室 阀 低压室 阀 上游取压阀 下游取压阀 开 导致气量 正常计量 正常计量 正常计量 正常计量 下降 状态 状态 状态 状态 关 正常计量 导致气量 导致气量 导致气量 状态 上升 下降 上升 堵 导致气量 导致气量 导致气量导致气量 下降 上升 下降 上升 导致气量 下降 导致气量 下降 4 检查铂热电阻。铂热 电阻的安装应符合标 准， 并要定期进行检查 。当热 电阻出现接线脱落、 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 吕素芳等．天然气计量输差诊断方法应用研究 接触不良以及安装不当等现象时均会导致温度的 测量失准， 进而影响计量的准确性 。 5 装置排液 。气 田水分较多 ， 集气站一级分 离效果并不理想 ， 油水及砂粒等极易被带人计量管 段 ， 随着气流的高速流过， 必会严重损坏孔板 ， 因而 需要及时对节流装置进行排液操作， 防止油水砂粒 等聚集而影响计量准确性。尤其是在寒冷冬季 ， 气 温过低 ， 排液不及时， 节流装置油水聚集、 凝结 ， 严 重影响正常计量 。故在集气站执行冬季安全生产 措施时， 加密装置排液是一项不容忽视的重点。 6 输差及工艺流程检查。一旦发现输差 问题 即对流程进行检查 ， 从站场 流程 上排查可 能的原 因， 及早定位问题部位 ， 从而采取合理的解决措施 。 a 正输差。总计量远大于单井计量之 和， 可 能存在旁通漏气、 阀门内漏等现象。 b 负输差 。总计 量远小 于单井计量之 和， 可 能 由于站内用气过大或用气量估计值偏差大、 总计 量旁通阀门内漏等原因。 7 检查孔板。孔板作为节流装置， 是天然气 计量 的核心部件 ， 孔板的安装方向、 磨损程度、 尖锐 度 、 表面粗糙度、 是否弯曲变形、 是否有缺 口、 是否 有脏物堆积 、 密封胶圈是否匹配、 损坏 等均会给计 量数据的准确性带来很大的影响。 3 ． 3 分析 在优先检查仪表后 ， 若仍无法排除输差存在的 问题 ， 则需做进一步的现场问题分析 。 1 流程切换 。若无法完全确定某计量点是否 存在故障问题， 可采取切换至其他流程重新进行计 量信息的分析 比对， 找准问题。若多 口井同时开 井 ， 则可以通过逐一关井 ， 分别与总计 量进行气量 对比的方式判断输差问题存在的具体部位。 2 现场安装对比表。即在计量点再次安装计 量仪表 ， 与原先仪表计量数据进行直观对 比， 确定 原先的仪表是否存在故障问题。 3 专业人员维修 。以上检查分析工作之后 ， 若仍无法排除输差过大问题 ， 则需考虑 自动计量系 统是否有故 障， 可交 由专 业计量人员进行 维护排 查， 分别针对 自动计量仪表或双波纹管压差计等给 予流量软件维护、 仪表故障排查 、 校表等针对性 的 整 改措 施 。 3 ． 4 集气站常见计量输差问题举例 1 文 2号集气站的文 1 0 8 1井于 2 0 1 3年 5 月 1 7日连续开井生产。全站开井一口， 单井计量 与低压计量导致 日累计流量输差过大， 通过对 比计 量数据 ， 发现文 1 0 8 1 井计量仪表数据 出现“ 时走 时停” 的故障， 故障时各项数据均显示为恒定值。 随即按照输差问题解决程序， 对计量仪表进行相应 的检查 ， 均未发现故障问题 ， 进一步分析， 进行流程 切换 ， 计量数据比对等也未发现问题 ， 于是归结为 自动计量系统 的故障问题 ， 专业计量人员解释 因 文 2号集气站 自动计量系统为 F l o b o s s l 0 3和 AB B 共用， 组态软件存在不兼容的现象， 导致计量系统 故障。 2 文 2 号集气站文 1 0 8 5井于 2 0 1 3年 7月 2 E l 开井生产 。开井计量后发现单井计量 与低压外 输瞬时流量计量偏差过大 ， 首先分别对 1 0 8 5 井 和低压外输计量装置按照输差问题解决程序进行 检查 ， 均未发现故障问题 ， 在对孔板进行检查时 ， 发 现文 1 0 8 5井节流装置处 的密封胶圈偏 大， 更换 为匹配的密封胶圈后 ， 数据计量恢复正常 ， 后续工 作得 以准确进行 。 4 天然气输差产生原因及建议对策 4 ． 1 安装工艺问题 天然气流经弯头或阀门等设备时会发生扰动， 多数流量计对前后直管段有要求 。以最常用 的孔 板流量计安装为例 ， 要求上游侧的直管段长度至少 为 1 0 D， 下游侧的直管段长度至少为 5 D， 若直管段 达不到要求 ， 气流的扰动会对计量产生影响。 4 ． 2 测量直管段附着物对单井计量的影响 当气体经过标准孔板时， 气流从开孔流通， 但 孔板的周边对气流有阻挡作用 ， 使杂质在孔板上、 下游两侧沉淀堆积 ， 影响流体通过孔板时的流速分 布， 降低计量精度 。由于磨损、 冲刷导致测量管 内 壁表面粗糙度增加 ， 长期使用给整个计量装置带来 的测量不确定度难以评定 。测量管内壁附着杂质 ， 导致孔板上 、 下游的直管段 内径改变_ 2 ] 。 可在流量计前加装过滤器 ， 尤其对于集气站开 井时间较长的气井流程， 可有效减少杂质对计量的 影响 ， 提高准确度 。过滤器需要定时检查和清理 ， 过滤器前后段装压力表 ， 通过监测两端的压力差确 定过滤器的堵塞情况 ， 便 于及时更换 或清洗滤芯。 根据年度计量检修工作， 应对其 内腔及测量管 内壁 的粗糙度进行检查 ， 清洗内壁 附着的污垢 ， 当发现 内表面有明显冲刷或腐蚀， 应更换内表面符合标 准要求 的测 量管 ， 如暂 时无 符合标 准 的测 量管 ， 应及时对原测 量管按 表面 冲刷腐 蚀情况 做相 应 修正 。 4 ． 3 人为 因素的影响 上游测量管及端面的沉积物、 倒流程不彻底造 成旁通走气、 阀门故障漏气、 分离器压油后忘记关 闭压油阀等 ， 使计量的气量偏差过大 ； 节流装置不 下转 第 7 O页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 0 石油化工 自动化 第 5 O 卷 量追踪信号和 P I C的控制器输出信号。因信号线 路衰减等因素 ， 此时减压 阀的实际 阀位 与 P I C的 输出值会有微小偏差。当跳车信号触发后 ， 如果给 定的开度信号仍是 F I C的流量追踪信号与 P I C控 制器输出信号之 和， 将会破坏掉原 P I C控制 回路 的动态平衡 。因此 ， 建议将 P I C控制器输 出信 号 改为 PV阀位回讯信号 ， 以更好地实现管 网无扰动 切换的要求 。阀门的控制原理如 图 3所示 。 i 兰 壁 堡 兰{ [ ] 一 匝 ‘ 透 平 跳 车 信 号 cD I--- [ 二 二 [一 [ _ 圣 至 {P I C { I ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． 。 ． ．． ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． 。 ． ．．．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ．__ 图 3 阀 门控 制原理 示 意 5 与其他方案比较 以上方案的核心是通过 阀门双头气动执行机构 间的耦合弹簧两侧执行力的计算， 从阀门硬件上实现 了对蒸汽透平消耗汽量的动态跟踪， 从而保证了在透 平事故工况下 ， 高压蒸汽定量无扰动切换的实现。 目前在类似工况下， 也有 采用 D C S对透平 消 耗蒸汽量对应的阀位进行动态跟踪， 当发生透平跳 车后， 触发一 R D O信号将旁路阀的压力控制回路 强制至手动状态 ， 并要求阀门在 1 s 之 内开至 DC S 跟踪 的阀位开度 ， 维持 5 S 左右， 压力控制回路手动 控制切换至 自动控制。该方案的核心是气路附件中 的放大器与特殊阀门定位器 的搭配 ， 要求在开车前 调试过程中认真记录阀门从全关 至全开的时间， 反 复验证 。在开车实际运行 中， 也应根据 阀门的阀位 开度反馈时间趋势曲线进行阀门快开．陛能验证。 6 结束语 综上所述， 透平旁路阀在该装置的蒸汽动力平 衡中起着极其重要的作用， 是整个蒸汽管网的调节 核心， 该 阀运行 的好坏直接影 响到蒸汽管 网的稳 定 ， 进一步影响到装置的正常运行 。 参考文献 [ 1 ] 陆德民， 张振基， 黄步余． 石油化工自动控制设计手册[ M] ． 3版． 北京 化学工业 出版社 ， 2 0 0 0 ． [ 2 ] 胡寿松． 自动控制原理[ M] ． 4 版． 北京 科学出版社 ， 2 0 0 1 ． [ 3 ] 蒋慰孙， 俞金寿． 过程控制工程[ M] ． 2 版． 北京中国石化 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 4 ] 黄步余， 李丽华． S H 3 0 0 5 1 9 9 9石油化工自动化仪表选型 设计规范E s ] ． 北京 中国石化出版社， 1 9 9 9 ． [5] 全 国化 工 自控设计 技术 中心站． HG／ T 2 0 5 0 7 2 0 0 0 自动 化仪表选型设计规定[ s ] ． 北京 全国化工工程建设标准编 辑 中心 ， 2 0 0 1 ． [6] 全 国化工 自控 设计技术 中心站． HG／ T 2 0 5 0 5 --2 0 0 0过 程 测量和控制仪表的功能标志及图形符号I s ] ． 北京 全国化 工 工程建设标准编辑中心 ， 2 0 0 1 ． [7] 恽 春， 叶向东． S H／ T 3 0 9 2 --1 9 9 9石油化工分散控制系统设 计规范[ s ] ． 北京 中国石化出版社， 1 9 9 9 ． [ 8 ] 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