煤气流量计量仪表的选型及应用

煤气俗称“瓦斯”，其主要成分是CH4（甲烷），与煤炭伴生、以吸附状态储存于煤层内的非常规天然气，热值是通用煤的2～5倍。1m3纯煤气的热值相当于1.13kg汽油、1.21kg标准煤，其热值与天然气相当，可以与天然气混输混用，而且燃烧后很洁净，几乎不产生任何废气，是上好的工业、化工、发电和居民生活燃料。煤气在空气中的浓度达到5%～16%时，遇明火就会爆炸，这是煤矿瓦斯爆炸事故的根源。煤气直接排放到大气中，其温室效应约为二氧化碳的21倍，对生态环境破坏性*。
在采煤之前如果先开采煤气，煤矿瓦斯爆炸率将降低70%到85%。煤气的开发利用具有一举多得的功效:提高瓦斯事故防范水平，具有安全效应;有效减排温室气体，产生良好的环保效应;作为一种、洁净能源，商业化能产生巨大的经济效益。
我国埋深2000m以下浅煤气地质资源储量约36.81万亿m3，居*三位。煤气利用范围不断拓展，广泛应用于城市民用、汽车燃料、工业燃料、瓦斯发电等领域，煤矿瓦斯用户过189万户，煤气燃料汽车6000余辆，瓦斯发电装机容量过75万kW，实施煤矿瓦斯回收利用CDM项目60余项，煤气的利用必将得到大力的发展，作为能源贸易计量，非常有必要选用合适的流量计。
1、煤气计量场合特点
1.1计量工作环境及条件
我国煤气主要分布在华北和西北地区，大于5000亿m3的含煤气盆地（群）共有14个，其中含气量在5000～10000亿m3之间的有川南黔北、豫西、川渝、三塘湖、徐淮等盆地，含气量大于10000亿m3的有鄂尔多斯盆地东缘、沁水盆地、准噶尔盆地、滇东黔西盆地群、二连盆地、吐哈盆地、塔里木盆地、天山盆地群、海拉尔盆地，储存条件复杂、环境恶劣，计量仪表一般安装在野外，昼夜温差非常大。
环境温度为－25～50℃，工作压力（一般为）0.2～0.6MPa。
1.2气质含水量大、杂质多
从气井出来的气，配备有分离器，但由于工况条件（温度、压力等）变化、分离器跑油、间断计量时油水在计量管路中沉积等因素，经分离后的气体中还是不可避免地含有液体，因此，油气田内部集输的大多是湿气体。
由于煤气来源及采气工艺的问题，采出的气体均不洁净，含有的杂质。
1.3工艺流程特殊
煤气抽采过程中，为了及时了解煤气产量，需要频繁测量井底流压，工艺流程如图1。现场做法是在撬装计量系统的流量计上下游安装有阀门，先慢慢关小流量计上游的阀门，下游阀门的“排空”管道打开;在“排空”结束后，切换到“集输管网”时，需要将“排空”阀门关小再打开集输管网的阀门，该过程约需1～2h，在此过程中，由于下游阀门开度越来越小，在流量计处的介质压力慢慢升高，即通俗所说的“憋压”。
2、煤气用流量仪表选型
煤气的物理性质与常规天然气类似，但由于煤气抽采工艺特殊，湿气、气质脏等特点，有些流量计使用一段时间后即不能正常计量。故在流量计的选型上有其特殊性，分述如下。
2.1 孔板流量计
孔板流量计的主要特点为结构易于复制、简单牢固、性能稳定可靠、使用期限长、价格低廉等，整套流量计由节流装置、差压变送器和流量显示仪（或流量计算机）组成。它们可以分别由不同厂家生产，易于形成规模生产，经济效益高，各部分组合非常灵活，即使目前推出的一体化孔板流量计，亦可分开生产，再灵活组装。
但是孔板流量计亦有一些重大缺点:范围度窄，压损大，且需要进行微差压测量，重复性不高，对整套流量计的度影响因素多且错综复杂，因此度提高的难度很大，且对现场安装条件要求高等。
而且在长时间计量对孔板锐角的磨损，影响计量的性。昼夜温差大，冬季未做保温处理的计量阀组在夜间结冰，过流面积减少，计量度大大降低。
2.2涡轮流量计
涡轮流量计是一种速度式流量计，利用置于流体中的叶轮的旋转角速度与流体流速成比例的关系，通过测量叶轮的转速来反映通过管道的流体体积流量，是目前流量仪表中比较成熟的高度仪表之一。主要优点是:测量度高，复现性和稳定性均好;量程范围宽，量程比可达（10～20）∶1，线性好;耐高压，压力损失小;对流量变化反应迅速，可测
脉动流;抗干扰能力强，信号便于远传及与计算机相连。
涡轮流量计的特性易受介质物性和流体流动特性的影响，愈是高度，其影响愈敏感，例如介质脏污、结垢使叶片及通道发生变化，流量计特性亦随之改变;轴承磨损使特性偏移等。流体流动特性有来流速度分布和流体脉动等的影响，要保持仪表校验时的参比流动条件，其仪表系数才保持不变，否则需进行相应的修正或实行在线校准，以获得现场实际的流量计特性。
由于煤气质脏，在应用过程中，涡轮流量计上游需加装过滤器，并且需定期清洗。
2.3旋进旋涡流量计
是速度式流量计的一种，在国内的研制始于上世纪70年代末，经过近几年的发展，目前该类产品已从单探头结构改进为双探头（压电传感器）差动式结构。其工作原理如图2:当沿着轴向流动的流体进入流量传感器入口时，旋涡发生体强迫流体进行旋转运动，于是在旋涡发生体中心产生旋涡流，旋涡流在文丘利管中旋进，到达收缩段突然节流使旋涡流加速，当旋涡流进入扩散段，因回流作用强迫进行旋进式二次旋转。此时旋涡流的旋转频率与介质流速成正比，并为线性。两个压电传感器检测的微弱电荷信号经前置放大器差动放大，滤波，整形后变成两路频率与流速成正比的脉冲信号，同时处理电路对两路的脉冲信号进行相位比较和判别，剔除干扰信号，而对正常的流量信号进行计数处理。

由于采用了双探头差动式结构，且配合相位识别电路，可有效地克服单探头结构抗脉动和机械振动能力差的缺点。近年来，有些流量计还采用了自适应功率谱FFT算法技术，使产品的小流量检测能力和抗干扰能力得到有效提高，且随着单片机技术和信息技术的不断发展，仪表实现了智能化、网络化，真正使该产品的计量性能和质量水平实现质的飞跃。由于它具有体积小、无可动部件、介质适应性好、可靠性高、稳定性好等优点，已被广泛用于石油、化工、冶金、电力和燃气等领域的计量，尤其在煤气计量领域，更是的计量用表。
2.4声流量计
气体声流量计的应用始于20世纪90年代，由于它的一些突出优点———测量度高、量程比宽、无压损、无可动部件等，受到用户的欢迎。它适用于高压、大口径、洁净的天然气流量计量。在现场应用中，声流量计安装条件要求高。在煤气测量时，由于经过滤后的小粒径煤粉会附在探头上，影响计量的性。对时差式气体声流量计，小粒径煤粉会影响声波的正常传输，无法实现时差的测量。因此，在煤气计量中，一般不宜选用。
3、旋进旋涡流量计在“憋压”时计量的问题及解决方案
如图1，在关小流量计上游的阀门，下游阀门的“排空”管道打开时，流量计正常工作;在“排空”结束后，切换到“集输管网”时，即将“排空”阀门关小再打开集输管网的阀门（即“憋压”）时，压力达到一定程度，流量计不能正常计量，流量示值有“虚大”的现象。
对于该问题，我们在实验室，按现场管道进行模拟现场情况，并且按延长直管段、加整流器、加弯管3种情况进行试验，得出加弯管可解决该问题的结论。
3.1试验设备配置
流量计:TDS智能旋进旋涡流量计;
前直管段:≥10D;
后直管段:≥5D;
空气压缩机;
储气罐;
调压阀;
上、下游球阀等。
实验在参比条件下进行。
3.2延长前、后直管段
如图3所示。

可以看出，在常压102kPa开始时阀门开始关小，通过的流量应相应地变小，但实际流量不降反增，从173.2m3/h增到180.3、208.8、238.2m3/h，直到压力再往上增，即阀门开度很小的时候，在压力为280.0kPa后，通过的流量才降低，从开始减小阀开度时开始，该处计量的流量即出现“虚大”现象。
3.3加整流器
在图3的基础上，将前直管段前部分500mm加上如标准GB/T2624—2006/ISO5767－1:2003《用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量》所述的19根管子的管束式流动整直器，如图4、图5。

从表2看出，在常压101.6kPa开始时阀门开始关小，现象与前述延长直管段相似，当调小阀门开度时，实际流量不降反增，到一定程度（调小下游阀门使压力升至300.4kPa）下降。该处计量的流量出现“虚大”现象。
3.4加弯管
如图6所示。

从表3可看出，当阀门开度变小时，相应的流量也变小，与实际情况相符。经现场试验应用，结果相符，解决了流量“虚大”的问题。
从上述几个试验可看出，在加弯管后且流量计自上至下垂直安装状态时，可以解决“憋压”过程中流量示值“虚大”的情况。因此，该方案是解决“憋压”的有效方案之一。
4、结束语
煤气计量是近年来才发展起来的新领域，由于煤气的介质条件和使用条件较为恶劣，因此，从流量计的特点而言，只有旋进旋涡因无可动部件，比较适合煤气计量。但是，旋进旋涡流量计因是一种旋涡振荡型流量计，且检测传感器为压敏元件，尽管采用了差动式结构等技术手段，但尚难于克服现场的“憋压”和强烈的振动，因此，在设计时要尽量避免“憋压”现象及强烈振动现象的存在，有了这种现象存在就要采取有效的措施。本文介绍的解决方案仅抛砖引玉，希望同行能有更多的研究成果。从现场应用看，建议改善计量的工艺流程，如在计量装置前应进行处理，使流量计计量的条件趋于，计量的气体洁净、干燥，这样，对流量计的计量、使用寿命才有更大的帮助。