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天然氣集輸送常見自動化儀表可靠性分析

文章出處:未知        發布日期:2015-12-15         瀏覽次數:

天然氣集輸是繼氣田勘探、開發和開采之后的一個非常重要的生產過程,廣義而言,它包括從井口開始,將天然氣通過管網收集起來,經過預處理和其后的氣體凈化,最后成為合格的商品天然氣,并外輸至用戶的整個生產過程。
天然氣的集輸包括采集和輸送兩部分,如氣田內部集輸管網、井場、集氣站等單元工藝。集輸工藝集輸水平的高低,對降低天然氣生產成本、提高安全、平穩供氣的可靠性及保護環境都有直接的影響。因此,它在天然氣工業中的作用十分重要。
近幾年來,隨著新工藝、新技術的發展,在川東氣田天然氣采輸生產現場中采用了大量的自動化儀表,極大地提高了企業的生產技術水平。但由于川渝地區大多數生產站場所處環境相對惡劣,對儀表的可靠性提出了更高的要求。因此,有必要對儀表的可靠性進行綜合分析,有針對性地采取各種措施,切實保障儀表長期正常平穩運行,確保安全生產。
1 天然氣集輸
1.1 天然氣集輸系統
天然氣集輸系統一般可分為以下幾個基本組成部分,即:采氣、集氣、配氣管線及輸氣干線;天然氣增壓站及天然氣凈化處理廠;集輸配氣場站;清管及防腐站。
1.2 天然氣集輸工藝流程
就川東氣田而言,絕大多數氣藏都屬于純氣藏,沒有凝析油生成,因此決定了其開采工藝和集輸設備的特點。
1)單井站
通常采用單井常溫分離工藝流程。天然氣從井中采出經針形閥節流降壓、水套加熱爐加熱,再經二級節流降壓后進入分離器,在分離器中分離游離水、凝析油和機械雜質,氣體經過計量后進入集氣干線。從分離器分出的污水可回注入地層,或車輛運輸至其他地方集中處理。
2)集氣站
當多口井的天然氣集中在某一處進行集中處理時,常把該站稱為集氣站。川東氣田因多屬純氣藏,故通常采用常溫集氣分離流程。一般只須在站內進行節流調壓和分離計量等操作,實現各氣井來的天然氣的節流調壓和分離計量。
3)脫水站
從地層采出的天然氣,通常處于被水飽和的狀態。處于液相的水,可通過分離器分離出來,但天然氣中含有的飽和水氣,就不能通過分離器分離。天然氣中水的存在,一定條件下會生成水合物,產生堵塞,影響生產。而且由于CO2、H2S等酸性氣體的存在,由于液態水的存在,會造成管道和設備的腐蝕。因此,需要對天然氣進行脫水處理。
天然氣的脫水方法主要有低溫冷凝法、溶劑吸收脫水法、固體吸附脫水法等。因為脫水劑不與天然氣中的水分發生化學反應,只對水有很好的溶解能力,溶水后蒸氣壓很低、且可再生和循環使用的特點,故川東氣田采用了以三甘醇(TEG)為脫水劑的溶劑吸收脫水法。
脫水站接收來自各集氣站的天然氣,經過脫水后處理氣體進入長輸干線,送往天然氣凈化廠凈化處理。
4)增壓站
氣田進入后期開采,由于井口壓力低于集輸管網壓力,天然氣無法進入管網。為提高采收率,充分利用資源,就有必要進行增壓開采,增壓機將壓力低的井口來氣集中進行增壓后送入集輸干線。國內多采用燃氣輪機增壓機組。
5)配氣站
天然氣從凈化廠輸出后,通過配氣站直接向民用或工業用戶供氣。
配氣站是干線的終點,又是城市配氣的起點和總樞紐。天然氣在配氣站內經過分離、調壓、計量和添味后輸入配氣管網。
2 天然氣集輸系統常見自動化儀表種類和測量對象
生產現場的各類自動化儀表通常與計算機系統、RTU/PLC等站控系統配合使用,有的只進行數據檢測,有的還參與工藝控制。雖然它們型號不一、種類繁多,但一般會按以下原則來選擇:
1) 輸出信號應是標準信號,如4-20mA DC,1-5V DC標準信號;
2) 防爆型電動儀表,有少量特殊要求的采用本質安全型;
3) 為便于維護,力求選型統一。
以川東氣田為例,天然氣采輸生產主要包括采氣、集氣、輸氣、脫水、增壓等工藝環節,根據按測量對象的不同來劃分,使用的自動化儀表主要有壓力、溫度、液位、氣體濃度等五類。
2.1 壓力
壓力變送器是壓力測量的主要儀表,從歷史發展來看,壓力變送器從早期的位移平衡式、力平衡式,發展到現在的電容式、單晶硅諧振式智能型變送器,不論從測量準確性,還是儀表的可靠性,都有了飛速的進步。
目前在天然氣集輸生產中主要使用就是智能型壓力變送器,主要代表分別是ROSEMOUNT3051系列的電容式智能壓力變送器和橫河川儀EJA系列的單晶硅諧振式智能壓力變送器,用于測量天然氣開采、分離、調壓、計量、增壓、脫水等環節中的壓力(或差壓)、輸配氣壓力、清管壓力、輸氣干線甚至用戶用氣壓力等壓力和差壓參數。
相對于傳統的壓力變送器,智能變送器具有以下一些優點:
1)穩定性好,其穩定性長達五年;精度高,可達±0.075%;量程范圍寬,為100:1。
2)具有快速的動態響應,實現更精確地測量與控制。
3)加入了溫度測量來補償熱效應,保證運行期間信號的準確性。
4)適用于現場總線產品,使通訊更為簡化、可靠。
2.2 溫度
天然氣生產中主要使用的是兩類接觸式溫度測量儀表:熱電阻和熱電偶。熱電偶是以熱電效應為基礎的測溫儀表,而熱電阻測溫是基于金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。從應用范圍來看,熱電阻主要用于溫度較低介質的測量,如管輸天然氣溫度等;熱電偶主要用于溫度較高介質的測量,如脫水裝置灼燒爐溫度等。由于天然氣集輸主要工藝流程大多采用的是常溫工藝,因此在使用中以熱電阻用量最大。
工業熱電阻主要有銅熱電阻和鉑熱電阻兩類,基于靈敏性、穩定性等方面的考慮,天然氣生產中大多使用了鎧裝鉑熱電阻。它和普通鉑電阻相比,在外型尺寸、相應速度、抗震性能等方面具有更大的優點。
以川東氣田為例, Pt100型鉑熱電阻配溫度變送器是溫度測量儀表的主要搭配方式,用于測量生產過程中天然氣或其他介質加壓、加熱、節流或計量時的溫度變化等。
2.3 液位
液位儀表主要采用了浮筒式、雷達式、差壓式液位變送器,用于測量分離器污水和脫水過程中甘醇液位。
彈簧式和扭力管式浮筒液位計是變浮力式液位計的典型代表,它們都是應用變浮力原理,以浮筒作為敏感元件進行液位測量的。所不同是,彈簧式浮筒液位計直接檢測的是彈簧在浮力變化下所引起垂直方向上的位移變化,而扭力管式浮筒液位計檢測的是扭力管在浮力變化下的角位移變化。
差壓式液位計本質上就是一臺差壓計。它是利用容器內的液位變化時,由液柱產生的靜壓也相應變化的原理而工作的。差壓式液位計主要有兩類,普通型和法蘭式,普通型直接接觸介質,而法蘭式不直接接觸介質,它主要用于測量具有腐蝕性或含有結晶顆粒以及粘度大、易凝固等液位。
2.4 安全監測
石油天然氣屬于高危行業,確保工作人員的人身安全是重中之重。在生產過程中,由于天然氣組分的特點,有毒有害氣體主要是甲烷和硫化氫,因此,防火和防中毒是安全監測的主要目的。安全監測儀表主要采用了可燃氣體檢測儀和硫化氫氣體檢測儀,用于檢測生產現場空氣中的可燃氣體和硫化氫等有毒有害氣體的濃度。
按使用位置劃分,生產現場使用的氣體檢測儀有便攜式和固定式兩大類。對可燃氣體檢測儀而言,便攜式都采用的是催化燃燒型傳感器探頭,固定式則催化燃燒型和紅外型都有使用;對硫化氫氣體檢測儀而言,不論便攜式還是固定式,主要使用的是電化學型的傳感器探頭。
3 可靠性
3.1 分類
可靠性是指產品在規定的條件下,在規定的時間內完成規定功能的能力。
可靠性分為固有可靠性和使用可靠性。固有可靠性是產品早在規劃階段就確定了的可靠性指標。如對儀器儀表,常指輸出范圍、精度、線性度、失真度、分辨率、回差、重要性、靈敏度、漂移等。是產品本身具有的,并在生產的各階段得到確定。產品生產出來以后,要經過包裝、運輸、儲存、安裝、使用、維護保養及修理諸環節。在這些過程中,產品的可靠性會受到種種條件如環境、技術條件、維修方式的影響,使用中的誤操作等都將造成產品失效。這些環節中存在的可靠性稱為使用可靠性。
從以上的定義和描述中我們可以看出,可靠只是一個相對的說法,離開了具體條件談論可靠性是毫無意義的。固有可靠性和使用可靠性即相互依存,又相互影響,高指標的固有可靠性提高了儀表使用的適應性,而良好的使用可靠性是儀表固有性能發揮的重要保障。
3.2 可靠性的影響條件
產品的可靠性只有在使用中得以實現,而對可靠性影響最大的就是前面提到的“規定的條件”的標準高低,“規定的條件”是產品可靠性定義中最重要又最容易忽略的部分,它有著廣泛的內容,主要可分為:
1) 環境條件
環境條件是指能影響產品性能的環境特性??芍饕譃樗念悾簹夂颦h境、生物和化學環境、機械環境、電和電磁環境。
天然氣采輸站場常位于地理位置偏僻、環境條件惡劣的地方,對儀表的氣候環境適應能力和性能指標都有很高的要求。最常見的例如溫度、濕度等指標。
而隨著電子技術的飛速發展,越來越多的電子儀表和設備采用了集成度很高的元器件,在提升技術指標的同時,也對電磁環境要求提出了更高的要求。
2) 動力條件 
動力條件是指能影響產品性能的動力特性。一般分為:電源和流體源(包括氣源和液體源)。
以天然氣為例,從地層中開采出來的天然氣往往含有砂和混入的鐵銹等固體雜質,以及水、水蒸氣、硫化物和二氧化碳等有害物質。砂和鐵銹等塵粒隨氣流運動,會磨損管道和儀表的部件,甚至造成破壞;水在一定溫度和壓力條件下還能和天然氣中的某些組分生成水合物,造成冰堵;硫化物則會對管道和儀表造成腐蝕。
由于產區的不同構造、層位、天然氣組成相差甚大,而且天然氣的用途也不甚相同,或作為燃料,或作為原料。國際標準化組織及有關國家都對天然氣的質量要求進行了規定,在我國,天然氣的質量執行的是GB 17820-1999《天然氣》國家標準,該標準按硫和二氧化碳對天然氣進行了分類,提出了天然氣的技術要求,以保證輸氣管道安全運行及天然氣的安全使用。
3) 負載條件
負載條件是指能影響性能的負載特性,

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