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      三暢創新研發儀表、助力工業自動化升級

      大管徑管道含水瓦斯混氣準確計量的研究與應用

      來源: 作者: 發布日期:2021-12-24

       摘要:瓦斯發電廠的瓦斯輸送管道一般為大管徑管道,輸送的瓦斯氣含空氣及大量水分。為此,由氣體超聲流量計、激光CH4濃度傳感器、瓦斯折純積算儀等構建了一套瓦斯計量系統,適用于大管徑管道、含水瓦斯混氣的準確計量,解決了供需雙方在貿易結算上遇到的難題。

       
      引言
      瓦斯發電是新能源開發與利用的重要途徑之一,現已廣泛應用。瓦斯發電所需的瓦斯氣一般由煤礦或煤層氣公司提供,但是瓦斯發電廠的瓦斯氣供需雙方在用氣量貿易結算時,一直沒有一套準確、可靠的計量系統,只能被動地從發電量大致反推出用氣量。輸送瓦斯氣管道直徑較大(一般φ400mm以上),瓦斯氣含大量水,空氣含量不定,管道壓力較低且變化,溫度、流速變化較大。貿易結算計量要求計量器具必須不受上述因素影響。目前,常規的孔板流量計、V錐流量計、各式巴類流量計、標準差壓流量計、渦街流量計、熱式流量計、旋進旋渦流量計等,受各自測量原理限制,都不能達到要求。氣體渦輪流量計雖然可以作為貿易結算的計量器具,但瓦斯氣中含煤粉雜質,儀表長期運行對葉輪有磨損,顯然也不適合貿易結算計量使用。而且氣體渦輪流量計一般應用于中小直徑管道計量,在大直徑管道很難應用。另外在準確計量含水混氣流量的基礎上,計量系統需要進一步實時、準確地計算出混氣中純瓦斯量,且計算不受濃度變化、水分含量等影響,而市面上通用積算儀無法滿足要求,需要針對現場實際情況定制合適的瓦斯折純積算儀。為此,本文提出了以插入式氣體超聲流量計、激光CH4濃度傳感器、瓦斯折純積算儀等為核心,組建一套全新的瓦斯計量系統,可適用于大管徑管道、壓力/溫度/流速變化大、含水瓦斯混氣的純瓦斯準確計量,為瓦斯氣供需雙方的貿易結算提供直接、可靠的數據。
       
      1計量系統總體設計
      計量系統以插入式氣體超聲流量計(流量計內含溫度傳感器及壓力傳感器)為核心,氣體超聲流量計采集混合氣體的瞬時及累計體積流量值,并通過RS485數字通信口將采集的混合氣體標況及工況流量累計值和瞬時值傳輸至瓦斯折純積算儀。激光CH4濃度傳感器采集混合氣體瓦斯濃度值,也是通過RS485數字通信口將采集的瓦斯濃度值傳輸至折純積算儀。折純積算儀為定制產品,將流量累計值與濃度值相乘,計算出1個采集周期內標況(溫度20℃,壓力101.325kPa)及工況下的純瓦斯累積體積流量,然后進行數據存儲,并隨時可供用戶查詢、導出數據。瓦斯折純積算儀具有擴展RS485通信接口,可與遠程無線抄表模塊連接,配合抄表軟件,用戶通過電腦或手機進行遠程無線抄表。計量系統結構框圖如圖1所示。
      計量系統結構框圖
       
      2系統構成
      (1)氣體超聲流量計
      氣體超聲流量計工作原理采用時差法。根據超聲波束在氣體介質中的沿順流與逆流方向傳輸時間差與氣體介質的軸向平均流速有關,計算出氣體流速,再乘以管道的橫截面積,得出氣體體積流量。它具有測量不受氣體密度/壓力/溫度等影響、測量量程寬、測量下限流速低、測量不受管道直徑限制、日常維護方便等優點,尤其是其測量不受管徑大小及瓦斯混氣含水量大小影響,這是很多常規氣體流量計所不具備的特點。本文計量系統采用的是LJS100/850Q型插入式礦用隔爆兼本安型氣體超聲流量計,采用插入式探頭,防爆等級Exd[ia]IMb,測量精度1.0級,適用口徑DN50~3000mm。(2)壓力及溫度傳感器
      氣體超聲流量計本身具有壓力和溫度傳感器2個接口,實時采集管道內壓力及溫度值,然后根據所得的壓力及溫度值,把工況瓦斯混氣累計體積流量轉換為標況累計流量,以便于貿易結算使用。
      (3)激光CH4濃度傳感器
      CH4濃度傳感器常見的有催化燃燒式、紅外檢測式、激光檢測式等。3種傳感器的性能比較如表1所示。本計量系統選用性能非常優的礦用全量程激光
      CH4傳感器GJG100J(B),較好地解決了高溫、高濕條件下測不準和校驗周期短等問題,保證CH4濃度實時、高精度地測量。
      常用甲烷濃度傳感器性能比較
      由于管道瓦斯含水量大、管道壓力較低,CH4傳感器進氣端必須裝配合適的水氣分離裝置,既要保證水汽不能進入測量氣室、不能附著濾網孔阻塞進氣孔,又要保證管道壓力較低情況下瓦斯氣體能順暢地進入測量氣室。這也是保證計量系統能準確測量含水混氣濃度的關鍵之一。
      (4)瓦斯折純積算儀
      瓦斯折純積算儀根據現場情況定制,實時采集1個周期內氣體超聲流量計的標況及工況累計流量值和混氣濃度值,然后二者相乘,計算出標況及工況
      純瓦斯累計體積流量。它可液晶顯示瞬時流量、工況瓦斯累計量、標況瓦斯累計量、瓦斯濃度、壓力、溫度等,可實現數據記錄、查詢及導出,采用觸摸屏操作、RS485數字通信。
      (5)遠程無線抄表系統
      遠程無線抄表系統一般由4G無線通信模塊及遠程通信采集軟件構成,4G無線通信模塊通過RS485通信口與瓦斯折純積算儀通信,將瓦斯折純積算儀的數據利用移動網絡傳至客戶端,客戶端通過電腦或手機遠程獲得計量數據。
       
      3系統設計要點
      (1)準確性
      LJS100/850Q型礦用隔爆兼本安型氣體超聲流量計測量精度可達±1%,是氣體流量計中測量精度較高的。CH4濃度傳感器采用高精度、穩定性好的GJG100J(B)型煤礦管道用激光CH4濃度傳感器。為保證采集數據實時性、準確性,及時跟蹤管道內介質流態的變化,流量、壓力、溫度及瓦斯濃度的數據采集周期均為1s,瓦斯折純積算儀的采集及數據運算周期也為1s。流量、濃度等信號均采用數字通信方式采集,相比模擬信號方式,采集的信號更準確。
      (2)安全性
      根據安標國家礦用產品安全標志中心《2012年度防爆產品安全技術研討會會議紀要》第7條對瓦斯管道測量設備要求“與管道內設備存在本安關聯的電源及信號設備的本安電路部分應滿足ia的要求”,LJS100/850Q型礦用隔爆兼本安型氣體超聲流量計防爆等級為Exd[ia]IMb,GJG100J(B)
      煤礦管道用激光CH4濃度傳感器防爆形式ExiaI,均符合要求。二者均具備防爆證及礦用產品安全標志證書,安全性能達到煤礦井下電氣設備安全標準。
      (3)經濟性
      該系統核心單元是LJS100/850Q型礦用隔爆兼本安型氣體超聲流量計,也是整個系統價格占比非常大的設備,目前為止,它是國內僅有的應用于工業現場的礦用防爆型氣體超聲流量計,其價格是國外同類進口產品的1/3~1/2,整個計量系統性價比很高。
      (4)實用性目前,能用于大管徑濕氣體測量的插入式氣體超聲流量計主要是國外進口的幾種氣體超聲流量計,由于價格昂貴及售后不能保證,很難應用于普通用戶的貿易結算。該計量系統不但解決了普通用戶的瓦斯氣、煤層氣貿易結算難題,而且供需雙方可以直接以純瓦斯量來貿易結算,結算更科學、更合理、更精準,具有很強的實用性。
       
      4現場應用情況
      2021年2月底,該計量系統應用于山西晉城永安宏泰煤礦瓦斯抽采泵站,瓦斯輸送管道外徑為φ426mm,采用普通碳鋼卷管,被測介質為井下抽采的瓦斯及空氣混合氣體,含煤粉,含水量大,安裝時焊開管道,管道底部有一層積水。管道壓力較低且不穩定,儀表顯示壓力范圍為1~3kPa。溫度變化范圍為32~42℃。含水混氣濃度變化范圍為18%~42%,短時間如1~2h內濃度值較穩定,但長時間內,尤其白天時段與夜晚時段,濃度值相差較大。管道內含水混氣常規流速6~9m/s。
       
      截取2021年3月11日至4月17日作為統計時間段,連續運行39d,具體數據如表2所示。通過瓦斯折純積算儀計算,39d標況純瓦斯總累積量897157m3,純瓦斯平均用量為23004m3/d。供需雙方認真對比、分析計量數據后,均無異議,一致認可計量數據,并將計量數據作為日后結算依據。
       
      5計量系統改進與完善
      通過現場使用,發現有2點需要改進與完善:(1)氣體超聲流量計雙插探頭對現場安裝開孔位置尺寸要求較高,誤差必須控制在毫米級,否則2個探頭對接不正造成測量信號較弱,影響正常測量,嚴重時無法測量。建議效仿進口產品使用單桿插入式雙探頭,如德國SICK公司生產的FLOWSIC100Flare氣體超聲流量計,只需開1個孔插入即可,不需要調節對接探頭信號,更方便現場安裝。
       
      (2)正常運行期間,如條件具備,可使用進口便攜式氣體超聲流量計,如美國GEPT-878型便攜外夾式氣體超聲流量計,定期校驗在線運行的氣體超聲流量計,以保證計量系統更可靠地運行。6結語通過研究與分析,結合現場實際應用情況,初步解決了大管徑管道內含水瓦斯混氣的準確計量問題,極大地方便了瓦斯氣供需雙方的貿易結算,減少因無法直接、準確計量造成的結算糾紛,為今后瓦斯氣、煤層氣的開發與利用提供了計量保證。

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