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大管徑管道含水瓦斯混氣准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爲大管徑管道,輸送的瓦斯氣含空氣及大量水分。爲此,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、含水瓦斯混氣的准確計量,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,一直沒有一套准確、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、標准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。氣體渦輪流量計虽然可以作为贸易结算的计量器具,但瓦斯气中含煤粉杂质,仪表长期运行对叶轮有磨损,显然也不适合贸易结算计量使用。而且氣體渦輪流量計一般应用于中小直径管道计量,在大直径管道很难应用。另外在准确计量含水混气流量的基础上,计量系统需要进一步实时、准确地计算出混气中纯瓦斯量,且计算不受浓度变化、水分含量等影响,而市面上通用积算仪无法满足要求,需要针对现场实际情况定制合适的瓦斯折纯积算仪。为此,本文提出了以插入式氣體超聲流量計、激光CH4浓度传感器、瓦斯折纯积算仪等为核心,组建一套全新的瓦斯计量系统,可适用于大管径管道、压力/温度/流速变化大、含水瓦斯混气的纯瓦斯准确计量,为瓦斯气供需双方的贸易结算提供直接、可靠的数据。
 
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)爲核心,氣體超聲流量計采集混合氣體的瞬時及累計體積流量值,並通過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。折純積算儀爲定制産品,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,然後進行數據存儲,並隨時可供用戶查詢、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。
计量系统结构框图
 
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时差法。根据超声波束在气体介质中的沿顺流与逆流方向传输时间差与气体介质的轴向平均流速有关,计算出气体流速,再乘以管道的横截面积,得出气体体积流量。它具有测量不受气体密度/压力/温度等影响、测量量程宽、测量下限流速低、测量不受管道直径限制、日常维护方便等优点,尤其是其测量不受管径大小及瓦斯混气含水量大小影响,这是很多常规氣體流量計所不具备的特点。本文计量系统采用的是LJS100/850Q型插入式矿用隔爆兼本安型氣體超聲流量計,采用插入式探头,防爆等级Exd[ia]IMb,测量精度1.0级,适用口径DN50~3000mm。(2)压力及温度传感器
氣體超聲流量計本身具有压力和温度传感器2个接口,实时采集管道内压力及温度值,然后根据所得的压力及温度值,把工况瓦斯混气累计体积流量转换为标况累计流量,以便于贸易结算使用。
(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、高濕條件下測不准和校驗周期短等問題,保證CH4濃度實時、高精度地測量。
常用甲烷浓度传感器性能比较
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准確測量含水混氣濃度的關鍵之一。
(4)瓦斯折純積算儀
瓦斯折纯积算仪根据现场情况定制,实时采集1个周期内氣體超聲流量計的标况及工况累计流量值和混气浓度值,然后二者相乘,计算出标况及工况
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)准確性
LJS100/850Q型矿用隔爆兼本安型氣體超聲流量計测量精度可达±1%,是氣體流量計中测量精度较高的。CH4浓度传感器采用高精度、稳定性好的GJG100J(B)型煤矿管道用激光CH4浓度传感器。为保证采集数据实时性、准确性,及时跟踪管道内介质流态的变化,流量、压力、温度及瓦斯浓度的数据采集周期均为1s,瓦斯折纯积算仪的采集及数据运算周期也为1s。流量、浓度等信号均采用数字通信方式采集,相比模拟信号方式,采集的信号更准确。
(2)安全性
根据安标国家矿用产品安全标志中心《2012年度防爆产品安全技术研讨会会议纪要》第7条对瓦斯管道测量设备要求“与管道内设备存在本安关联的电源及信号设备的本安电路部分应满足ia的要求”,LJS100/850Q型矿用隔爆兼本安型氣體超聲流量計防爆等级为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産品安全標志證書,安全性能達到煤礦井下電氣設備安全標准。
(3)經濟性
该系统核心单元是LJS100/850Q型矿用隔爆兼本安型氣體超聲流量計,也是整个系统价格占比非常大的设备,目前为止,它是国内仅有的应用于工业现场的矿用防爆型氣體超聲流量計,其价格是国外同类进口产品的1/3~1/2,整个计量系统性价比很高。
(4)实用性目前,能用于大管径湿气体测量的插入式氣體超聲流量計主要是国外进口的几种氣體超聲流量計,由于价格昂贵及售后不能保证,很难应用于普通用户的贸易结算。该计量系统不但解决了普通用户的瓦斯气、煤层气贸易结算难题,而且供需双方可以直接以纯瓦斯量来贸易结算,结算更科学、更合理、更精准,具有很强的实用性。
 
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,瓦斯輸送管道外徑爲φ426mm,采用普通碳鋼卷管,被測介質爲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,儀表顯示壓力範圍爲1~3kPa。溫度變化範圍爲32~42℃。含水混氣濃度變化範圍爲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日作爲統計時間段,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,純瓦斯平均用量爲23004m3/d。供需雙方認真對比、分析計量數據後,均無異議,一致認可計量數據,並將計量數據作爲日後結算依據。
 
5計量系統改進與完善
通过现场使用,发现有2点需要改进与完善:(1)氣體超聲流量計双插探头对现场安装开孔位置尺寸要求较高,误差必须控制在毫米级,否则2个探头对接不正造成测量信号较弱,影响正常测量,严重时无法测量。建议效仿进口产品使用单杆插入式双探头,如德国SICK公司生产的FLOWSIC100Flare氣體超聲流量計,只需开1个孔插入即可,不需要调节对接探头信号,更方便现场安装。
 
(2)正常运行期间,如条件具备,可使用进口便携式氣體超聲流量計,如美国GEPT-878型便携外夹式氣體超聲流量計,定期校验在线运行的氣體超聲流量計,以保证计量系统更可靠地运行。6结语通过研究与分析,结合现场实际应用情况,初步解决了大管径管道内含水瓦斯混气的准确计量问题,极大地方便了瓦斯气供需双方的贸易结算,减少因无法直接、准确计量造成的结算纠纷,为今后瓦斯气、煤层气的开发与利用提供了计量保证。

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