天然气集输常见自动化仪表可靠性分析

天然气集输是继气田勘探、开发和开采之后的一个非常重要的生产过程，广义而言，它包括从井口开始，将天然气通过管网收集起来，经过预处理和其后的气体净化，最后成为合格的商品天然气，并外输至用户的整个生产过程。

     天然气的集输包括采集和输送两部分，如气田内部集输管网、井场、集气站等单元工艺。集输工艺集输水平的高低，对降低天然气生产成本、提高安全、平稳供气的可靠性及保护环境都有直接的影响。因此，它在天然气工业中的作用十分重要。

     近几年来，随着新工艺、新技术的发展，在川东气田天然气采输生产现场中采用了大量的自动化仪表，极大地提高了企业的生产技术水平。但由于川渝地区大多数生产站场所处环境相对恶劣，对仪表的可靠性提出了更高的要求。因此，有必要对仪表的可靠性进行综合分析，有针对性地采取各种措施，切实保障仪表长期正常平稳运行，确保安全生产。

1 天然气集输

1.1 天然气集输系统

     天然气集输系统一般可分为以下几个基本组成部分，即：采气、集气、配气管线及输气干线；天然气增压站及天然气净化处理厂；集输配气场站；清管及防腐站。

1.2 天然气集输工艺流程

    就川东气田而言，绝大多数气藏都属于纯气藏，没有凝析油生成，因此决定了其开采工艺和集输设备的特点。
1）单井站

    通常采用单井常温分离工艺流程。天然气从井中采出经针形阀节流降压、水套加热炉加热，再经二级节流降压后进入分离器，在分离器中分离游离水、凝析油和机械杂质，气体经过计量后进入集气干线。从分离器分出的污水可回注入地层，或车辆运输至其他地方集中处理。

2）集气站

    当多口井的天然气集中在某一处进行集中处理时，常把该站称为集气站。川东气田因多属纯气藏，故通常采用常温集气分离流程。一般只须在站内进行节流调压和分离计量等操作，实现各气井来的天然气的节流调压和分离计量。

3）脱水站

       从地层采出的天然气，通常处于被水饱和的状态。处于液相的水，可通过分离器分离出来，但天然气中含有的饱和水气，就不能通过分离器分离。天然气中水的存在，一定条件下会生成水合物，产生堵塞，影响生产。而且由于CO2、H2S等酸性气体的存在，由于液态水的存在，会造成管道和设备的腐蚀。因此，需要对天然气进行脱水处理。

       天然气的脱水方法主要有低温冷凝法、溶剂吸收脱水法、固体吸附脱水法等。因为脱水剂不与天然气中的水分发生化学反应，只对水有很好的溶解能力，溶水后蒸气压很低、且可再生和循环使用的特点，故川东气田采用了以三甘醇（TEG）为脱水剂的溶剂吸收脱水法。
脱水站接收来自各集气站的天然气，经过脱水后处理气体进入长输干线，送往天然气净化厂净化处理。

4）增压站

       气田进入后期开采，由于井口压力低于集输管网压力，天然气无法进入管网。为提高采收率，充分利用资源，就有必要进行增压开采，增压机将压力低的井口来气集中进行增压后送入集输干线。国内多采用燃气轮机增压机组。

5）配气站

      天然气从净化厂输出后，通过配气站直接向民用或工业用户供气。
配气站是干线的终点，又是城市配气的起点和总枢纽。天然气在配气站内经过分离、调压、计量和添味后输入配气管网。

2 天然气集输系统常见自动化仪表种类和测量对象

      生产现场的各类自动化仪表通常与计算机系统、RTU/PLC等站控系统配合使用，有的只进行数据检测，有的还参与工艺控制。虽然它们型号不一、种类繁多，但一般会按以下原则来选择：

1）输出信号应是标准信号，如4-20mA DC，1-5V DC标准信号；

2）防爆型电动仪表，有少量特殊要求的采用本质安全型；

3）为便于维护，力求选型统一。

     以川东气田为例，天然气采输生产主要包括采气、集气、输气、脱水、增压等工艺环节，根据按测量对象的不同来划分，使用的自动化仪表主要有压力、温度、液位、气体浓度等五类。

2.1 压力

     压力变送器是压力测量的主要仪表，从历史发展来看，压力变送器从早期的位移平衡式、力平衡式，发展到现在的电容式、单晶硅谐振式智能型变送器，不论从测量准确性，还是仪表的可靠性，都有了飞速的进步。

    目前在天然气集输生产中主要使用就是智能型压力变送器，主要代表分别是ROSEMOUNT3051系列的电容式智能压力变送器和横河川仪EJA系列的单晶硅谐振式智能压力变送器，用于测量天然气开采、分离、调压、计量、增压、脱水等环节中的压力（或差压）、输配气压力、清管压力、输气干线甚至用户用气压力等压力和差压参数。

相对于传统的压力变送器，智能变送器具有以下一些优点：

1）稳定性好，其稳定性长达五年；精度高，可达±0.075%；量程范围宽，为100:1。

2）具有快速的动态响应，实现更精确地测量与控制。

3）加入了温度测量来补偿热效应，保证运行期间信号的准确性。

4）适用于现场总线产品，使通讯更为简化、可靠。

2.2 温度

       天然气生产中主要使用的是两类接触式温度测量仪表：热电阻和热电偶。热电偶是以热电效应为基础的测温仪表，而热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。从应用范围来看，热电阻主要用于温度较低介质的测量，如管输天然气温度等；热电偶主要用于温度较高介质的测量，如脱水装置灼烧炉温度等。由于天然气集输主要工艺流程大多采用的是常温工艺，因此在使用中以热电阻用量最大。

       工业热电阻主要有铜热电阻和铂热电阻两类，基于灵敏性、稳定性等方面的考虑，天然气生产中大多使用了铠装铂热电阻。它和普通铂电阻相比，在外型尺寸、相应速度、抗震性能等方面具有更大的优点。

       以川东气田为例， Pt100型铂热电阻配温度变送器是温度测量仪表的主要搭配方式，用于测量生产过程中天然气或其他介质加压、加热、节流或计量时的温度变化等。

2.3 液位

        液位仪表主要采用了浮筒式、雷达式、差压式液位变送器，用于测量分离器污水和脱水过程中甘醇液位。

        弹簧式和扭力管式浮筒液位计是变浮力式液位计的典型代表，它们都是应用变浮力原理，以浮筒作为敏感元件进行液位测量的。所不同是，弹簧式浮筒液位计直接检测的是弹簧在浮力变化下所引起垂直方向上的位移变化，而扭力管式浮筒液位计检测的是扭力管在浮力变化下的角位移变化。

       差压式液位计本质上就是一台差压计。它是利用容器内的液位变化时，由液柱产生的静压也相应变化的原理而工作的。差压式液位计主要有两类，普通型和法兰式，普通型直接接触介质，而法兰式不直接接触介质，它主要用于测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒以及粘度大、易凝固等液位。

2.4 安全监测

       石油天然气属于高危行业，确保工作人员的人身安全是重中之重。在生产过程中，由于天然气组分的特点，有毒有害气体主要是甲烷和硫化氢，因此，防火和防中毒是安全监测的主要目的。安全监测仪表主要采用了可燃气体检测仪和硫化氢气体检测仪，用于检测生产现场空气中的可燃气体和硫化氢等有毒有害气体的浓度。

       按使用位置划分，生产现场使用的气体检测仪有便携式和固定式两大类。对可燃气体检测仪而言，便携式都采用的是催化燃烧型传感器探头，固定式则催化燃烧型和红外型都有使用；对硫化氢气体检测仪而言，不论便携式还是固定式，主要使用的是电化学型的传感器探头。

3 可靠性

3.1 分类

        可靠性是指产品在规定的条件下，在规定的时间内完成规定功能的能力。

        可靠性分为固有可靠性和使用可靠性。固有可靠性是产品早在规划阶段就确定了的可靠性指标。如对仪器仪表，常指输出范围、精度、线性度、失真度、分辨率、回差、重要性、灵敏度、漂移等。是产品本身具有的，并在生产的各阶段得到确定。产品生产出来以后，要经过包装、运输、储存、安装、使用、维护保养及修理诸环节。在这些过程中，产品的可靠性会受到种种条件如环境、技术条件、维修方式的影响，使用中的误操作等都将造成产品失效。这些环节中存在的可靠性称为使用可靠性。

     从以上的定义和描述中我们可以看出，可靠只是一个相对的说法，离开了具体条件谈论可靠性是毫无意义的。固有可靠性和使用可靠性即相互依存，又相互影响，高指标的固有可靠性提高了仪表使用的适应性，而良好的使用可靠性是仪表固有性能发挥的重要保障。

3.2 可靠性的影响条件

      产品的可靠性只有在使用中得以实现，而对可靠性影响最大的就是前面提到的“规定的条件”的标准高低，“规定的条件”是产品可靠性定义中最重要又最容易忽略的部分，它有着广泛的内容，主要可分为：

1）环境条件

     环境条件是指能影响产品性能的环境特性。可主要分为四类：气候环境、生物和化学环境、机械环境、电和电磁环境。

     天然气采输站场常位于地理位置偏僻、环境条件恶劣的地方，对仪表的气候环境适应能力和性能指标都有很高的要求。最常见的例如温度、湿度等指标。

       而随着电子技术的飞速发展，越来越多的电子仪表和设备采用了集成度很高的元器件，在提升技术指标的同时，也对电磁环境要求提出了更高的要求。

2）动力条件

     动力条件是指能影响产品性能的动力特性。一般分为：电源和流体源（包括气源和液体源）。

     以天然气为例，从地层中开采出来的天然气往往含有砂和混入的铁锈等固体杂质，以及水、水蒸气、硫化物和二氧化碳等有害物质。砂和铁锈等尘粒随气流运动，会磨损管道和仪表的部件，甚至造成破坏；水在一定温度和压力条件下还能和天然气中的某些组分生成水合物，造成冰堵；硫化物则会对管道和仪表造成腐蚀。

       由于产区的不同构造、层位、天然气组成相差甚大，而且天然气的用途也不甚相同，或作为燃料，或作为原料。国际标准化组织及有关国家都对天然气的质量要求进行了规定，在我国，天然气的质量执行的是GB 17820-1999《天然气》国家标准，该标准按硫和二氧化碳对天然气进行了分类，提出了天然气的技术要求，以保证输气管道安全运行及天然气的安全使用。

3）负载条件

       负载条件是指能影响性能的负载特性，也包括输入信号的特性。

       对于电动仪表来说，更多指的是电气方面的负载特性。例如我们常说某仪表带载能力强，则说明其稳定性好，负载变化幅度可以很大。

4）使用和维护条件

       便利的使用和维护条件是仪表稳定运行的重要保证，它包含两个方面：一是制造厂家所设计、提供的使用维护硬件条件，另一方面则是指使用者在具体使用维护过程中的操作方式和管理模式。二者同样重要。

4 可靠性分析

4.1压力仪表

        川东气田使用的电容式和单晶硅谐振式智能压力变送器都主要用于原料天然气在生产过程中各点的压力测量，它们都具有测量准确度高，性能稳定的优点，在使用过程中故障率一直比较低，得到了广大使用维护人员的好评。通过多年的使用，影响其可靠性的主要因素有：

1、安装

       现场的这两类压力变送器的防爆结构均为隔爆型，防爆等级为dⅡBT4级，其信号电缆连接都采用的是防爆接头加铠装电缆。安装中最常见的三种现象是：

（1）防爆接头连接不紧密，导致雨天雨水渗入变送器接线腔，造成仪表故障或输出电流异常；

（2）信号电缆接入变送器后留得过长过粗，接线完毕恢复仪表外壳时造成电缆挤压破损，引起短路，使仪表故障或输出电流异常；

（3）信号电缆未用整根电缆，留有中间接头，使用一段时间后，导致中间接头腐蚀，造成仪表无法供电。

2、接地

        部分仪表外壳未接地，或接地螺钉连接不牢，或接地螺钉腐蚀，导致雷击时电荷无法快速泄放，造成仪表损坏。

3、使用

       最典型的就是由于频繁单边吹扫，导致差压变送器的传感器损坏。这样的案例比较多。由于在用的差压变送器多为智能变送器，设计也具备全量程的单边受压能力，使一些使用者错误地认为可以无限制的单边承压，因而在对一些导压管路吹扫时，控制阀开关频繁而猛烈，致使压力也频繁而猛烈地反复作用在变送器的传压膜片上，时间一长就导致膜片损伤或变化，使仪表损坏或出现较大测量偏差。

4.2 温度仪表

       铂热电阻配温度变送器（隔离器）是川东气田温度测量的主要类型，铂热电阻价格低，稳定性好，得到广泛应用。影响其可靠性的主要因素有：

1、安装

最常见的四种现象是：

（1）防爆接头连接不紧密，导致雨天雨水渗入铂电阻接线腔，导致上传电阻值变化，造成测量异常；

（2）信号电缆接入铂电阻后留得过长过粗，接线完毕恢复仪表外壳时造成电缆挤压破损，引起短路，使仪表测量异常；

（3）输出端子接线不牢，造成测量波动；

（4）信号电缆未用整根电缆，留有中间接头，使用一段时间后，导致中间接头腐蚀，造成仪表无法供电。

2、设计

        比较典型的是铂电阻插入深度的影响。如现场很多铂电阻都参与天然气流量计算，根据石油天然气行业标准SY/T 6143的有关规定，一些小口径的管线达不到插入深度要求，从而造成测量偏差。

3、产品选型

（1）部分变送器（隔离器）热稳定性不够好，其标称准确度等级可达到0.2级，但在使用中实际达不到该指标，导致测量超差。

（2）铂电阻未选用铠装型，稳定性较差。

4.3 液位仪表

       现场液位仪表主要有浮筒式、雷达式、差压式液位计，用于测量污水和甘醇液位。其中浮筒式又包括弹簧式和扭力管式，差压式又包括法兰式和普通型。这三类液位计测量的原理各不相同，而影响其可靠性的因素也大多与此有关。从几年的使用来看，雷达式液位变送器更适用于环境相对恶劣的单井站场或其他原料天然气集输站场（最好增加筒体保温措施），浮筒式液位变送器和差压式液位变送器则宜用于脱水站或干气输送站场等介质温度变化幅度较小、介质清洁程度较好的场合。

1、浮筒式液位变送器

       由于气田生产现场测量介质为原料天然气分离出的污水和脱水过程中的甘醇，测量环境比较恶劣，而浮筒式液位计属于变浮力式液位计，介质密度和清洁程度对测量都有影响。因此，主要影响因素有：

（1）一些站场里，介质中杂质偏多，影响了浮筒的上下移动，造成测量偏差；

（2）个别型号弹簧式浮筒液位计材质不够好，在含硫量较高的环境下造成浮筒挂钩腐蚀断裂，浮筒坠入底部，致使液位无法测量；

（3）选型计算中介质密度和筒体压力与实际情况有较大差别，造成测量偏差。例如某分离器液位计主要用于污水液位测量，其选型计算的污水密度为1.1g/cm3，而实际生产时污水密度为1.05 g/cm3，那么根据浮力的计算公式，在其他条件都一样的情况下，测量的浮力变化就会有近5％的偏差。

（4）筒体直接接触大气，其中液体很少流动，筒体外部缺少保温措施，冬季生产中，气温过低时生成天然气水化物，导致浮筒冻堵，产生虚假液位。

2、雷达式液位计

        雷达液位计是通过计算电磁波到达液体表面并反射回接收天线的时间来进行液位测量的。雷达液位计采用的是非接触测量的方式，影响其可靠使用的主要就是干扰电磁波发送、反射、接收环节的那些因素。主要有：

（1）液位波动较大，引起测量波动；

（2）部分站场分离器分离过程中产生较多泡沫，电磁波产生散射或无法穿透，产生虚假液位；

（3）部分测量介质中介电常数较大的杂质附着于探针上，也会使电磁波无法穿透而返回，产生虚假液位。

（4）液位计在安装时或者使用中时，因受外力作用，其探针接触到液位计外筒体壁，产生虚假液位。

3、差压式液位计

        差压式液位计是利用容器内的液位改变时，由液柱产生的静压也相应变化的原理而工作的，实际上就是通过液柱的压差来反映液位的。通过液柱压强计算公式可知，影响测量的最直接因素就是介质的密度和液柱的高度。在实际使用中主要表现有：

（1）实际介质密度与计算压差时的密度不一致，引起量程设置错误，最终产生测量错误；

（2）液柱高度取值错误，造成量程设置错误，导致测量值错误；

（3）液位计安装位置发生变动后，未考虑零点迁移，未及时更换量程，造成测量偏差；

（4）部分液位计安装有平衡阀，平衡阀关闭不严，导致测量偏差。

4.4 安全监测仪表

        安全监测仪表主要采用了可燃气体检测仪和硫化氢气体检测仪，用于检测生产现场大气环境中的可燃气体和硫化氢等有毒有害气体的浓度，确保生产和人员安全。

        可燃气体检测仪主要有催化燃烧型和红外型两类，硫化氢检测仪则主要是电化学型。比较而言，采用物理检测方法的红外型不论在测量稳定性还是故障率上，都要优于化学检测方法的催化燃烧型和电化学型。影响气体检测仪可靠使用的主要因素有：

1、接地。

       个别站场可燃气体检测仪的外壳和端子分别接地在强电和弱电的两个接地网上，尽管两个网的接地电阻都小于1Ω，符合有关规范的要求，但在遭受雷击时，由于两个接地网的泄放速度不同，造成两个接地点之间瞬间电位升高，导致仪表损坏；

2、安装。

       防爆接头连接不紧密，导致雨天雨水渗入仪表接线腔，造成仪表损坏；

3、使用维护不当。

（1）用水冲淋探头，或用打火机直接测试探头，都可能会造成探头损伤；

（2）传感器探头过期未及时更换等。

5 经验

5.1 把好设计选型关。

       仪表是否使用得好，是否可靠，设计选型是最开始也最重要的一关。古语说：千里之堤，溃于蚁穴。基础是最重要的，万丈高楼平地起，优良的选型是仪表固有可靠性的重要保证，也提高了使用可靠性。哪怕有再好的检测系统，再好的维护人员，但如果设计和选型上出现失误，造成的损失将是很难弥补的。

5.2 重视安装

       安装质量直接影响到仪表的使用。对施工方而言，应当严格按照相关施工规范和标准，不折不扣地执行，切实把好质量关；对监理，应当严格遵循监理制度，督促施工方保证施工质量；对使用方，一是可以及早进入现场，核查施工质量，二也可提早学习，为以后的使用维护打下基础。

5.3 重视防雷

       随着电子技术的快速发展，各种新型仪表不断涌现，仪表从早期的电子管、晶体管向现在的集成电路化过渡，但由于集成电路对电压和电流脉冲的敏感程度越来越高，除直接雷击影响外，雷电引起的冲击过电压和电流成为造成电子设备损坏和工作中断新的主要因素之一。我们应当采取电源防雷、信号系统防雷、等电位连接、金属屏蔽及重复接地等措施，最大限度衰减从各种途径引入的雷电高电压，确保仪表的正常运行。

5.4 重视维护工作

        如果说良好的选型是确保仪表可靠性的硬件条件的话，那么完善的维护则是确保仪表可靠性的软件条件。要想确保仪表长期安全、可靠、高效率的运行，避免走“一年建、二年修，三年补、四年废”的老路，就必须建立起一个灵活、高效、有力的维护体制。我们不应把维护与维修简单地等同起来，维护更多时候应当是有计划、有目的性的表现，其目标是“未雨绸缪”，防患于未然；而维修更多时候则是一种临时的、应急的表现，其目标是头痛医头，脚痛医脚，尽快解决已出现的故障。二者的差距显而易见。从工作范围来看，维修只是维护工作中很小的一部分，良好的、受到严格控制的专业化维护将把维修的工作量降到最低限度，把由于设备故障带来的发生事故可能性控制在最低限度，从而最大限度地把气田生产的风险减小。

6 结论

       总而言之，可靠性是在使用中得以实现的，它是相对的，但也是不断发展的。因此，要提高天然气采输过程中自动化仪表的可靠性，不能仅仅只关注仪表本身，而应当从设计、选型、安装、适用环境、使用维护等多个环节全面分析，从中找出影响仪表可靠使用的各种因素，并采取相应的措施加以解决，在动态过程中提高仪表的可靠性，最大限度确保安全生产。