带管道的天然气井。图片来源：Endress ＆ Hauser
作者 | Adam Booth
过程工程师借助新型超声波流量计提供的大量信息可检测水份残留量，更好地了解特定分离器的工作方式，改善对天然气去除水分过程的控制。
天然气从油气井中开采出来时含有水。在将气体输送到管道进行分配之前，必须尽可能的除去残留的水份，并提醒运营人员所检测到的剩余水量。
为了提高检测效率，过程工程师需要了解从天然气中去除水份的方法，以及现代仪表是如何准确测量转移到管道中的气体，并帮助检测去除过程之后是否存在水份残留。
天然气通常来自油井、气井和凝析井。来自油井的天然气可以与石油分开存在，也可以溶解在原油中。气井通常生产原天然气，而凝析井则生产游离天然气和半液态烃类凝析物。原天然气含有水蒸气、硫化氢、二氧化碳、氦气、氮气等化合物。
原油、原始天然气和游离天然气可以在井场进行处理，但是通常经管道输送到中央处理站，该中央处理站从数十个（有时甚至是数百个）井中接受输入的原始气体，然后生产出清洁天然气，输送到管道。
天然气处理就是从纯天然气中分离出各种碳氢化合物和流体，以获得所谓的“适合管道输送”的干燥天然气，即不含水的天然气。
通过简单的分离方法，可以在井口或井口附近去除一些与开采天然气相关的水。然而，去除天然气中存在于溶液中的水蒸气需要进行更复杂的处理。这种处理工艺需要对天然气进行脱水，通常涉及两个过程之一：吸收或吸附。
分离器的类型很多，例如液体分离器、油分离器、油水分离器等，但最常见的分离器是将气、液分离的两相分离装置，或者是将气、油、水的三相分离装置。
▎图2 ：卧式油气水分离器。
高效控制分离器
仪表和控制系统需要测量和控制分离器中的各种过程。在测量质量流量时，需要利用分离器中的温度和压力作为补充变量，进行校正计算。由于工艺运营和安全条件，分离器需要严格的压力/ 温度监控。需要持续测量、控制温度以确保分离过程满足合适的条件。
系统必须控制进入的流量，以确保气体和液体的流速足够低，从而可以实现重力分离和气液平衡。还需要控制温度，因为如果管道壁或储罐的温度降低到气体中水蒸气的露点以下，水就会在表面上凝结。如果这样，天然气与液态水就会结合形成甲烷水合物，有可能会堵塞阀门、配件甚至管道。
在石油或天然气加工设施中，无论运行的分离器是何种类型，适当控制液位对于确保稳定、高效和安全的运行至关重要。为了实现这一目标，无论过程的可变性和流体的特性如何，都需要进行可重复的液位测量。这可能包括一些特殊的工况，例如高粘度、存在泡沫和厚度超过5 厘米的乳化层或携带固体（沙子或岩石）等。
在理想情况下，如果压力和温度合适，气体和液体就会在容器内达到平衡状态。在卧式分离器中，行业标准对溶液气体分离出来的液体留置时间的规定是在1-3 分钟的范围内。
虽然分离器配置了很多仪表，但要控制流量、压力和温度，最大限度地生产无水、适合管道传输的天然气，仍然是一项艰巨的任务。在很多分离器中，来自仪表的数据被发送到流量计算机，用于分析所有数据并确定需要调整哪些变量（如果需要的话）。
尽管分离器旨在去除天然气中的所有水份，但仍然会有水份残留，必须及时检测并提醒运行人员。
▎图3 ：此油气水分离器处理原油。除去水和油以生产满足管道传输质量要求的气体。
清晰了解分离过程
Endress+Hauser 公司最近开发了一种新型超声波流量计，用于测量天然气和其它过程介质的流量。Prosonic Flow G300/500 具有内置压力和温度传感器。这些传感器的输入与测得的声速相结合，以计算补偿流量。压力和温度测量值可以通过两种数字通信链路（HART 协议或Modbus RS485 协议）之一分别传输。
流量计带有“高级气体分析”软件包选项，可用于计算其它参数和过程变量。例如包括如下选项：体积流量、校正体积流量、能量流量、热值、Wobbe 指数、气体类型、摩尔质量、甲烷含量（％）、密度和粘度。Wobbe 指数是燃料气体互换性及其传递能量能力的一种度量。
该软件还可以通过分析传感器测试点的信号强度、流量不对称性和接受率等来检测水分残留。一旦检测到水份，就会以两种方式之一通知运行人员。第一个是通过内置继电器，第二个是通过数字通信链路。
许多分离器在气体出口处都有除雾器，该除雾器实质上是一种金属丝网过滤装置。它的目的是捕获液体（所有液体，而不仅仅是水滴），并将其排干或将液体滴入分离器的固定部分。这些装置的大小取决于流速和液体性质。除雾器的尺寸必须正确设置，以使其能够有效地捕集大部分液体，同时又不牺牲流量和分离器的保留时间。
▎图4 ：Prosonic FlowG 超声波流量计具有内置的压力和温度传感器。
通过使用上述超声波流量计检测液体残留，客户可以更清晰的了解如下事项：
1. 除雾器相对于气体流速的运行效率；
2. 如果“湿度诊断变量”发生阶跃变化，可能说明除雾器损坏；
3. 如果没有进行适当的气液分离，应评估分离器的性能。控制系统可以调整排放周期时间和保留时间，或调整出气口的背压。
检测液体残留，使生产者可以调整分离过程。下游工厂是根据某些气体特性而设计的，因湿气导致的后处理和能源浪费会造成工厂的运营成本增加。
通过专用流量计算机，流量计提供了大部分数据和计算信息，使过程工程师更容易了解分离器性能并更有效地控制分离器。即使在过程和环境条件波动很大的情况下，Prosonic Flow G 流量计也能以±0.5％的精度测量干气和湿气。流量计的变送器包括一个标准的网络服务器，可从任何能够托管网络浏览器的设备（例如笔记本电脑、智能手机或平板电脑）从现场直接访问数据。通过HistoROM 实现数据存储，可最大程度的确保数据安全性。
因为控制系统和流量计算机只能推断出水含量，所以通过控制油/ 气/ 水分离器来从天然气中提取水非常困难。新型超声波流量计可提供大量信息，仪器工程师可使用这些信息来检测水的残留量，并更好地了解特定分离器的工作方式以及如何改善其控制。
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