趙士海，劉博韜

天然氣計量檢定技術(shù)現(xiàn)狀及進(jìn)展

趙士海，劉博韜

（中石化天然氣分公司計量研究中心，湖北 武漢 430073）

隨著天然氣需求量的不斷增加和天然氣貿(mào)易的全球化發(fā)展，供求雙方越來越重視天然氣流量計量的準(zhǔn)確性。重點(diǎn)論述了廣泛應(yīng)用于天然氣流量計量的孔板流量計、超聲流量計、渦輪流量計的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，以及國內(nèi)外用于流量計量值溯源的天然氣計量檢定站技術(shù)的進(jìn)展情況。

天然氣；計量；檢定；現(xiàn)狀；進(jìn)展

隨著我國天然氣產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，天然氣流量計量成為天然氣貿(mào)易交接過程中的主要環(huán)節(jié)。為了使計量結(jié)果的準(zhǔn)確度控制在供求雙方都能接受的范圍內(nèi)，用于貿(mào)易交接的流量計必須進(jìn)行法制檢定，使流量計與國家計量基準(zhǔn)建立起有效的溯源鏈，保證量值的準(zhǔn)確可靠。

1 流量計量技術(shù)

1.1 孔板流量計

孔板流量計是通過測量安裝在管路中的標(biāo)準(zhǔn)孔板兩側(cè)差壓，從而計算得到相應(yīng)流量的一種計量設(shè)備，它由節(jié)流裝置、差壓計、壓力變送器和溫度變送器等組成?？装辶髁坑嬍菄鴥?nèi)外研究得最早、最細(xì)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)最多、使用經(jīng)驗(yàn)最豐富、標(biāo)準(zhǔn)化程度最高的計量設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡單、容易復(fù)制，性能穩(wěn)定，價格便宜等優(yōu)點(diǎn)；但其測量范圍窄、壓損大、前后直管段長度較長等缺點(diǎn)，對整套流量計的準(zhǔn)確度有較大的影響。所以，孔板流量計改進(jìn)的重點(diǎn)一直集中在如何確定和減少天然氣計量的誤差上面，以期提高準(zhǔn)確度[1]。由于孔板流量計是由若干個獨(dú)立單元組合而成，各個部件設(shè)計、安裝是否規(guī)范合理都會影響到流量計的整體性能的好壞。因此，結(jié)構(gòu)簡單、自動化程度高、運(yùn)維量少的一體化孔板流量計的研制和使用是其發(fā)展趨勢[2]。

1.2 渦輪流量計

1.3 超聲流量計

超聲流量計是利用超聲波在流體中的傳播特性來測量流量，其主要優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在測量范圍寬、無壓損、可正反輸、無移動部件、準(zhǔn)確度高、非接觸測量等方面。按測量方法的不同，超聲流量計可分為波束偏移法、互相關(guān)法、傳播速度差法、多普勒法等[3]，通過比較，傳播速度差法具有較高的準(zhǔn)確度等級，據(jù)悉，西氣東輸、川氣東送等國內(nèi)輸氣管道常用的超聲流量計準(zhǔn)確度等級為1.0級，其次為0.5級，甚至也有少量的0.2級。從使用情況來看，超聲流量計在新建高壓、大口徑、長距離輸氣管道上的使用數(shù)量逐年增加，越來越受到用戶的青睞。

2 流量計量技術(shù)發(fā)展方向

2.1 計量方式向自動化、智能化、一體化方式發(fā)展

隨著制造業(yè)、電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展，輸氣場站逐步配置智能壓力變送器、溫度變送器和流量計算機(jī)，并對部分計量設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，簡化結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)計量技術(shù)的一體化和智能化。

2.2 儀表選型從單一儀表向多元化儀表發(fā)展

隨著各個國家、各個地區(qū)不斷發(fā)現(xiàn)新氣源，不斷建設(shè)新的輸氣管道，天然氣氣質(zhì)組分和管道沿線環(huán)境條件的差異日益凸顯，單一儀表類型完全滿足不了目前用戶的需求，各個國家也將不斷研制新型流量計，并推出多元化儀表選型方案來滿足不同用戶的需求。

傳說仙女下凡時，在遼闊的南中國海上撒下了一串串晶瑩的珍珠，這就是美麗的南沙群島。[一串串 晶瑩的珍珠]

2.3 計量結(jié)算從體積計量向能量計量發(fā)展

天然氣能量計量就是以天然氣發(fā)熱量的多少為依據(jù)進(jìn)行貿(mào)易結(jié)算。天然氣發(fā)熱量作為最能反映燃料特性的一種合理的、科學(xué)的計量方式，在天然氣貿(mào)易中應(yīng)當(dāng)被廣泛采用。隨著市場經(jīng)濟(jì)的不斷完善和國際間天然氣貿(mào)易活動的增多，天然氣貿(mào)易計量的方法由體積計量向能量計量的轉(zhuǎn)變勢在必行。

2.4 單一數(shù)據(jù)管理向計量系統(tǒng)管理方向發(fā)展

隨著計算機(jī)技術(shù)在計量管理信息系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，天然氣計量管理從影響測量結(jié)果的各個方面、各個環(huán)節(jié)進(jìn)行全過程、動態(tài)科學(xué)管理[1]，解決了單一數(shù)據(jù)管理存在的種種弊端。

3 計量檢定技術(shù)

準(zhǔn)確可靠的計量數(shù)據(jù)是保證天然氣管網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的前提條件。如果天然氣輸送只注重采用先進(jìn)的計量設(shè)備，而沒有相應(yīng)的計量標(biāo)準(zhǔn)作為計量器具量值溯源的保證，就會導(dǎo)致由于計量數(shù)據(jù)的不統(tǒng)一、不準(zhǔn)確而引起貿(mào)易糾紛。因此，國內(nèi)外都非常重視計量標(biāo)準(zhǔn)裝置的建立和研究。

近幾年，天然氣流量計的檢定從重視干標(biāo)法逐步過渡到實(shí)流檢定，以管輸?shù)膶?shí)際天然氣介質(zhì)及在接近實(shí)際運(yùn)行工況條件下對流量的分參數(shù)，如壓力、溫度、氣質(zhì)組分和流量總量進(jìn)行動態(tài)量值溯源[4]。

3.1 氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置簡介

3.1.1 pVTt法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置

pVTt法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置是一個已知的標(biāo)準(zhǔn)容器，當(dāng)氣體以某個流量流進(jìn)（或流出）該標(biāo)準(zhǔn)容器時，其中的氣體質(zhì)量將發(fā)生變化。通過測量在某段時間t內(nèi)容積為V的標(biāo)準(zhǔn)容器的氣體熱力學(xué)溫度T和絕對壓力p的變化，就可算出氣體流進(jìn)或流出的質(zhì)量流量。該裝置主要用于檢測臨界流噴嘴或臨界流文丘里噴嘴，也可用于檢測其他氣體流量計[5,6]。

3.1.2 mt法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置

mt法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置也被稱為稱重法或質(zhì)量/時間法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，主體由三通閥、稱重容器和稱組成。氣體經(jīng)過兩級壓力調(diào)節(jié)使得其壓力穩(wěn)定在系統(tǒng)所需的壓力，通過三通閥進(jìn)入稱重容器，秤量氣體質(zhì)量和通過的時間就可以計算出流量。該裝置主要用于校準(zhǔn)音速噴嘴，當(dāng)用于校準(zhǔn)其它流量計時，也需在流量計與三通閥間安裝音速噴嘴，以保證流量恒定。mt法裝置的質(zhì)量和時間可溯源到國家的質(zhì)量和時間基準(zhǔn)[7]。

3.1.3 HPPP法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置

高壓活塞式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，是英文 High Pressure Piston Prover首字母縮寫，它由具有恒定截面和已知容積的管段組成，活塞以自由置換或強(qiáng)制置換方式在其內(nèi)往復(fù)運(yùn)動，根據(jù)活塞通過該管段所需時間可得到氣體的標(biāo)準(zhǔn)體積流量。檢測開關(guān)可確定活塞進(jìn)入和離開標(biāo)準(zhǔn)管段的時間間隔，標(biāo)準(zhǔn)管段的容積可采用水驅(qū)法由標(biāo)準(zhǔn)量器確定[8]。從近幾年的發(fā)展來看，現(xiàn)多采用幾何測量的方法，直接測量標(biāo)準(zhǔn)管段的體積，并且HPPP法裝置的長度和時間可溯源到國家的長度和時間基準(zhǔn)。目前，德國國家物理技術(shù)研究院PTB現(xiàn)有一套HPPP法裝置，在建的國家石油天然氣大流量計量站武漢分站也將采用該裝置。

3.2 國內(nèi)外主要天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對比分析

在國外，相繼出現(xiàn)許多實(shí)流計量檢定實(shí)驗(yàn)室，如荷蘭國家計量研究院(NMI)、德國(Pigsar)、加拿大輸氣校準(zhǔn)公司(TCC)、美國科羅拉多工程實(shí)驗(yàn)室(CEESI)等,見表 1[9]。在國內(nèi)，計量檢定站的發(fā)展起步較晚，目前可開展高壓、大口徑流量計檢定的計量站為國家石油天然氣大流量計量站成都分站、南京分站和武漢分站，見表2。

對國內(nèi)外計量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行分析、比對后，得出結(jié)論：

（1）為了提高流量計檢定的準(zhǔn)確度，許多國家根據(jù)本國實(shí)際情況建立了以天然氣為介質(zhì)的在線實(shí)流檢定標(biāo)準(zhǔn)裝置，為了逐級擴(kuò)大流量范圍，提高工作壓力，多數(shù)檢定實(shí)驗(yàn)室都建有原級標(biāo)準(zhǔn)、次級標(biāo)準(zhǔn)和工作標(biāo)準(zhǔn)，并且原級標(biāo)準(zhǔn)的各基本量都能溯源到相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)或國際標(biāo)準(zhǔn)。

（2）在現(xiàn)有的天然氣計量標(biāo)準(zhǔn)裝置中，以 mt法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置作為原級標(biāo)準(zhǔn)裝置的占據(jù)多數(shù)，其次為 pVTt法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，只有德國Pigsar和在建的國家石油天然氣大流量計量站武漢分站使用HPPP法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。雖然天然氣原級標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)形式、流量及壓力范圍各異，但其測量不確定度大致保持在1.0%～2.5%之間。

（3）在現(xiàn)有的天然氣工作級標(biāo)準(zhǔn)裝置中，一般選用渦輪流量計，測量不確定度一般在0.25%～0.40%之間；據(jù)了解，國內(nèi)外一般多選用臨界噴嘴作為次級流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，流量測量不確定度一般在0.15%～0.25%之間。

（4）由于國內(nèi)也是最近十幾年才引進(jìn)國外的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，不論是從適用范圍還是準(zhǔn)確度方面都比較接近世界先進(jìn)水平。國內(nèi)原級標(biāo)準(zhǔn)裝置測量不確定度一般都達(dá)到0.1%，次級標(biāo)準(zhǔn)為0.25%左右，工作標(biāo)準(zhǔn)為 0.33%左右。值得期待的是國家石油天然氣大流量計量站武漢分站的建設(shè)，其原級標(biāo)準(zhǔn)裝置引進(jìn)的是德國Pigsa的HPPP法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，也是國內(nèi)首家，原級標(biāo)準(zhǔn)裝置測量不確定度有望達(dá)到0.1%，工作標(biāo)準(zhǔn)為0.20%左右。

［1］張紅兵，鄭云萍．天然氣流量計的選型及其計量發(fā)展趨勢[J].石油與天然氣化工，2003,32(3):176-177.

［2］安建川，梁光川．天然氣計量技術(shù)現(xiàn)狀及趨勢[J].內(nèi)蒙古石油化工，2007(1):42-45.

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［6］白瑞琴．pVTt法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].北京：中計量學(xué)院，2012.

［7］楊有濤，徐英華，王子鋼．氣體流量計[M].北京：中國計量出版社，2007:190-191.

［8］黃坤，趙孟卿，王勁松，陳濤．HPPP法檢定高壓天然氣流量計[N].重慶科技學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2011,13(3):119-121.

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Current Situation and Development of the Natural Gas Metrological Verification Technology

ZHAO Shi-hai，LIU Bo-tao
（Sinopec Gas Company Measurement Research Center, Hubei Wuhan 430073，China）

With the continual increase of requirement of natural gas and global development of natural gas trade, the accuracy of natural gas flow rate measurement attracts more and more attention from the supply and demand sides. In this paper, the current technology situation and development trend of orifice-plate flowmeter, ultrasonic flowmeter and turbine flowmeter were reviewed. Development of the natural gas metrological verification technology used for measurement tracing at home and abroad was also analyzed.

Natural gas; Measurement; Verification; Current situation; Development

TE 624

： A

： 1671-0460（2015）05-1123-03

2014-10-21

趙士海（1988-），男，湖北武漢人，助理工程師，2012年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）油氣儲運(yùn)工程專業(yè)，研究方向：天然氣計量。E-mail：784625729@qq.com。