段繼芹 李長俊 周 芳

1.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院 2.西南石油大學3.中國石油天然氣集團有限公司天然氣氣質(zhì)控制和能量計量重點實驗室 4.國家石油天然氣大流量計量站成都分站

0 引言

近年來，中國自產(chǎn)天然氣、進口天然氣和液化天然氣數(shù)量快速增加，至2016年底，我國天然氣的消費量已超過2 100×108m3，進口天然氣量超過700×108m3，預計到2020年我國天然氣的表觀消費量將超過3 500×108m3，進口天然氣量將超過1 200×108m3[1]。如何提高天然氣貿(mào)易交接計量準確度以及如何客觀公正地維護貿(mào)易雙方合法經(jīng)濟利益是大家關注的焦點。氣體超聲流量計具有無機械可動部件、無壓損、量程比大、測量準確性較高、適應性強和具有自診斷能力等優(yōu)點，近年來被廣泛應用于天然氣計量。中俄天然氣貿(mào)易交接用流量計也為超聲流量計，據(jù)了解，俄羅斯氣體超聲流量計標準主要參考了國際標準。因此，需弄清國際標準、俄羅斯標準和中國標準3個標準間的差異性。同時天然氣貿(mào)易常采用兩臺不同原理或相同原理不同廠家的流量計串聯(lián)安裝，通過兩臺流量計的差值不能超過供銷雙方商定的差值控制限的控制來保證流量計準確可靠運行。而中國氣體超聲流量計國家標準GB/T 18604—2014[2]未對兩臺超聲流量計的差值控制限提出具體要求，氣體超聲流量計國際標準ISO 17089-1—2010附錄C 則提出了相關要求，但有待進一步試驗驗證。為此，對國際標準、俄羅斯標準和中國標準的差異性進行了對比分析，同時通過試驗確定了兩臺超聲流量計的差值控制限。

1 標準對比分析

ISO 17089-1—2010、ГOCT 8.611—2013[4]和GB/T 18604—2014這3個標準對超聲流量計的技術要求、安裝要求、經(jīng)實驗室校準或檢定合格的超聲流量計在現(xiàn)場使用的計量性能保證和測量不確定度估算等做出了相關要求，3個標準的技術內(nèi)容、要求及指標稍有不同。

1.1 標準適用范圍及主要章節(jié)內(nèi)容

由于中國標準主要根據(jù)美國煤氣協(xié)會AGA NO.9—2007[5]、近年研究成果、現(xiàn)場使用經(jīng)驗及國際標準主要技術要求而制（修）訂。因此國際標準、俄羅斯標準和中國標準在標準適用范圍和主要章節(jié)內(nèi)容稍有不同（表1）。

從表1可知：俄羅斯標準ГOCT 8.611—2013缺少ISO 17089-1—2010中兩次校準誤差限及誤測量處理方法介紹、超聲流量計測量誤差及修正方法、串聯(lián)安裝超聲流量計比對方法、幾何相關溫度和壓力校正的詳細計算、干擾測試及要求章節(jié)的內(nèi)容。中國標準GB/T 18604—2014缺少ISO 17089-1—2010中兩次校準誤差限及誤測量處理方法介紹、串聯(lián)安裝超聲流量計比對方法、幾何相關溫度和壓力校正的詳細計算內(nèi)容。

表1 3個標準適用范圍及主要章節(jié)內(nèi)容比較表

1.2 測量氣質(zhì)條件

由于歐盟、俄羅斯和中國對天然氣管輸氣質(zhì)的要求不同，因此ISO 17089-1—2010、ГOCT 8.611—2013和GB/T 18604—2014標準有關測量氣質(zhì)條件也有一定差異（表2），但GB 17820—2012《天然氣》[6]中我國貿(mào)易交接用Ⅱ類天然氣氣質(zhì)要求CO2含量小于等于3%（體積分數(shù)），總S含量小于等于200 mg/m3。因此超聲流量計適用的技術指標要求一致。

1.3 超聲流量計技術指標

ГOCT 8.611—2013與 ISO 17089-1—2010相比只給出了最大允許誤差要求，但列出了超聲流量計測量準確度等級有 A（0.5）級、B（0.75）級、C（1.5）級、 D（2.5）級和E（5.0）級5個級別，其中對于貿(mào)易交接用氣體超聲流量計等級為A（0.5）級和B（0.75）級，其工況流量測量擴展不確定度分別為0.3%和0.5%，標況流量測量擴展不確定度分別為0.4%和0.55%，比ISO 17089-1—2010和中國標準要求嚴格。GB/T 18604—2014對貿(mào)易計量用氣體超聲流量計計量性能的要求與ISO 17089-1—2010相似，ISO 17089-1—2010還增加了對氣體超聲流量計復現(xiàn)性的要求。各標準對計量性能要求比較如表3所示。

表2 3個標準有關氣體超聲流量計測量氣質(zhì)條件比較表

表3 3個標準測量性能要求比較表

1.4 安裝要求

1.4.1 聲學噪聲防治

ISO 17089-1—2010和 GB/T 18604—2014都 給出了可能存在的噪聲源及對流量計的影響，并就如何減少噪聲對超聲流量計的影響提出了實用性的建議，如將調(diào)壓閥和其他產(chǎn)生噪聲的設備安裝在流量計的下游，使噪聲源遠離流量計，安裝盲三通和過濾器等管件，增強信號處理功能等，而ГOCT 8.611—2013標準未提及。

1.4.2 上下游直管段長度要求

GB/T 18604—2014在超聲流量計計量管路安裝設計方面的技術要求主要參考了ISO 17089-1—2010標準中的相關內(nèi)容。不同的阻流件條件、不同廠家的超聲流量計和不同的流動調(diào)整器組合對于上游直管段的要求不同，因此，最小上游直管段長度應由生產(chǎn)廠家通過型式試驗給出。當沒有型式試驗數(shù)據(jù)時，應由用戶來確定最小上游直管段長度。按流量計是否配流動調(diào)整器，最小上游直管段長度可以是（30～50）D（D表示管徑，下同）。而下游直管段最小長度為3D，取溫孔等位置為（3～5）D。還指出，當沒有足夠的安裝空間和上游管路條件惡劣時，需要配流動調(diào)整器。3個標準有關上下游直管段長度及溫度計安裝位置要求比較結果如表4所示。

1.5 實流校準要求

ISO 17089-1—2010、ГOCT 8.611—2013 和 GB/T 18604—2014均提出作為貿(mào)易計量的氣體超聲流量計需要進行實流校準。各標準的校準技術要求比較如表5所示。

1.6 現(xiàn)場測量性能保障措施

GB/T 18604—2014相應條款內(nèi)容主要參照ISO 17089-1—2010中的相關內(nèi)容，非常詳細地說明了如何利用超聲流量計自診斷歷史數(shù)據(jù)的分析來判斷流量計的現(xiàn)場計量性能。3個標準現(xiàn)場測量性能保障措施比較結果如表6所示。

2 兩臺超聲流量計串聯(lián)安裝實驗

選取國際上主要使用的兩個生產(chǎn)廠家的超聲流量計作為實驗對象，兩臺超聲流量計的原始參數(shù)如表7所示。

2.1 兩臺超聲流量計串聯(lián)實驗方案

在國家石油天然氣大流量計量站成都分站進行兩種安裝工況下性能測試實驗。工況一：上游直管段內(nèi)徑為309 mm，管長為30D，后接內(nèi)徑為303 mm、管長為10D的超聲流量計B上游直管段，安裝流量計B，再安裝內(nèi)徑為303 mm、管長為5D的超聲流量計B下游直管段，再安裝內(nèi)徑為286 mm、管長為10D的超聲流量計A上游直管段，接著安裝流量計A，再安裝內(nèi)徑為286 mm、管長為5D的超聲流量計A下游直管段。工況二：上游直管段內(nèi)徑為309 mm，管長為30D，后接內(nèi)徑為286 mm、管長為10D的超聲流量計A上游直管段，接著安裝流量計A，再安裝內(nèi)徑為286 mm、管長為5D的超聲流量計A下游直管段，再安裝內(nèi)徑為303 mm、管長為10D的超聲流量計B上游直管段，安裝流量計B，再安裝內(nèi)徑303 mm長5D超聲流量計B下游直管段。兩臺流量計安裝位置如圖1所示。

表4 3個標準有關上下游直管段長度及溫度計安裝位置要求比較表

表5 3個標準實流校準要求比較表

表6 3個標準現(xiàn)場測量性能保障措施比較表

兩臺流量計串聯(lián)安裝，實驗流量分布見表8。

2.2 兩臺超聲流量計試驗數(shù)據(jù)分析

將兩臺超聲流量計分別按工況一、工況二串聯(lián)安裝，按表8實驗流量進行測試，流量計的重復性、安裝位置對計量性能的影響和兩臺流量計的流量差值控制限如下。流量計A的重復性相對較小，相對于流量計B較穩(wěn)定，但流量計分界流量qt以上重復性小于0.10%，qt以下重復性小于0.15%，兩者較穩(wěn)定。

表7 兩臺超聲流量計的原始參數(shù)表

圖1 兩臺流量計安裝示意圖

表8 實驗流量分布表

2.2.1 重復性

將流量計A和B分別安裝在上游或下游的重復性數(shù)據(jù)繪于圖2，由圖2可知，流量計B的重復性偏大，

圖2 兩臺超聲流量計的重復性數(shù)據(jù)圖

2.2.2 流量計安裝位置對計量性能的影響

流量計安裝位置對計量性能的影響如圖3所示。從圖3可知，在流量計分界流量qt以上，流量計A安裝在上、下游的影響不超過0.3%，計量性能相對較穩(wěn)定。

圖3 流量計A、B安裝在上、下游的影響圖

2.2.3 兩臺串聯(lián)超聲流量計的差值控制限

兩臺串聯(lián)超聲流量計的差值控制限如表9所示。由表9初步可知，兩臺流量計流量q≥0.25qmax，平均小時流量偏差的差值控制限均小于0.3%，在滿足上游大于40D和兩臺流量計間距大于15D時，流量計安裝在上游或下游帶來的影響可忽略[7]。

表9 兩臺串聯(lián)超聲流量計的差值控制限表

3 GB/T 18604—2014修訂建議

綜上比較分析和實驗驗證，建議GB/T 18604—2014下次修訂時主要增加以下兩方面的內(nèi)容：

1）增加ISO 17089-1—2010中超聲流量計兩次校準誤差限及測量誤差處理方法。國際標準ISO 17089-1—2010資料性附錄A提供了兩次校準誤差限及測量誤差處理方法。圖4為一臺超聲流量計首次校準和后續(xù)校準的數(shù)據(jù)比較圖。首次校準“偏移量”已輸入流量計的電子模塊。從圖4可看出后續(xù)校準產(chǎn)生了超出誤差范圍的結果，因此可能帶來誤測量問題。誤測量的時間段將取決于許多因素，首要的是以前工作的狀況。當偏移發(fā)生時如能從日志文件或比較檢查中發(fā)現(xiàn)，則它就可以作為任何誤測量開始的日期。否則，起始日期應在現(xiàn)有數(shù)據(jù)或合同協(xié)議的基礎上雙方達成一致，這需要對記錄的實際流量的工作時段進行測量檢查。

圖4 一臺超聲流量計首次校準和后續(xù)校準的數(shù)據(jù)比較圖

2）增加串聯(lián)安裝超聲流量計比對方法。國際標準ISO 17089-1—2010資料性附錄C提供了兩臺超聲流量計串聯(lián)的參比計量方法。該方法用于在計量現(xiàn)場兩臺串聯(lián)超聲流量計其中一臺進行修理后重建可溯性，同時也是兩臺串聯(lián)超聲流量計正常運行時性能評估控制并提供證明符合貿(mào)易交接要求的最有效的辦法[3]（圖5）。圖5給出了4種性能評估控制限，如果評估流量計性能時當ΔqV,HDF/qV,HDF值超出了性能評估范圍，應首先排除故障以確定哪臺流量計發(fā)生了偏移，待排除故障后并作為核查流量計放回使用，另外的氣體超聲流量計就是貿(mào)易交接主流量計。歐洲國家國際貿(mào)易也采用不同生產(chǎn)廠家的兩臺超聲流量計串聯(lián)或渦輪與超聲流量串聯(lián)的參比計量方法[8]，其兩臺流量計差值控制限在正常運行時控制在0.2%，超過0.3%控制系統(tǒng)顯示預警，需引起注意并排查問題，超過0.5%不能接受。該方法也符合前述第二部分的實驗結果。

圖5 串聯(lián)安裝超聲流量計比對方法圖

4 結束語

通過超聲流量計測量天然氣流量的國際標準（ISO 17089-1—2010）、俄羅斯（ГOCT 8.611—2013）及中國標準（GB/T 18604—2014）的對比分析，中國標準同國際標準的主要技術內(nèi)容是基本一致的，在超聲流量計使用過程質(zhì)量控制方面有待加強，建議GB/T 18604—2014增加超聲流量計兩次校準誤差限及測量誤差處理方法和串聯(lián)安裝超聲流量計比對方法等方面的內(nèi)容。

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