晁宏洲，黃明基，張胡生，陳昱含

中國石油塔里木油田分公司油氣運銷部 （新疆 庫爾勒 841000）

天然氣標準孔板計量系統(tǒng)是一種標準化的差壓式流量測量裝置，這種流量測量方法以能量守恒定律和流動連續(xù)性方程為基礎(chǔ)，通過測量天然氣流經(jīng)節(jié)流裝置前后的差壓間接測量流量。用標準孔板計量系統(tǒng)測量天然氣流量，是一個多種儀表的組合檢測過程，也是一個多種參數(shù)的混合運算過程。它包含了多個復(fù)雜的計量工藝參數(shù)、節(jié)流裝置（節(jié)流件、取壓裝置和上下游直管段）的尺寸參數(shù)、天然氣物性參數(shù)等。計量工藝參數(shù)需要用高準確度儀表檢測得到，節(jié)流裝置需要精確加工并經(jīng)嚴格檢測得到，天然氣物性參數(shù)需要基于準確的組分分析，通過復(fù)雜的計算得到。因此可以說，標準孔板計量系統(tǒng)是一個對流量測量結(jié)果影響因素眾多的復(fù)雜儀表組合，其中任何一個因素都可能直觀或隱蔽地影響標準孔板計量系統(tǒng)測量天然氣流量的結(jié)果。從事天然氣交接計量的技術(shù)人員需要熟悉每種因素對測量結(jié)果的影響趨勢，避免交接過程中的計量異議或有依據(jù)地依靠技術(shù)手段正確解決計量異議，避免計量糾紛。

1 計量異議的提起

2012年11月17日，用戶向供氣方送達《關(guān)于申請解決天然氣帶油造成我公司催化劑中毒的報告》，提出天然氣帶液（油和水）造成其化工裝置催化劑、脫硫劑中毒的質(zhì)量抱怨和交接雙方計量結(jié)果偏差較大的計量異議。接到用戶訴求后，供氣方高度重視,成立調(diào)查組趕赴現(xiàn)場調(diào)查核實,分析和解決問題。

用戶從供氣門站引接天然氣作為化工裝置原料氣，生產(chǎn)高附加值的化工產(chǎn)品，用氣量相對穩(wěn)定。供氣方在門站建設(shè)一套標準孔板供氣計量系統(tǒng)，用戶在其裝置區(qū)建設(shè)一套標準孔板對接計量系統(tǒng)。供需雙方計量設(shè)施分布如圖1所示。

供氣門站氣源包含兩類：一是來自凝析氣田的凝析氣，在上游經(jīng)過過濾除液、高壓分子篩脫水和J-T閥節(jié)流制冷脫水脫烴，氣質(zhì)良好，氣量占供氣門站總氣量85%以上，且常年供應(yīng)；二是來自油田的伴生氣，為零散井放空氣回收加工產(chǎn)品，在上游經(jīng)過橇裝簡易處理設(shè)備的粗略脫水脫烴，氣質(zhì)較差且不穩(wěn)定，氣量不超過供氣門站總氣量15%，且為間歇性供應(yīng)。兩類氣源在進站處匯合，計量系統(tǒng)前端設(shè)離線取樣口，定期取樣送實驗室分析，氣體組分數(shù)據(jù)在標準孔板供氣計量系統(tǒng)流量計算機里定期更新。因為供氣方供氣計量系統(tǒng)與用戶對接計量系統(tǒng)之間再無旁路，兩處計量系統(tǒng)類型相同、規(guī)格相同，通過兩處計量數(shù)據(jù)的比對，供需雙方均可以很方便地發(fā)現(xiàn)計量偏差，提出計量異議。本次用戶提出，2011年、2012年兩年均從10月下旬開始，供需雙方出現(xiàn)較大的計量偏差，要求一并解決計量差異。

圖1 供需雙方計量設(shè)施分布示意圖

2 調(diào)查分析

2.1 調(diào)查核實

根據(jù)調(diào)查組2012年11月18日在供氣門站除油器和用戶化工裝置穩(wěn)壓罐兩處排污情況來看，供給用戶用于化工裝置的原料天然氣確實能排出相當量的液體，為重質(zhì)烴類和水（圖2）。

圖2 供氣門站和用戶裝置區(qū)天然氣排液實拍圖

查看供氣門站和用戶化工廠兩方面的工藝操作運行記錄，也證實從2012年9月13日8：00開始發(fā)現(xiàn)天然氣中帶液體，并著手加強排液操作，最嚴重時排液操作頻率加密到1次/h。經(jīng)調(diào)查了解兩類氣源的生產(chǎn)裝置運行情況，查明油田伴生氣因為膨脹致使制冷設(shè)備發(fā)生故障，幾乎未經(jīng)脫水脫烴處理就輸送到供氣門站。即使設(shè)備不發(fā)生故障，在外部環(huán)境溫度很低的冬季，處理裝置脫水脫烴處理效率變差，在現(xiàn)有工藝設(shè)備條件下，也無法徹底解決伴生氣氣質(zhì)不好的問題。

2.2 數(shù)據(jù)分析

調(diào)查組安排供氣方計量工程師匯總了從2010年9月1日—2012年10月1日時間段的每日、每月計量數(shù)據(jù)，每月供需雙方計量數(shù)據(jù)對比偏差見表1。從表1中可以看出如下幾個趨勢。

1）供需雙方的計量偏差總體呈逐步縮小的趨勢，證明供氣計量系統(tǒng)通過逐步改善計量工藝條件，提高了計量系統(tǒng)的準確性（前期因為標準孔板選型不合適，計量準確性很差）。

表1 供需雙方計量數(shù)據(jù)對比偏差

2）在夏季，供需雙方的計量偏差小；到了冬季，供需雙方的計量偏差變大。

3）查看供氣門站生產(chǎn)運行記錄，結(jié)合工藝條件來看，在只有凝析氣單一氣源的時間段內(nèi)，供需雙方的計量偏差較小。

2.3 原因分析

在調(diào)查過程中，供氣門站的其他幾家用戶，也提出了冬季運行期間供需雙方計量偏差大的問題，分析原因如下。

1）交接計量采用的天然氣組分值不具有代表性。在冬季，隨著外界環(huán)境溫度的降低，上游天然氣處理工藝水平變差，來氣中所攜帶的烴類、水等液態(tài)物質(zhì)含量增大，導(dǎo)致氣體組分總體變重。但由于受取樣設(shè)施的影響，取不到真正有代表性的樣品，在交接計量過程中，參與標準孔板計量系統(tǒng)流量計算的氣體組分較實際情況要輕，致使計量值偏大。

國家標準GB/T 13609—2017《天然氣取樣導(dǎo)則》［1］中規(guī)定，對氣質(zhì)不均勻天然氣“取樣探頭應(yīng)插入到管中心1/3處”，以取得有代表性的樣品。但供氣門站的天然氣取樣設(shè)備只是焊接在管道上部的一段細直管，取樣管下端與管道內(nèi)表面平齊，無法取得烴類、水等液態(tài)物質(zhì)。取樣點設(shè)置如圖3所示。

圖3 供氣門站天然氣取樣點實拍圖

根據(jù)GB/T 17747.2—2011《天然氣壓縮因子的計算 第2部分：用摩爾組成進行計算》［2］和GB/T 11062—2014《天然氣發(fā)熱量、密度、相對密度和沃泊指數(shù)的計算方法》［3］標準，天然氣組成變化造成壓縮因子Z和密度ρ兩個物性參數(shù)計算結(jié)果不同，從而導(dǎo)致流量測量結(jié)果不同。

參與流量計算的天然氣組分數(shù)據(jù)不代表實際情況，勢必會造成計量誤差，這也是國家、行業(yè)相關(guān)計量標準規(guī)范中在交接氣量較大的場合和計量準確度要求高的計量系統(tǒng)中，要求配套在線色譜分析儀，采用實時動態(tài)物性參數(shù)的原因。

2）標準孔板計量系統(tǒng)導(dǎo)壓管中含有液體物質(zhì)。標準孔板計量系統(tǒng)是通過測量標準孔板節(jié)流前后的差壓值來間接算出天然氣流量，如果導(dǎo)壓管中帶有水、重烴等液態(tài)物質(zhì)，一般會積聚在下游導(dǎo)壓管處，導(dǎo)致差壓值較實際值偏大，從而引起較大的計量偏差。如果標準孔板計量系統(tǒng)計量的介質(zhì)帶液，應(yīng)及時從導(dǎo)壓管低點排出。每套標準孔板計量系統(tǒng)均設(shè)計有導(dǎo)壓管排液的低點閥門，如圖4所示。

圖4 標準孔板計量系統(tǒng)導(dǎo)壓管低點排液管實拍圖

調(diào)查組在現(xiàn)場查看供氣門站的排液記錄，證明從導(dǎo)壓管中確實能排放出液體。發(fā)現(xiàn)該情況后，供氣門站值班人員加密導(dǎo)壓管排液，盡量減少導(dǎo)壓管積液對計量結(jié)果的影響。

3）計量工藝條件不能完全保證標準孔板計量系統(tǒng)的性能。伴生氣嚴重帶液問題，已在2011年冬季運行時發(fā)現(xiàn)，供氣門站采取及時向上游生產(chǎn)單位反映、間歇停止來氣等措施爭取保證來氣質(zhì)量。供氣方為徹底解決這一問題，于2012年增加了針對該部分來氣的精細過濾器，但因設(shè)備檢測缺陷等問題，一直還未投用。為保證及時掌握天然氣的物性，在2012年又設(shè)計加裝了在線烴水露點監(jiān)測儀器，設(shè)備已采購到貨，尚未施工安裝。

任何種類的天然氣計量系統(tǒng)，對計量介質(zhì)的潔凈度都有要求［4］，因為伴生氣本身帶液，加之過濾分離設(shè)備和監(jiān)測儀器沒有安裝投用，處理和監(jiān)測措施沒有及時跟上。一方面導(dǎo)致天然氣組分變重而不能通過取樣分析掌握；另一方面導(dǎo)致差壓參數(shù)測量發(fā)生較大誤差。兩方面共同作用，造成標準孔板計量系統(tǒng)準確度降低。

4）標準孔板計量系統(tǒng)本身的計量誤差大。標準孔板計量系統(tǒng)是通過測量管道內(nèi)徑、標準孔板開孔孔徑、壓力、溫度、差壓、氣體組分等多個變量的方式間接得到天然氣流量，影響環(huán)節(jié)和因素較多。在一般情況下，行業(yè)內(nèi)普遍認定標準孔板計量系統(tǒng)測量誤差的經(jīng)驗值約為±3.0%，這是其本身的計量特性所決定的。

3 解決措施

3.1 差異量核定原則

按照供需雙方簽訂的天然氣計量交接協(xié)議，結(jié)合計量異議發(fā)生的原因，調(diào)查組決定對本次用戶提出的計量異議的訴求，只考慮2011、2012兩個年度冬季運行階段。導(dǎo)壓管積液對測量結(jié)果的影響，沒有直接的證據(jù)且無法量化追溯，故解決本次計量異議只考慮氣體組分變化對標準孔板計量系統(tǒng)的影響。采用氣體組分差異修正的原則，即在供氣方計量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，乘以天然氣輕、重組分間的一個校正系數(shù)，對氣量數(shù)據(jù)進行修正并核算差異氣量。

3.2 差異量核定思路

根據(jù)GB/T 21446—2008《用標準孔板流量計測量天然氣流量》［5］標準中天然氣在標準參比條件下的體積流量計算實用公式，參與流量計算的天然氣相對真實密度如果較真實值偏低 （測定的組分偏輕），則流量測量結(jié)果將偏大。由天然氣組成分析結(jié)果計算得到的密度ρ和壓縮因子Z會對公式中的流出系數(shù)C、相對密度系數(shù)FG、可膨脹性系數(shù)ε、超壓縮系數(shù)FZ均產(chǎn)生影響，不同天然氣組成下流量值的變化趨勢和變化程度是以上多項參數(shù)共同變化的綜合結(jié)果。理論上，在其他計量工藝條件都相同的情況下，不同組成的天然氣流經(jīng)標準孔板前后的差壓值也會不同，但任何天然氣計量技術(shù)標準中均未給出天然氣物性與差壓值的定量關(guān)系。供需雙方協(xié)商一致，按照試驗驗證的原則處理天然氣組成與差壓值的關(guān)系，即先不考慮天然氣組成對差壓值的影響，在對供需雙方的計量系統(tǒng)采用正確的氣體組分數(shù)據(jù)進行比對驗證后，如流量測量結(jié)果高度一致，則證明天然氣組成對差壓值的影響甚微，可以在本次差異氣量的處理中不予考慮。

3.3 樣品檢測分析

為準確計算出天然氣輕、重組分間的差別，2012年11月19日，調(diào)查組在用戶化工裝置的工藝管線上，找到一處位于管道中部的取樣口，從該處取得具有代表性的樣品，如圖5所示。

圖5 用戶裝置區(qū)天然氣取樣點實拍圖

在用戶的見證下，調(diào)查組在現(xiàn)場重新取得天然氣樣品，委托具有資質(zhì)的第三方檢測實驗室化驗分析，輕、重組分數(shù)據(jù)對比見表2。

表2 輕、重組分天然氣樣分析結(jié)果對照表

從表2數(shù)據(jù)可以看出，天然氣取樣位置對物性的影響很大。

3.4 校正系數(shù)的計算

調(diào)查組使用北京某公司專業(yè)生產(chǎn)、公開發(fā)售并經(jīng)貿(mào)易計量認證的TRQ-2004-02天然氣流量測量標準孔板設(shè)計及管理軟件，采取2012年11月18日現(xiàn)場調(diào)研時標準孔板計量系統(tǒng)的工藝參數(shù)，分別計算輕、重組分的流量數(shù)據(jù)。

計量工藝參數(shù)：標準孔板的前后差壓ΔP為6.554 kPa；氣流表靜壓 P為 3 220 kPa；氣流溫度T為29.349℃；測量管內(nèi)徑D20為199.116 mm；標準孔板開孔孔徑d20為78.721 mm；當?shù)卮髿鈮篜a為90.3 kPa。

計算得到：在標準條件下，輕組分標準孔板計量系統(tǒng)瞬時流量8 299.9 m3/h；重組分標準孔板計量系統(tǒng)瞬時流量8 099.1 m3/h；輕、重組分計量時差異系數(shù)為（8 299.9-8 099.1）/8 299.9=0.024 19。

3.5 差異量的核定

調(diào)查組調(diào)取供氣門站生產(chǎn)運行記錄，結(jié)合用戶提出計量異議的時段，核算因為天然氣氣質(zhì)組分變化對標準孔板計量系統(tǒng)造成影響最終導(dǎo)致多計量的氣量，對用戶予以核減，解決了計量異議。

1）只對供氣門站來氣包含伴生氣的時段內(nèi)差異氣量進行核定。

2）只對冬季生產(chǎn)運行時段內(nèi)的差異氣量進行核定。

3）所有予以核定差異氣量的時段內(nèi)供氣門站的計量累積量乘以輕、重組分計量時差異系數(shù)，得到最終核定差異氣量。

4）核定方法驗證。為驗證本次計量差異發(fā)生的原因查找和技術(shù)處理的措施是否正確，2012年11月24日，調(diào)查組委托第三方計量技術(shù)機構(gòu)利用便攜式超聲流量計分別對供需雙方的標準孔板計量系統(tǒng)進行在線實流比對 （統(tǒng)一使用重新取樣化驗后的天然氣組分數(shù)據(jù)），比對結(jié)果分別見表3、表4。

表3 供氣方供氣計量系統(tǒng)在線比對數(shù)據(jù)表

表4 用戶對接計量系統(tǒng)在線比對數(shù)據(jù)表

從表3、表4數(shù)據(jù)可以看出：不論便攜式超聲流量計本身計量準確度如何，供氣方供氣計量系統(tǒng)和用戶對接計量系統(tǒng)以同一便攜式超聲流量計作為比對參照，兩者計量結(jié)果非常接近。證明調(diào)查組將本次計量異議發(fā)生的原因定位在天然氣輕、重組分數(shù)據(jù)變化上是準確的，正是供氣門站取樣位置不合理，取到的樣品不具有代表性，導(dǎo)致計量結(jié)果偏大；而用戶裝置區(qū)取樣位置設(shè)置較合理，取到的樣品更具有代表性，計量結(jié)果與實際更相符。說明調(diào)查組處理本次計量異議的技術(shù)手段是合理的，結(jié)論正確、公平。

從表3、表4數(shù)據(jù)也可以看出，對于供氣計量系統(tǒng)和對接計量系統(tǒng)，雖然計量工藝條件并不完全相同，但統(tǒng)一使用重新取樣化驗后的天然氣組分數(shù)據(jù)后，計量結(jié)果非常相近（偏差＜0.05%），證明天然氣組成對標準孔板前后的差壓值影響甚微，在本次計量差異處理中不予考慮是合理的。

4 結(jié)論

1）用標準孔板計量系統(tǒng)測量天然氣流量，是一個多儀表組合檢測、多參數(shù)混合運算的過程，計量工藝參數(shù)、節(jié)流裝置幾何尺寸參數(shù)、天然氣物性參數(shù)都是影響系統(tǒng)測量結(jié)果的重要因素。

2）對標準孔板計量系統(tǒng)的核查，需要逐個考量多個參數(shù)對流量測量結(jié)果的影響趨勢，考量的依據(jù)是GB/T 21446—2008《用標準孔板流量計測量天然氣流量》標準中天然氣在標準參比條件下的體積流量計算基本公式和計算實用公式，在涉及到某個具體參數(shù)時還要考慮該參數(shù)計算的獨有公式。

3）可能某一個因素與流量計算公式中某兩個或多個參數(shù)相關(guān)，這些參數(shù)對流量測量結(jié)果的影響可能不同向，因此要善于運用專業(yè)的計算軟件模擬實際計量條件進行計算，才能得到正確的結(jié)果。比如本次計量異議處理過程中的天然氣氣體組分變化同時對體積流量計算實用公式中相對密度系數(shù)FG和超壓縮系數(shù)FZ產(chǎn)生影響，理論上也會對天然氣流經(jīng)標準孔板前后的差壓值產(chǎn)生影響。天然氣組成對相對密度系數(shù)FG和超壓縮系數(shù)FZ的影響可以定量計算，從而對流量測量值的偏差進行定量核定。但對不存在定量關(guān)系的差壓值的影響，則需要通過試驗驗證的方法確定是否需要考慮。

4）天然氣氣質(zhì)單一、潔凈是保證標準孔板計量系統(tǒng)準確度的要求，在不能滿足該要求時，需在計量系統(tǒng)前端進行處理，從計量工藝條件方面保證和提升計量系統(tǒng)性能。