周新宇，姬玲君

（中石油華東設(shè)計(jì)院有限公司，山東 青島 266071）

0 引言

近年來，隨著中國(guó)工業(yè)化水平的不斷提高，天然氣已成為國(guó)內(nèi)重要的能源組成部分。天然氣計(jì)量作為天然氣貿(mào)易交接中的重要環(huán)節(jié)，科學(xué)規(guī)范的計(jì)量方式是保證精準(zhǔn)計(jì)量，減少貿(mào)易摩擦及糾紛的重要保證手段。但因國(guó)內(nèi)過去天然氣產(chǎn)量低、規(guī)模小，傳統(tǒng)的體積計(jì)量方式已不能適應(yīng)天然氣高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)在需求，更加規(guī)范科學(xué)的能量計(jì)量方式改革已成為當(dāng)務(wù)之急。

天然氣計(jì)量有體積計(jì)量、質(zhì)量計(jì)量和能量計(jì)量3種方式，目前國(guó)內(nèi)以體積計(jì)量方式為主；歐美等大多數(shù)國(guó)家普遍采用能量計(jì)量（即以天然氣熱值發(fā)熱量作為計(jì)量計(jì)價(jià)依據(jù)）。質(zhì)量計(jì)量在天然氣計(jì)量中的應(yīng)用較少，在此不展開說明。

1 體積計(jì)量方式

流量計(jì)是天然氣體積計(jì)量中最重要的設(shè)備，根據(jù)天然氣流量計(jì)工作原理，主要包括以下幾類：

1）差壓式流量計(jì)，主要包括孔板流量計(jì)、文丘里流量計(jì)、阿牛巴流量計(jì)等。

孔板流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是目前天然氣中測(cè)量中最成熟、最常用的方法之一。但存在精度不高、量程比較小，上、下游直管段長(zhǎng)度要求較高等缺點(diǎn)。阿牛巴流量計(jì)可用于大口徑的天然氣計(jì)量，壓損小，但價(jià)格比較昂貴。

2）容積式流量計(jì)，主要包括腰輪流量計(jì)、雙轉(zhuǎn)子流量計(jì)等。

腰輪流量計(jì)、雙轉(zhuǎn)子流量計(jì)精度較高，無(wú)上、下游直管段長(zhǎng)度要求，適用于小口徑、小流量的天然氣計(jì)量。

3）速度式流量計(jì)，主要包括渦輪流量計(jì)、旋進(jìn)旋渦流量計(jì)、超聲波流量計(jì)等。

渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，精度及量程比較高，但對(duì)流速及上、下游直管段長(zhǎng)度有要求。

旋進(jìn)旋渦流量計(jì)不受壓力、溫度、組分變化的影響，且精度一般，量程比較小，在長(zhǎng)輸天然氣管道中使用較少。

超聲波流量計(jì)不受氣體壓力、溫度、組分變化的影響，測(cè)量精度高，測(cè)量范圍大（最高可達(dá)100:1），可實(shí)現(xiàn)雙向流量計(jì)量。但目前多為進(jìn)口設(shè)備，價(jià)格昂貴，只適用于大、中口徑，不適用于較小口徑（小于DN100）天然氣計(jì)量。

4）質(zhì)量流量計(jì)

質(zhì)量流量計(jì)無(wú)上、下游直管段要求，且精度較高，穩(wěn)定性好，適用于小口徑、小流量的天然氣計(jì)量。

2 能量計(jì)量方式

天然氣能量計(jì)量是體積計(jì)量的擴(kuò)展與延伸，通過體積計(jì)量數(shù)值與天然氣的熱值乘積計(jì)算獲得。與體積計(jì)量方式相較，能量計(jì)量更能科學(xué)地體現(xiàn)天然氣作為燃料的商品價(jià)值。通過計(jì)量及分析儀系統(tǒng)，可科學(xué)規(guī)范地進(jìn)行天然氣的能量計(jì)量。

2.1 計(jì)量及分析儀系統(tǒng)

計(jì)量及分析儀系統(tǒng)主要由流量計(jì)量部分、分析儀部分、工藝設(shè)備部分和控制系統(tǒng)部分組成[1]。

2.1.1 流量計(jì)量部分

流量計(jì)量部分主要由流量計(jì)、流量計(jì)算機(jī)、溫度和壓力變送器等組成。

1）流量計(jì)

流量計(jì)用于對(duì)天然氣體積/質(zhì)量流量的測(cè)量，流量計(jì)類型可參考體積計(jì)量中的選用原則。

隨著大口徑、高壓力輸送管線的不斷建設(shè)，超聲波流量計(jì)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于天然氣貿(mào)易計(jì)量中，以前經(jīng)常使用的孔板流量計(jì)、渦輪流量計(jì)等已經(jīng)越來越不能滿足要求。以土耳其某輸氣管道項(xiàng)目為例，工藝管線為20"，管道設(shè)計(jì)壓力為86bar(G)，貿(mào)易計(jì)量用流量計(jì)精度要求不低于0.35%，在此工況條件選用超聲波流量計(jì)可以滿足以上要求。

2）流量計(jì)算機(jī)

流量計(jì)算機(jī)用于流量和能量的計(jì)算，并與流量計(jì)配套使用。流量計(jì)算機(jī)具有根據(jù)流量參數(shù)和氣體組分參數(shù)直接計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)體積、能量的功能。流量計(jì)算機(jī)對(duì)流量計(jì)、溫度/壓力變送器、分析儀等數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算后，能夠提供出準(zhǔn)確的計(jì)量數(shù)據(jù)，并以此作為最終貿(mào)易交接中法律認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)[2]。流量計(jì)算機(jī)可通過簡(jiǎn)單的組態(tài)或選項(xiàng)進(jìn)行計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)選擇，正常計(jì)算時(shí)，不受其它計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的影響。流量計(jì)算機(jī)天然氣壓縮因子的計(jì)算方法滿足GB/T 17747[3]或AGA Report NO.8[4]的要求，天然氣密度、組成、發(fā)熱量、相對(duì)密度、沃泊指數(shù)的計(jì)算方法應(yīng)滿足GB/T 11062[5]或 ISO6976[6]標(biāo)準(zhǔn)要求。

3）溫度變送器和壓力變送器

溫度/壓力變送器用于溫度和壓力的補(bǔ)償計(jì)算。為保證計(jì)量系統(tǒng)的整體精度要求，溫度和壓力變送器的精度應(yīng)優(yōu)于計(jì)量系統(tǒng)精度的最低要求，其安裝位置也應(yīng)按照流量計(jì)的相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來執(zhí)行。

2.1.2 分析儀部分

分析儀部分主要由氣相色譜分析儀、氧含量分析儀、烴露點(diǎn)分析儀、水露點(diǎn)分析儀、硫化氫分析儀等組成。此部分分析儀一般在分析小屋內(nèi)安裝，由分析儀系統(tǒng)集成商負(fù)責(zé)。

1）氣相色譜分析儀

天然氣的發(fā)熱值可通過分析氣體組分計(jì)算而得，而計(jì)算天然氣的氣體組分一般使用氣相色譜分析儀[7]。通過氣相色譜分析儀實(shí)時(shí)取樣分析，得到天然氣的組成、密度、熱值等物理參數(shù)，并將結(jié)果輸入到流量計(jì)算機(jī)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣流量和熱值的及時(shí)修正，保證天然氣計(jì)量的精度。

2）氧含量分析儀、烴露點(diǎn)分析儀、水露點(diǎn)分析儀、硫化氫分析儀

氧含量、烴露點(diǎn)、水露點(diǎn)、硫化氫含量等結(jié)果用于計(jì)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)指示與報(bào)警，一般不用于貿(mào)易交接。測(cè)量氧含量的目的是從安全或防腐的角度考慮，避免惡意摻混空氣；測(cè)量烴露點(diǎn)的目的是因?yàn)樘烊粴夤艿乐谐霈F(xiàn)冷凝物會(huì)引起測(cè)量、自控和過濾裝置發(fā)生故障，影響管道安全運(yùn)行；測(cè)量水露點(diǎn)的目的是防止液相水的產(chǎn)生[8,9]；測(cè)量硫化氫的目的是有效減少對(duì)環(huán)境和人身健康的危害，以及對(duì)管道和設(shè)備的腐蝕[10]。

2.1.3 工藝設(shè)備部分

工藝設(shè)備部分主要由流量計(jì)上、下游切斷閥，上、下游直管段，整流器等組成。

1）流量計(jì)上、下游切斷閥

一般選用密封良好、零泄漏的全通徑閥門，并配帶氣動(dòng)或電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由計(jì)量及分析儀系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制。

2）上、下游直管段及整流器

上、下游直管段需與流量計(jì)同心、同徑，且符合上、下游直管段長(zhǎng)度要求，整流器的類型、安裝位置和加工制造等應(yīng)遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。以土耳其某輸氣管道項(xiàng)目為例，超聲波流量計(jì)的前后都需要設(shè)置直管段和整流器，需符合AGA Report NO.9［11］標(biāo)準(zhǔn)，上、下游直管段需取得PED認(rèn)證，整流器樣式需取得國(guó)際法制計(jì)量組織（OIML）的形式認(rèn)證等要求。

以超聲波流量計(jì)為例，單向計(jì)量的流量計(jì)上、下游直管段及整流器配置方案如圖1。

圖1 單向計(jì)量的流量計(jì)上、下游直管段及整流器配置方案Fig.1 Configuration scheme of the upstream and downstream straight pipe sections and rectifiers of the flowmeter for one-way metering

以超聲波流量計(jì)為例，雙向計(jì)量的流量計(jì)上、下游直管段及整流器配置方案如圖2。

圖2 雙向計(jì)量的流量計(jì)上、下游直管段及整流器配置方案Fig.2 Configuration scheme of the upstream and downstream straight pipe sections and rectifiers of the flowmeter for bidirectional metering

2.1.4 控制系統(tǒng)部分

計(jì)量及分析儀系統(tǒng)可獨(dú)立配置一套控制系統(tǒng)，用于數(shù)據(jù)采集及處理，電動(dòng)/氣動(dòng)閥門的控制和流程切換等功能。計(jì)量及分析儀系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)通信方式，將計(jì)量數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)和狀態(tài)報(bào)警信息上傳至站控系統(tǒng)。

如無(wú)特殊要求，計(jì)量及分析儀系統(tǒng)亦可依托站控系統(tǒng)，完成上述描述功能。

3 流量計(jì)實(shí)流標(biāo)定方式

由于流量計(jì)直接關(guān)系到貿(mào)易計(jì)量的準(zhǔn)確性，流量計(jì)精度就顯得尤為重要。一般來說，流量計(jì)廠家會(huì)在國(guó)際知名認(rèn)證機(jī)構(gòu)（如中國(guó)的PAC、歐洲的MID、國(guó)際上的OIML等）中獲得流量計(jì)的精度認(rèn)證。但由于流量計(jì)產(chǎn)品在取得精度證書認(rèn)證時(shí)，一般是采用空氣下進(jìn)行標(biāo)定，當(dāng)流量計(jì)用在壓縮天然氣計(jì)量時(shí)，尤其在高壓條件下，標(biāo)定條件與實(shí)際工況存在顯著差異，會(huì)造成很大的計(jì)量誤差。這就要求高壓天然氣計(jì)量時(shí)，應(yīng)盡量在實(shí)際工況下標(biāo)定后再進(jìn)行測(cè)量。

所以，即使流量計(jì)產(chǎn)品在出廠時(shí)取得了精度認(rèn)證證書，為保證測(cè)量精度，流量計(jì)用在天然氣貿(mào)易計(jì)量時(shí)還需在國(guó)際認(rèn)可的第三方標(biāo)定中心（世界知名的標(biāo)定中心有美國(guó)CEESI標(biāo)定中心、美國(guó)SWRI標(biāo)定中心、德國(guó)Pigsar標(biāo)定中心、荷蘭NMI標(biāo)定中心，加拿大TCC標(biāo)定中心等）進(jìn)行實(shí)流標(biāo)定，并取得標(biāo)定中心出具的標(biāo)定認(rèn)證證書。

由于不同的標(biāo)定中心標(biāo)定裝置存在差異，導(dǎo)致各實(shí)驗(yàn)室能夠標(biāo)定流量計(jì)的最大壓力和最大流量都不一樣，因而需要根據(jù)流量計(jì)的類型、尺寸、壓力等級(jí)等方面，再結(jié)合業(yè)主要求選擇合適的標(biāo)定中心。以土耳其某輸氣管道項(xiàng)目為例，業(yè)主方只認(rèn)可在歐洲標(biāo)定中心出具的標(biāo)定證書。

以下為一般需與標(biāo)定中心明確的標(biāo)定內(nèi)容：

1）標(biāo)定的壓力等級(jí)。標(biāo)定中心一般都只有幾個(gè)壓力等級(jí)可以選擇。以土耳其某輸氣管道項(xiàng)目為例：管道的設(shè)計(jì)壓力為管道設(shè)計(jì)壓力為86bar(G)，由于標(biāo)定中心均無(wú)法達(dá)到此標(biāo)定壓力，業(yè)主方要求在不低于60bar(G)標(biāo)定壓力下進(jìn)行標(biāo)定。當(dāng)業(yè)主方?jīng)]有要求時(shí)，標(biāo)定的壓力等級(jí)不宜小于最大操作壓力的50%。

2）標(biāo)定的流量。流量計(jì)的流量標(biāo)定方式不盡相同，以土耳其某輸氣管道項(xiàng)目為例：當(dāng)流速在0.3m/s～0.9m/s之間時(shí)采用3點(diǎn)標(biāo)定，分別在最小流量、50%最大流量、最大流量點(diǎn)設(shè)置；當(dāng)流速在0.9m/s至最大流速之間時(shí)采用5點(diǎn)標(biāo)定，分別在最小流量、25%最大流量、50%最大流量、75%最大流量、最大流量5個(gè)點(diǎn)設(shè)置。得到上述標(biāo)定數(shù)據(jù)后，標(biāo)定中心根據(jù)標(biāo)定數(shù)據(jù)做出精度誤差曲線并出具標(biāo)定認(rèn)證證書。

3）對(duì)于有雙向計(jì)量要求的流量計(jì)應(yīng)進(jìn)行雙向標(biāo)定。

4 結(jié)束語(yǔ)

天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)能源和化工原料，其計(jì)量方式越來越受到國(guó)內(nèi)及國(guó)際的重視。隨著中國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，天然氣貿(mào)易變得愈發(fā)頻繁，計(jì)量及分析儀系統(tǒng)是保證貿(mào)易交接過程規(guī)范、合理、公正的重要手段。隨著中國(guó)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的不斷完善，國(guó)內(nèi)的天然氣貿(mào)易交接方式也將與國(guó)際接軌，從傳統(tǒng)的體積計(jì)量向能量計(jì)量不斷發(fā)展。