引言

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

 

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

 

1 體積計量方式

流量計是天然氣體積計量中非常重要的設(shè)備，根據(jù)天然氣流量計工作原理，主要包括以下幾類 ：

1）差壓式流量計，主要包括孔板流量計、文丘里流量計、阿牛巴流量計等。

 

孔板流量計結(jié)構(gòu)簡單，是目前天然氣中測量中非常成熟、非常常用的方法之一。但存在精度不高、量程比較小，上、下游直管段長度要求較高等缺點。阿牛巴流量計可用于大口徑的天然氣計量，壓損小，但價格比較昂貴。

 

2）容積式流量計，主要包括腰輪流量計、雙轉(zhuǎn)子流量計等。

腰輪流量計、雙轉(zhuǎn)子流量計精度較高，無上、下游直管段長度要求，適用于小口徑、小流量的天然氣計量。

 

3）速度式流量計，主要包括渦輪流量計、旋進旋渦流量計、超聲波流量計等。

渦輪流量計的結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，精度及量程比較高，但對流速及上、下游直管段長度有要求。

 

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

 

超聲波流量計不受氣體壓力、溫度、組分變化的影響，測量精度高，測量范圍大（非常高可達 100:1），可實現(xiàn)雙向流量計量。但目前多為進口設(shè)備，價格昂貴，只適用于大、中口徑，不適用于較小口徑（小于 DN100）天然氣計量。

 

4）質(zhì)量流量計質(zhì)量流量計無上、下游直管段要求，且精度較高，穩(wěn)定性好，適用于小口徑、小流量的天然氣計量。

 

2 能量計量方式

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

 

2.1 計量及分析儀系統(tǒng)

計量及分析儀系統(tǒng)主要由流量計量部分、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 流量計量部分

流量計量部分主要由流量計、流量計算機、溫度和壓力變送器等組成。

 

1）流量計

流量計用于對天然氣體積 / 質(zhì)量流量的測量，流量計類型可參考體積計量中的選用原則。隨著大口徑、高壓力輸送管線的不斷建設(shè)，超聲波流量計已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于天然氣貿(mào)易計量中，以前經(jīng)常使用的孔板流量計、渦輪流量計等已經(jīng)越來越不能滿足要求。以土耳其某輸氣管道項目為例，工藝管線為 20"，管道設(shè)計壓力為 86bar(G)，貿(mào)易計量用流量計精度要求不低于0.35%，在此工況條件選用三暢超聲波流量計可以滿足以上要求。

 

2）流量計算機

流量計算機用于流量和能量的計算，并與流量計配套使用。流量計算機具有根據(jù)流量參數(shù)和氣體組分參數(shù)直接計算標準體積、能量的功能。流量計算機對流量計、溫度 / 壓力變送器、分析儀等數(shù)據(jù)進行復雜的運算后，能夠提供出準確的計量數(shù)據(jù)，并以此作為非常終貿(mào)易交接中法律認可的標準數(shù)據(jù) [2]。流量計算機可通過簡單的組態(tài)或選項進行計量標準選擇，正常計算時，不受其它計量標準的影響。流量計算機天然氣壓縮因子的計算方法滿足 GB/T 17747[3] 或 AGA Report NO.8[4] 的 要 求， 天 然 氣 密度、組成、發(fā)熱量、相對密度、沃泊指數(shù)的計算方法應(yīng)滿足 GB/T 11062[5] 或 ISO6976[6] 標準要求。

 

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償計算。為保證計量系統(tǒng)的整體精度要求，溫度和壓力變送器的精度應(yīng)優(yōu)于計量系統(tǒng)精度的非常低要求，其安裝位置也應(yīng)按照流量計的相關(guān)國家標準規(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、烴露點分析儀、水露點分析儀、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)集成商負責。

 

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算而得，而計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時取樣分析，得到天然氣的組成、密度、熱值等物理參數(shù)，并將結(jié)果輸入到流量計算機中，實現(xiàn)對天然氣流量和熱值的及時修正，保證天然氣計量的精度。

 

2）氧含量分析儀、烴露點分析儀、水露點分析儀、硫化氫分析儀

氧含量、烴露點、水露點、硫化氫含量等結(jié)果用于計量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)指示與報警，一般不用于貿(mào)易交接。測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 ；測量烴露點的目的是因為天然氣管道中出現(xiàn)冷凝物會引起測量、自控和過濾裝置發(fā)生故障，影響管道安全運行 ；測量水露點的目的是防止液相水的產(chǎn)生 [8,9] ；測量硫化氫的目的是有效減少對環(huán)境和人身健康的危害，以及對管道和設(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上、下游切斷閥，上、下游直管段，整流器等組成。

1）流量計上、下游切斷閥

一般選用密封良好、零泄漏的全通徑閥門，并配帶氣動或電動執(zhí)行機構(gòu)，由計量及分析儀系統(tǒng)負責控制。

2）上、下游直管段及整流器

上、下游直管段需與流量計同心、同徑，且符合上、下游直管段長度要求，整流器的類型、安裝位置和加工制造等應(yīng)遵循相關(guān)標準要求。以土耳其某輸氣管道項目為例，超聲波流量計的前后都需要設(shè)置直管段和整流器，需符合 AGA Report NO.9［11］ 標 準， 上、 下 游 直 管 段 需 取 得PED 認證，整流器樣式需取得國際法制計量組織（OIML）的形式認證等要求。以三暢超聲波流量計為例，單向計量的流量計上、下游直管段及整流器配置方案如圖１。

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

2.1.4 控制系統(tǒng)部分

計量及分析儀系統(tǒng)可獨立配置一套控制系統(tǒng)，用于數(shù)據(jù)采集及處理，電動 / 氣動閥門的控制和流程切換等功能。計量及分析儀系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)通信方式，將計量數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)和狀態(tài)報警信息上傳至站控系統(tǒng)。如無特殊要求，計量及分析儀系統(tǒng)亦可依托站控系統(tǒng)，完成上述描述功能。

 

3 流量計實流標定方式

由于流量計直接關(guān)系到貿(mào)易計量的準確性，流量計精度就顯得尤為重要。一般來說，流量計廠家會在國際知名認證機構(gòu)（如中國的 PAC、歐洲的 MID、國際上的 OIML等）中獲得流量計的精度認證。但由于流量計產(chǎn)品在取得精度證書認證時，一般是采用空氣下進行標定，當流量計用在壓縮天然氣計量時，尤其在高壓條件下，標定條件與實際工況存在顯著差異，會造成很大的計量誤差。這就要求高壓天然氣計量時，應(yīng)盡量在實際工況下標定后再進行測量。

 

所以，即使流量計產(chǎn)品在出廠時取得了精度認證證書，為保證測量精度，流量計用在天然氣貿(mào)易計量時還需在國際認可的第三方標定中心（世界知名的標定中心有美國CEESI 標 定 中 心、 美 國 SWRI 標 定 中 心、 德 國 Pigsar 標定中心、荷蘭 NMI 標定中心，加拿大 TCC 標定中心等）進行實流標定，并取得標定中心出具的標定認證證書。由于不同的標定中心標定裝置存在差異，導致各實驗室能夠標定流量計的非常大壓力和非常大流量都不一樣，因而需要根據(jù)流量計的類型、尺寸、壓力等級等方面，再結(jié)合業(yè)主要求選擇合適的標定中心。以土耳其某輸氣管道項目為例，業(yè)主方只認可在歐洲標定中心出具的標定證書。以下為一般需與標定中心明確的標定內(nèi)容 ：

1）標定的壓力等級。標定中心一般都只有幾個壓力等級可以選擇。以土耳其某輸氣管道項目為例 ：管道的設(shè)計壓力為管道設(shè)計壓力為 86bar(G)，由于標定中心均無法達到此標定壓力，業(yè)主方要求在不低于 60bar(G) 標定壓力下進行標定。當業(yè)主方?jīng)]有要求時，標定的壓力等級不宜小于非常大操作壓力的 50％。

 

2）標定的流量。流量計的流量標定方式不盡相同，以土 耳 其 某 輸 氣 管 道 項 目 為 例 ：當 流 速 在 0.3m/s ～ 0.9m/s 之間時采用 3 點標定，分別在非常小流量、50% 非常大流量、非常大流量點設(shè)置 ；當流速在 0.9m/s 至非常大流速之間時采用 5 點標定，分別在非常小流量、25% 非常大流量、50% 非常大流量、75% 非常大流量、非常大流量 5 個點設(shè)置。得到上述標定數(shù)據(jù)后，標定中心根據(jù)標定數(shù)據(jù)做出精度誤差曲線并出具標定認證證書。

3）對于有雙向計量要求的流量計應(yīng)進行雙向標定。

 

4、 結(jié)束語

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