天然气流量计量现状与发展

      发展天然气计量技术的意义

自上世纪90年代以来，我国的天然气工业得到了迅猛发展。随着油气田改制的完成和经营理念的转变．天然气生产和输送部门之间那种传统的管理调度关系发生了根本变革．双方之间逐步建立了追求各自最大商业利益的供求关系。这种变革使人们对商品天然气计量技术的研究和发展更加重视。天然气流量计量已经成为天然气工业发展的重要制约因素，是企业进行贸易交接、经济分析和降低运行成本的主要因素，直接影响到企业的经济效益和用户利益。

因此，对天然气进行精确、实时、经济地计量变得更加重要。这主要体现在：

（1）精确计量。能保证在输气监测站上进行公平公正的交易，有效地管理天然气的供给和消费，控制天然气的库存量。最大限度地降低输差，避免输气监测的争端，提高服务质量。 （2）实时计量。有助于输气公司优化管线的运营，最大限度地提高系统的生产能力。对市场变化作出快速反应。 （3）经济计量。符合效益最大化的经营理念的要求。天然气计量系统的投资和运行维护费用决定了天然气计量的成本。采用先进的计量技术是降低天然气计量成本的重要途径。

我国三大石油公司都制定了面向21世纪的天然气发展战略。随着天然气市场和业务的拓展，各公司之间的竞争将日益加剧，这种局面目前已经在山东、湖北等天然气新兴市场出现。很显然，快速、经济地获取、处理和分析天然气计量信息将有效地降低输气公司的成本，提高服务质量，从而在市场竞争中获得更大的市场份额。因此，对天然气计量技术的发展进行预测和研究具有非常重要的现实意义。

天然气流计量技术现状

我国天然气计量起步较晚，气藏主要分布在四川、长庆、新疆。多年来我国天然气流量计量一直以体积流量为结算依据，国家石油行业标准已明确规定以温度293.15K（20℃），压力101.325kPa时的状态为天然气计量标准状态。从20世纪70年代以来，我国参照国外系列标准，结合自己的实际情况。进行了新型计量仪表的研制，提高了仪表的测量精度、可靠性，并且在天然气仪表的选型、使用、安装、维护、管理、气质分析等方面作了相应的工作。得出一些较重要的结论。同时对现场阻力件、复杂工况的影响，摸索出了一些成熟的经验。制定了SY/T 6143-2004《天然气流量的标准孔板计量方法》以及GB/T 11062-1998《天然气发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法》等一系列天然气计量标准。尽管如此，我国天然气计量总体水平与同际先进水平间仍然存在显著差距。总体上讲，设计、安装不符合SY/T 6143-2004标准；计量仪表合格率低；仪表缺少通用性、互换性好的智能型二次仪表；计量系统在线检定溯源性差。

1 计量标准

天然气计量实际上是天然气流量的测量，是在天然气流动过程中间接测量的，测量的准确度取决于整套测量系统的合理设计、建设、操作和维护等全过程的质量。为了保证计量系统按统一的技术要求进行全面质量管理，保证天然气汁量的准确度，制定科学合理的天然气计量标准是非常必要的。

在天然气计量的相关标准中，流量计量标准是主要的。另外它还应包括天然气密度、组成、发热量、压缩因子等相关参数的测量和计算标准，还有仪器仪表、设计及安全等标准。天然气计量涉及到设计、建设、投产、操作、维修、检验、检定以及安全环保等各个方面。因此，其相关标准是很广泛的。

（1）北美天然气计量相关标准的情况

美国石油工业发达，天然气计量技术先进．有严格完善的法规、标准和先进的计量设备。

1978年美国通过了天然气法，统一各州和联邦政府之间的天然气价格，规定了以每立方英尺实际的能量含量作为天然气买卖的基础，改变了天然气传统的计量方式。这种新的计量方式是结合天然气的质量测量和发热量测量两种独立的测量系统而产生一个新的天然气能量测量系统。

美国和加拿大的主要输气公司（NOVA）所采用的容积式流量标准主要有：

——AGA NO2容积式流量计（Displacement Metering）标准为大容量气体体积测量的模式容积式流量计的使用方法：

——AGA NO3/ANSI/API 2530天然气孔板流量计（Orific Metering of Natural gas）标准规定了用孔板流量计测量天然气，烃类和其它气体的方法：

——AGA NO5燃气的能量测量（Fuel gas Energy Metering）标准提供将气体质量单位换算成能量单位的方法．是AGA NO3和其它体积或质量测量的补充：

——AGA NO7涡轮流量计测量燃气（Measurement of Fuel Gas by Turbine Meters）标准提供轴向涡轮流量计测量的操作规范：

——AGA NO9（草案）用多声道超声波流量计测量气体的流量（Measurment of Gas by Multipath Ultrasonic Meters）标准规定了超声波气体流量计的使用方法。

（2）欧共体天然气计量相关标准的情况

欧洲标准委员会（CEN）于1998年发布一项天然气计量站基本技术要求的标准NEN1776（Gas Supply systems-Natural Gas measuring Stations-Functional requirement）。标准反映了欧共体天然气计量系统的标准要求的最新情况．它包括的引用标准比较全面地给出欧共体天然气计量相关标准的概况。EN1776主要包括天然气输气计量站的设计、建设、投用、操作和维修方面的基本要求。计量站的容量为流量大于500m3/h（标准状态），工作压力不小于1bar（表压）。标准包括以能量单位结算的内容，它提供发热量的测量方法。由于计量站由多种设备组成，标准假设每一种设备要满足CEN或ISO标准。

另外，制定天然气流量计量标准的国际化标准组织（ISO）技术委员会也制定了一系列有关天然气计量的标准和建议。

（3）我同天然气计量相关标准的情况

我国尚未形成天然气计量的系统标准。国内目前在天然气计量中采用“天然气流量的标准孔板计量方法”（SY/T 6143-2004），“天然气发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法”（GB/T 11062-1998）等计量标准。但这些标准尚没有覆盖天然气计量的各个方面，特别是在天然气贸易计量中缺乏天然气计量系统统一的、系统的技术标准。为了适应我国天然气日益国际化的需要，必须加快我同天然气计量标准的国际接轨。

2 计量仪表

（1）孔板流量计

——原理。是以流量守恒定律和流动连续性方程为基础．当气体流经节流装置时。流束在孔板处形成局部收缩。从而使流速增加，静压力降低，在孔板前后产生静压力差（差压），气流的流速越大，孔板前后产生的差压也越大。从而可通过测量孔板前后差压来计量天然气流量。

——优点。适用于较大口径管道的计量；结构简单。安装容易：无可动部件，性能可靠，耐用；应用历史悠久，标准规定最全；按标准制造的孔板不需要标定；价格便宜。

——缺点。压损大时不适宜长输管线计量；量程比小；前后直管段要求长，占地面积大；输出信号为模拟信号，重复性不高；对整套流量计的精度影响因素多且错综复杂，很难提高测量精度。

据调查，石油天然气行业采用孔板流量计作贸易计量的约占95%以上。尽管孔板流量计计量已经是一项成熟的技术，但对于如何确定和减少天然气计量误差仍然需要进行革新和改进。在实际生产中通常采用流量调节器来减少孔板上游管线安装质量对计量精度的影响。最新研究结果表明，不同类型的流量调节器对计量精度的影响也不同。目前，已经开始将数据采集、储存和监控系统引入孔板流量计计量中。该系统可以通过对压力、温度等参数的监测实现对流量进行时时修正，从而大大提高了孔板的计量精度。

（2）涡轮流量计

——原理。利用气体推动流量计转子转动。通过测转子转动次数来计量气体流量。

——优点。测量精度高，一般涡轮不确定度为0.5%~1.0%。精选涡轮可达到0.25%；测量范围宽，量程比可达1：30；输出为脉冲频率信号，便于和计算机配套：结构紧凑轻巧、安装维护方便。

——缺点。有可动部件，易于损坏：抗脏污能力差．对介质的干净程度要求高。

与孔板流量计一样，涡轮流量计也是一项比较成熟的技术。其技术发展主要体现在以下几个方面：通过改变转子的几何形状扩大流量计的使用流量范围：改善旋转部件的耐磨性。以增加其使用寿命；通过机载微处理器等电子元件随时监测流量计的使用情况。

（3）超声波流量计

——原理。超声波流量计由超声波转换器将电能转换为超声波能量，以一定的方式发射并穿过被测流体，接收器接收到超声波信号，供显示积算仪显示和积算，实现流量的检测显示。

——优点。工作原理简单，有望成为基准流量计；测量精度高，可达0.5% ：量程比大，一般为1：20，甚至可达1：100；能实现双向流量计量；可精确测量脉动流；适应性强，占地少；无可动部件，坚固耐用。可直接进行清管作业；不受压力、温度、相对分子质量、气体组分变化的影响。

——缺点。价格昂贵，只适合于大、中口径：对上下游直管段长度等有要求。

超声波流量计是继孔板流量计。涡轮流量计之后第三类适用于高压、大口径、高精度的天然气流量计。在美国等发达国家得到广泛应用。国内首次在大口径输气管道使用超声波流量计是在西气东输管道的天然气贸易交接中。国际标准化组织ISO发布ISO/TR 12 765《用时间传播法超声流量计测量封闭管道内的流体流量》以及美国1998年颁布的AGA NO9《用多声道超声流量计测量天然气流量》是国际上用于超声波气体流量计的主要参考性标准文献。目前，我国计量部门批准了超声流量计作为流量计量器具，国家标准《用气体超声流量计测量天然气流量》已审查通过，为使用气体超声流量计提供了依据。随着天然气在我国能源体系中地位的日趋重要和以西气东输为代表的输气管道的增加，超声波流量计以其非接触式测量的独特优点必将获得更广泛的应用。

（4）其它新型流量计量技术

互补式气体流量计作为一种可替换的计量技术已逐步引起了人们的注意。这种流量计在液体流量测定方面已经用了很长时间，而且用得十分成功，但在输气管线的流量测定方面的使用经验还甚少。这种流量计的基本构型有两种，即直管式和曲管式，主要适用于高压、低容量的输气管场合，目前尚处于实验阶段。在输气管线中的实际应用并不多。1999年5月AGA输气计量委员会已决定开始制定一个互补式气体流量计计量工业标准。

还有几项可供选择的气体流量测定技术也正处在不同的开发阶段如使用激光技术的光测法等，在这里不再详细论述。

天然气流量计量技术发展趋势

随着中国加入WTO，外资企业不断进人我国天然气市场以及引进国外天然气的可能性，天然气计量与国际接轨已经成为一种必然趋势。

综合分析表明，天然气计量技术的发展将体现在以下几个方面：

（1）计量方式由体积计量向能量方式转变

天然气的能量计量是在体积测量的基础上，再配备天然气发热量的测量装置。在天然气贸易计量中，以能量的方式进行结算是最公平的方法。随着社会主义市场经济的完善和我国加人WTO，在我国天然气贸易计量中实行能量计量势在必行。

我国已有一些天然气计量站配备天然气在线分析系统，它可提供天然气组成和发热量的数据，如中国海洋石油总公司于1996年投产了南海涯13-1气田，该气田90%的商品天然气经跨底管道输送香港，用作中华电力公司的燃料，此天然气按IS05 167和AGA NO8报告进行流量计算，采用自动取样器定时定量取得天然气气样，南化验室的气相色谱仪分析天然气组成，气相色谱仪每次使用前用标准气体进行校准，最后以能量计量方式进行天然气的计量交接。

（2）计量技术的自动化、智能化和远程化

对于整个天然气计量系统。流量计只是提供气体测量数据系统的一部分，除此之外，还有能提供补充测量数据的辅助仪表系统（如压力传感器、温度传感器、气体密度计、气相色谱仪等），以及能按标准程序记录、储存和传输测量数据的计算数据收集和传输系统，甚至计算机网络。

随着电子技术、计算机及互联网技术的迅猛发展，天然气计量已逐步向在线、实时、智能、实流检定发展，同时依靠网络技术实现远程化通讯、控制和管理，如SCADA系统的应用和智能涡轮流量计系统。为了提高测量精度，加快测量数据的传递发送，扩大测量设备的自我诊断的能力，预计在测量系统巾会更多地采用内置式微处理机。

（3）检定方式、量值溯源从静态单参数向动态多参数溯源发展

过去流量计检定方式通常采用检定静态单参数方法， 由于流量参数的动态性质。仪表准确度存在较大问题之一是计量溯源性。至今国际上还没有公认的流量量值的实物标准，流量量值的统一采用装置比对实。其原级标准是一座流量标准装置，在装置上把各基本量（长度、质量、时间及温度）综合为导出量—流量。然后把流量量值传递给一台或一组流量计，称为传递标准（流量量值的载体）。借助传递标准把量值传递到工作仪表。由此可见，原级标准是一种同定装置，其特点与流量计有较大差别，无法实际反映流量参数的动态性质。随着国内外实流检定技术的成熟．天然气流量量值溯源正逐步向实流检定方向发展，即以实际天然气介质、在接近实际现场工况等条件下对流最的分参数如压力、温度、气质组分和流量总量进行动态量值溯源。

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