天然气大流量计量方法研究.pdf

2 01 1正 第 5期 2 011 No ． 5 天 然气 大流量计量方法研究 陈利琼 ， 温晓峰 ， 张虹缤 1 ． 西南石油大学， 四川成都6 1 0 5 0 0 ； 2 ． 昆仑银行库尔勒分行， 新疆库尔勒8 4 1 0 0 0 摘要 国内在能源和资源的开发利用及 国际合作中， 对于大 口径、 大流量流量计标准装置的需求十 分突出。计量交接逐步发展为集 中式、 大口径 、 高气量的贸易交接 方式 ， 大流量天然气的计量方式也 已 由单一的孔板流量计发展3 ,1 L 板、 涡轮、 超声流量计共用的格局。综合分析现有的天然气大流量计量 方式 ， 对比研究孔板 、 涡轮 以及超声流量计的优缺点， 得 出流量计在大流量计量方面的适用性 以及流量 计的发展趋势， 以达到合理有效地使用各类计量仪表 的 目的， 提高天然气的交接计量精确度。 关键词 计量方法 ； 天然气； 大流量 中图分类号 T E 8 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 49 6 1 4 2 0 1 1 0 5 0 0 1 9 0 3 A Re v i e w o f M a s s F l o w Ga s M e a s u r e me n t M e t h o d s CHEN L i - q i o ng ， W EN Xi a o f e n g 。 ， ZHANG Ho ng - b i n 1 ． S o u t h we s t P e t r o l e u m Un i v e r s i t y， C h e n g d u 6 1 0 5 0 0 ， C h i n a ； 2 ． Ko r l a B r a n c h， B a n k o f Ku n l u n ， Ko r l a 8 4 1 0 0 0， C h i n a Ab s t r a c t I n t h e p r o c e s s o f C h i n a s e n e r g y a n d r e s o u r c e s e x p l o i t a t i o n a n d i n t e r n a t i o n a l c o o p e r a t i o n， t h e n e e d o f l a r g e d i a me - t e r a n d b i g fl o w me t e r s t a n d a r d d e v i c e i s v e r y o b v i o u s ． Me a s u r e me n t f o r t r a d e h a n d o v e r i s g r a d u all y d e v e l o p i n g t o a c e n t r ali z e d， l a r g e d i a me t e r a n d h i【g h fl o w t r a d e me t h o d ． Ma s s fl o w g a s me a s u r e me n t me t h o d s h a v e b e e n d e v e l o p i n g f r o m s i n g l e o r i fi c e me a s u r e me n t t o a p a t t e rn j o i n t l y s h are d b y o ri fi c e ， t u r b i n e a n d u l t r a s o n i c m e a s u r e m e n t ． B y a n al y z i n g t h e e x i s i t i n g g as ma s s fl o w m e asu r e - me n t me t h ods ， a n d c o mp a r i n g t h e o ri fi c e me asu r e me n t ， the t u r b i n e me a s u r e me n t a n d the u l tra s o n i c me a s u r e me n t ， t h e s u i t a b i l i t y o f e a c h me a s u r e me n t i s o b t a i n e d， i n d i c a t i n g t h e tr e n d o f i t s d e v e l o p me n t a n d a l s o i n d i c a t i n g r e a s o n abl e a n d e f f e c t i v e u s e V L r i o u s me asu r e me n t i n s t r u me n t s ， i mp r o v e t h e me a s u rin g a c c u r a c y of n a t u r a l g a s h a n d o v e r a n d e n s u r e f a i r t r a d e s e t tl e me n t ． Ke y wo r d s me asu r e me n t me t h od ； g a s ； ma s s fl o w 0 引言 近几年， 国内天然气产量增长较快， 流量计量在 国民经济中的作用也更加明显。随着西气东输三线、 四线的动工 ， 预计到到 2 0 1 9年 ， 这 2个管线建设以后 ， 初步形成的天然气管网输气能力将达 8 0 0多亿 m ． 同 时， 天然气在一次能源结构中的比重也在加大， 预计 到2 0 1 5 年前后， 国内天然气的利用在能源结构中所占 比例将达到 1 0 ％以上 。 据统计 ， 2 0 0 8年 国 内用 于天然气 计量 的器具 为 9 0 0多台， 预计 2 0 1 5年将可能达到2 3 0 0 多台。从整体 上来看 ， 在流量计使用上 ， 2 0世纪 7 O年代形成 了孔板 使用高峰期， 2 0世纪 8 0年代形成了涡轮流量计使用 的高峰期， 2 O世纪 9 0年代中后期则形成了使用超声 流量计的高峰期。 1 天然气计量类型 在大流量计量方面 ， 目前国内外采用 的流量计主 要有 3种类型 超声流量计 、 涡轮流量计 和孔 板流量 收稿 日期 2 0 1 01 2 0 9 收修改稿 日期 2 0 1 1一 o 42 1 计 。 1 ． 1 超声流量计 气体超声流量计的应用始于 2 O世纪9 O年代， 以 前主要是用于液体测量， 在超声流量计应用于气体测 量上， 由于气体声阻抗大， 气体声能衰减大这个课题 一 直未能得到很好的解决， 气体超声的发展由此受到 限制 J 。2 0 世纪 8 0年代以来， 随着高速数字信号处 理技术和先进的压 电陶瓷技术的发展 ， 气体超声流量 计测量天然气技术有了突破性进展 J 。 超声流量计根据换能器数量分类， 目前气体超声 流量计有一至六声道流量计 ； 根据超声波在管壁上的 反射情况， 又可分为直射、 单反射和双反射 3种。目 前 ， 超声波流量计 一般都 采用单反射技术 ， 计 量不确 定度为 1 ． 0 ％ 一 2 ． O ％。图 1中， 五声道超声流量计有 3 个声道采用单反射技术 ， 2个声道采用旋转方向相 反的双反射技术 ， 对旋涡流的流量测量准确度较高 。 1 ． 2 涡轮流量计 在欧洲和美 国， 涡轮流量计是继孑 L 板流量计 之后 的第二个法定天然气流量计 ，已经发展为多 品种 、 全 2 0 P i p e l i n e Te c h n i q ue a n d Eq ui p me n t S e p ．2 01 1 系列 、 多规格 ， 批量生产规模 的天然气 流量计。涡轮 流量计在用 量上是仅次 于孔 板流量计 的天然 计量仪 表 ， 仅荷兰在天然气管线上就采用 了2 6 0 0 多台各种尺 寸仪表。 b 图 1五声道超声 流量 计结构图 涡轮流量计 由涡轮流量传感 器及与之配 套 的计 算仪表构成 。主要研究工作 集 中于涡轮 流量传感器 本身和其信号的处理方法。S h a r e r 、 F u me s s 、 B a k e r 、 D a v i d曾分别对涡轮流量传感器研究工作进行过总结 ， 提 供了非常有价值的参考文献 j 。 为了提高涡轮流量计的计量性能和适应性， 不同 厂家都对涡轮进行了改进 ， 目前有如下产品 双叶轮， 提高涡轮的可靠性； 铝合金叶轮， 提高涡轮的灵敏度 和抗冲击能力 ； 一体化 整流器 ， 提高涡轮 的准确度 和 和抗冲击能力； 密封式轴承， 提高涡轮的抗脏污能力。 1 ． 3孔板流量计 孔板流量计是在2 0世纪初即使用的天然气流量 测量仪表 ， 经过 1个世纪的发展过程 ， 它 已经是国内外 研究得最早、 最 细 ， 使用经验最 丰富 ， 试 验数据最 多 ， 标准 化 程 度 最 高 的 计 量 仪 表 。据 估 计 ， 国 外 约 占 6 0 ％ ， 国内占 8 0 ％ 以上 ， 数据点多 1 6 0 0 0多个 ， 不过 随着超声流量计在 国内的逐渐使用 ， 孔板流量计所 占 比例有所下降 。 目前 ， 众多新型流量计的出现对孔板流量计形成 了严 峻的挑 战 ， 为着保持其 主导地位 ， 其功能在积极 地完善着 ， 现列举如下 1 孔板流量计配套的二次仪表部分 。差压变送 器和流量计算机在微 电子技术 、 计算机技术 、 新材料 、 新工艺的迅速发展下 ， 性能及可靠性显著提高 。 2 定值节流件的采用 。定值节流件是指对每种 通径测量管道配 以有 限数 量的节流件 。节 流件 的 P 值 直径 比 则按 优先数 系选用 ， 节流件 实现批 量生 产 ， 降低生产成本 ， 为扩大使用创造条件 ， 给用户带来 方便等。 2 优缺点对比 各种流量计的分析、 对 比结果如表 1所示。表 1 中， D为管径 ， P为管道输送介质 的密度 ， C为压 力损 失系数 。 表 1 流量计 比较表 名称 准确度／ ％ 前直管要求 后直管要 求 过滤、 整形 孔板流量计5 0～8 0 0 p ／ 2 C 2 涡轮流量计5 0～6 0 0 2 0 0～1 5 0 0 P a 超声 流量计7 5～2 0 0 0 结构 简单 ， 价 格 低 廉 ， 可 在极 高流 速 下 和高 中 压 下使 用。但 误差较 大 ， 现 场 安 装条件高 ； 附属设 备价 格 较 贵 流量范 围大 ， 温度影 响 小 ， 精度高 ， 量程 比大 ， 用 于 中高压。但抗脏 污能力 差 ； 关键件轴承磨损 ， 价格较贵 无阻 碍 物 ， 无 压 损 ， 无 示 值 漂 移 现 象 ， 无 可 动 部 件 ， 可直 接 进 行清 管 作 业 ； 无 维护简单 ， 可带 压更换超 声 换能器 ， 无须 重新标 定。但 国 内使用经验少 ； 一次性 购 人投资高 3实用性分析 天然气计 量仪表 的选用 首先要遵循一 个基本 的 原则， 就是所选用的计量仪表一定能够满足和用于现 场实时计量。在选用流量计之前 ， 首先需要摸清用户 近期和远期的用气情况 ， 每 日调峰和季节性调峰多少 及现场的实际工艺情况 ， 然后才可 以确定选用何种流 量计 ， 从而确定所选仪表的规格、 型号 具体需考虑 的因素以及各流量计 的性能对比如表 2和表 3所示。 表 2 天然气流 量计选型依据 选型依据 需要考虑的因素 仪 表 陛 能雀 蒿 簧 敲流 量 范 信 号 输 出 特 流体、 温度、 压力、 密度、 黏度、 化学腐蚀 、 磨蚀性、 结垢、 堵 流体特性塞、 混相、 相变、 电导率、 声速、 导热系数、 比热容、 等熵指 数 管道布置方 向， 流动 方 向， 检测件 上下 游侧直 管段 长度 、 安装条件管道口径、 维修空间、 电源、 接地、 辅助设备 过滤器、 消气 器 、 安装 、 脉动等 环境条件环境温度、 湿度、 电磁干扰、 安全性、 防爆、 管道振动等 经 济 因 素 嘉 运 微 蝴潍 用 第 5期 陈利琼等 天然气大流量计量方法研 究 2 1 表3 流量计性能比较表 通过以上 比较及 目前 的发展趋势可 以看出 ， 气体 超声流量计 将是未来天然气大流量交接计量仪 表的 主流。使用气体超声流量计 测量天然气流量 ， 尤其是 在高压大流量贸易交接计量的场合 ， 有较高 的技术经 济效益 。多声道超声流量计己被气体工业界所接受 ， 可在天然气贸易交接计量中应用。目前， 己部分取代 了孔板流量计、 涡轮流量计等传统的气体流量计量技 术 。超声流量计解决 了大管径 、 大流 量及各类 明渠 、 暗渠测量困难的问题 。 目前 ， 国内外在对涡轮流量计用 于天然气测量的 选用比例上也在不断上升。由于其具有高精度和宽 量程等诸多优点， 在国内成为对中低流量和城市燃气 调峰计量的首选仪表 。 孔板差压流量 计的结构简单 、 寿命长 、 成本低等 特点更适合 国情 ， 而且使用量仍 占 8 0 ％ 以上。采用先 进的智能变送器、 网络通信技术、 数字信号处理技术， 计算机技术、 现代控制技术等进行技术改造， 是孔板 差压流量计的发展方向。 4 结束语 预计到 2 0 1 5年前后 ， 国内天然气的利用将在能源 结构 中所 占比例达到 1 0 ％以上 。因此 ， 努力搞好天然 气计量工作尤为重要。其意义体现在 搞好天然气的 精确计量有利于 以天然气为原料 的化工企业分 析原 因， 改进工艺流程更新设备， 达到节能降耗的目的； 为 在计量上与国际接轨创造有利条件 ； 为计量交接双方 提供公平合理的计量数据。 天然气计量 技术发 展趋 势 智 能式 流量计 的发 展， 微型、 微功耗计算机在流量计二次仪表的使用， 可 利用校准技术提高流量计的准确度和拓宽量程； 大流 量计量将使用工作原理简单 、 受安装和环境条件影 响 小、 准确度高的流量计 ； 各种类型的流量计有其工作 原理和计量特性 ， 在不 同工作条件下使用不同工作原 理的流量计 ； 在国内， 超声流量计 、 涡轮流量计及孔板 流量计将在大 中流量计量 中成 为主流流量计 。小 口 径超声、 腰轮等宽量程流量计将在用量波动大的民用 气计量中发挥作用。 参考文献 [ 1 ] D a P a z E F ． V i r t u a l M e t e r i n g S y s t e m f o r O i l a n d G a s F i e l d Mo n i t o r i n g B a s e d o n a D i f f e r e n t i al P r e s s u r e F l o wme t e r ． S o c i e t y o f P e t r o l e u m E n g i n e e r s ， 2 0 1 0 9 1 9～ 2 2 ． [ 2 ] 杨声强． 超声波流量计计量系统性能的主要影响因素． 天 然气工业， 2 0 0 6 ， 2 6 3 1 1 11 1 3 ． [ 3l ，廖毒敏， 熊珊． 超声波流量计的 研究和应用． 管道技术与 设备， 2 O 0 4 4 1 31 9 ． [ 4 ] I S O 5 1 6 8 --2 0 0 5 Me a s u r e me n t o f fl u i d fl o w p r o c e d u r e s f o r t h e e v a l u a t i o n o f u n c e r t a i n t i e s [ 5 ] 李政， 盛春艳， 罗瑶． 标准孔板流量计测量天然气流量计 量附加误差分析． 中国计量， 2 0 1 0 6 9 7 9 9 ． 作者简介 陈利琼 1 9 7 6 一 ， 副教授 ， 研究方向为油气储运设施 安全技术 。 上接第 l 1页 度越低。当进站温度降低时， 出站温 度降低。当流量、 含水量、 进站温度不变时， 地温越 低， 散热量越大， 要求的出站温度越高。 针对油田内部热油 管道 流量 和含水量 随时变化 的特点 ， 运用 曲线 图的形式 ， 可以对应流量和含水量 方便快速地查询合适的管道运行参数 ， 维持管道稳定 运行。 计算后的出站温度较现在的出站温度有所降低， 减少了热能消耗 ， 可节省可观 的燃料费用。 参考文献 [ 1 ] 杨筱蘅． 输油管道设计与管理． 北京 中国石油大学出版 社 ， 2 0 0 6 7 61 0 6 ． [ 2 ] 王海琴． 含蜡原油热输管道沿程温降计算． 油气储运， 2 0 0 2 ， 2 1 7 9一l 2 ． [ 3 ] 龚大利． 大庆油 田高含水原油流变性研究． 油气储运， 2 0 0 5 ， 2 4 8 2 5 3 0 ． [ 4 ] 吴明， 卢涛． 用数值方法求解热油管道最大输量． 管道技 术与设备 ， 1 9 9 8 3 1 2 ． [ 5 ] 张国忠 ， 马志祥． 热油管道安全经济输油温度研究． 石油 学报， 2 0 0 4， 2 5 1 1 0 6 1 0 8 ． [ 6 ] 李恩田， 石兆东， 丁云辉． 含水原油水力计算． 管道技术与 设备， 2 0 0 3 6 1 3 ． 作者简介 杨颖 1 9 8 6 一 ， 硕士研究生 ， 从事油气储运工艺及理 论研究 。