天然气计量检定技术现状及进展.pdf

第 4 4卷第 5期 2 0 1 5 年 5月 当 代 化 工 C o n t e m p o r a r y C h e mi c a l I n d u s t r y V O ] ． 4 4．N o ． 5 M a y，2 0 1 5 天然气计量检定技术现状及进展 赵士海，刘博韬 中石化天然气分公司计量研究中心 ，湖北 武汉 4 3 0 0 7 3 摘 要随着天然气需求量的不断增加和天然气贸易的全球化发展，供求双方越来越重视天然气流量计量 的准确性。重点论述了广泛应用于天然气流量计量的孔板流量计、超声流量计 、涡轮流量计的技术现状和发展 趋势，以及国内外用于流量计量值溯源的天然气计量检定站技术的进展情况。 关键词天然气；计量；检定；现状；进展 中图分类号T E 6 2 4 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 5 0 5 1 1 2 3 - 0 3 Cur r e nt S i t ua t i o n a nd De ve l o pme n t o f t he Na t ur a l Ga s M e t r o l o g i c a l Ve r i fic a t i o n Te c hn o l o g y ZHAo S h i h a i ，LI U Bo ． t a o S i n o p e c Ga s Co mp a n y M e a s u r e me n t Re s e a r c h Ce n t e r , Hu b e i Wu h a n 4 3 0 0 7 3 ， C h i n a Ab s t r a c t W i t h t h e c o n t i n u a l i n c r e a s e o f r e q u i r e me n t o f n a t u r a l g a s a n d g l o b a l d e v e l o p me n t o f n a t u r a l g a s t r a d e ． t h e a c c u r a c y o f n a t u r a l g a s flo w r a t e me a s u r e me n t a t t r a c t s mo r e a n d mo r e a t t e n t i o n f r o m t h e s u p p l y a n d d e ma n d s i d e s ． I n t h i s p a p e r , t h e c u r r e n t t e c h n o l o g y s i t u a t i o n a n d d e v e l o p me n t t r e n d o f o r i fic e p l a t e fl o wme t e r , u l t r a s o n i c flo wm e t e r a n d t u r b i n e flo wme t e r we r e r e v i e we d ．De v e l o p me n t o f t h e n a tur a l g a s me t r o l o g i c a l v e r i fi c a t i o n t e c h n o l o g y u s e d f o r me a s ure me n t t r a c i n g a t h o me a n d a b r o a d wa s a l s o a n a l y z e d． Ke V wor ds Na t ur a l ga s M e as u r e me nt ； Ve r i fic a t i o n； Cur r e n t s i t u a t i on； De ve l o p m e n t 随着我国天然气产业的飞速发展 ，天然气流量 计量成为天然气贸易交接过程 中的主要环节 。为了 使计量结果的准确度控制在供求双方都能接受的范 围内，用于贸易交接的流量计必须进行法制检定 ， 使流量计与国家计量基准建立起有效的溯源链 ，保 证量值的准确可靠。 1 流量计量技术 1 ． 1 孔板流量计 孑 L 板 流量计 是通过测量安装在管路 中的标 准 孔板两侧差压 ，从而计算得到相应流量的一种计量 设备 ，它 由节流装置 、差压计 、压力变送器和温度 变送器等组成。孔板流量计是国内外研究得最早 、 最细 、试验数据最多 、使用经验最丰富 、标准化程 度最高的计量设备，具有结构简单、容易复制，性 能稳定 ，价格便宜等优点 ；但其测量范围窄 、压损 大、前后直管段长度较长等缺点，对整套流量计的 准确度有较大的影响。所以，孔板流量计改进的重 点一直集中在如何确定和减少天然气计量 的误差上 面，以期提高准确度” 。由于孔板流量计是由若干 个独立单元组合而成，各个部件设计 、 安装是否规 范合理都会影响到流量计的整体性能的好坏。 因此， 结构简单、自动化程度高、运维量少的一体化孑 L 板 流量计的研制和使用是其发展趋势 。 1 ． 2 涡轮流量计 涡轮流量计是通过气体推动内部转子转动 ，并 测量转子转动次数来计量气体流量的一种装置。⋯ 涡轮流量计具有测量范围宽、 结构紧凑、 重复性好、 输出信号品质好、准确度高等优点， 使其在国内外 的应用程度仅次于孔板流量计。但是，天然气的流 变特性和物性对涡轮流量计的性质有很大的影响 ， 并且流量计准确度越高 ， 其影响也越敏感 。 近些年 ， 涡轮流量计技术 的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 。 1 ． 3 超声流量计 超声流量计是利用超声波在流体中的传播特 性来测量流量 ，其主要优点表现在测量范围宽 、无 压损、可正反输 、无移动部件 、准确度高 、非接触 测量等方面。按测量方法的不同，超声流量计可分 收稿 日期 2 0 1 4 -1 0 - 2 1 作者简介 赵士海 1 9 8 8 一 ，男，湖北武汉人，助理工程师，2 0 1 2 年毕业于中国石油大学 北京 油气储运工程专业，研 究方向天然气计量。 E -ma i l 7 8 4 6 2 5 7 2 9 q q ． c o m。 化 工 2 0 1 5年 5月 为波束偏移法、互相关法、传播速度差法、多普勒 法等 ，通过 比较 ，传播速度差法具有较 高的准确 度等级 ，据悉 ，西气东输 、川气东送等国内输气管 道常用的超声流量计准确度等级为 1 ．0级，其次为 0 ． 5级 ，甚至也有少量的 0 ． 2级。从使用情况来看 ， 超声流量计在新建高压、大 口径 、长距离输气管道 上的使用数量逐年增加 ，越来越受到用户的青睐。 2 流量计量技术发展方向 2 ． 1 计量方式向自动化、智能化、一体化方式发展 随着制造业、电子信息技术的不断发展，输气 场站逐步配置智能压力变送器 、温度变送器和流量 计算机，并对部分计量设备进行改进，简化结构， 实现计量技术的一体化和智能化 。 2 ． 2 仪表选型从单一仪表 向多元化仪表发展 随着各个国家、 各个地区不断发现新气源， 不 断建设新的输气管道 ，天然气气质组分和管道沿线 环境条件的差异 日 益凸显，单一仪表类型完全满足 不了目前用户的需求 ，各个国家也将不断研制新型 流量计 ，并推出多元化仪表选型方案来满足不同用 户的需求 。 2 ． 3 计量结算从体积计量向能量计量发展 天然气能量计量就是以天然气发热量的多少 为依据进行贸易结算 。天然气发热量作为最能反映 燃料特性的一种合理的、科学的计量方式，在天然 气贸易中应当被广泛采用。随着市场经济的不断完 善和国际间天然气贸易活动的增多，天然气贸易计 量的方法由体积计量向能量计量的转变势在必行。 2 ． 4 单一数据管理向计量系统管理方 向发展 随着计算机技术在计量管理信息系统 中的广 泛应用 ，天然气计量管理从影响测量结果的各个方 面、各个环节进行全过程 、动态科学管理 ，解决 了单一数据管理存在的种种弊端 。 3 计量检定技术 准确可靠 的计量数据是保证天然气管 网安全 稳定运行、提高企业经济效益的前提条件。如果天 然气输送只注重采用先进 的计量设备 ，而没有相应 的计量标准作为计量器具量值溯源的保证，就会导 致由于计量数据的不统一 、 不准确而引起贸易纠纷 。 因此，国内外都非常重视计量标准装置的建立和研 究。 近几年，天然气流量计的检定从重视干标法逐 步过渡到实流检定 ，以管输的实际天然气介质及在 接近实际运行工况条件下对流量的分参数 ， 如压力 、 温度 、气质组分和流量总量进行动态量值溯源 。 3 ． 1 气体流量标准装置简介 3 ． 1 ． 1 p V T t 法气体流量标准装置 p V T t法气体流量标准装置是一个已知的标准 容器 ，当气体以某个流量流进 或流出 该标准容 器时，其中的气体质量将发生变化。通过测量在某 段时间 t 内容积为 的标准容器的气体热力学温度 r，和绝对压力 P的变化 ，就可算出气体流进或流出 的质量流量。该装置主要用于检测临界流喷嘴或临 界流文丘里喷嘴， 也可用于检测其他气体流量计 。 3 ． 1 ． 2 m t 法气体流量标准装置 mt法气体流量标准装置也被称为称重法或质 量／ 时间法气体流量标准装置， 主体由三通阀、 称重 容器和称组成。气体经过两级压力调节使得其压力 稳定在系统所需的压力 ， 通过三通阀进入称重容器 ， 秤量气体质量和通过的时间就可以计算出流量。该 装置主要用于校准音速喷嘴 ，当用于校准其它流量 计时 ，也需在流量计与三通阀间安装音速喷嘴 ，以 保证流量恒定 。 m t 法装置的质量和时间可溯源到国 家的质量和时间基准 。 3 ． 1 ． 3 H P P P法气体流量标准装置 高压活塞式气体流量标 准装置 ，是英文 Hi g h P r e s s u r e P i s t o n P r o v e r 首字母缩写 ，它 由具有恒定截 面和已知容积 的管段组成 ，活塞以 自由置换或强制 置换方式在其内往复运动 ，根据活塞通过该管段所 需时间可得到气体的标准体积流量。检测开关可确 定活塞进入和离开标准管段 的时间间隔 ，标准管段 的容积可采用水驱法由标准量器确定 。从近几年 的发展来看 ，现多采用几何测量 的方法 ，直接测量 标准管段的体积 ，并且 HP P P法装置的长度和时间 可溯源到国家的长度和时间基准。目前 ，德国国家 物理技术研究院 P T B现有一套 H P P P法装置 ，在建 的国家石油天然气大流量计量站武汉分站也将采用 该装置。 3 ． 2 国内外主要天然气流量标准装置对 比分析 在 国外 ，相继出现许多实流计量检定实验室 ， 如荷兰国家计量研究院N M I 、 德[ P i g s a r 、 加拿大 输气 校 准公 司 T C C 、美 国科 罗拉 多工 程实 验室 C E E S I 等，见表 1 。在国内，计量检定站的发展起 步较晚 ，目前可开展高压 、大 口径流量计检定的计 量站为国家石油天然气大流量计量站成都分站、南 京分站和武汉分站，见表 2 。 对国内外计量标准装置进行分析 、比对后 ，得 出结论 1 为 了提高流量计检定的准确度 ，许多国 第 4 4 卷 第 5 期 赵 士海 ，等 天 然气计量检定技术 现状及进 展 1 1 2 5 家根据本国实际情况建立了以天然气为介质的在线 般 选 用 涡 轮 流 量 计 ，测 量 不 确 定 度 一 般 在 实流检定标准装置 ，为了逐级扩大流量范 围，提高 0 ． 2 5 ％～ 0 ． 4 0 ％之间 ；据 了解 ，国内外一般多选用临 工作压力，多数检定实验室都建有原级标准、次级 界喷嘴作为次级流量标准装置，流量测量不确定度 标准和工作标准， 并且原级标准的各基本量都能溯 一般在 0 ． 1 5 ％ ～ 0 ．2 5 ％ 之问。 源到相应的国家标准或国际标准。 4由于国内也是最近十几年才引进国外 的 2 在现有 的天然气计量标准装置中，以 m t 流量标准装置 ，不论是从适用范围还是准确度方面 法气体 流量标 准装 置作为原级标准装置 的 占据 多 都 比较接近世界先进水平 。国内原级标准装置测量 数 ，其次为 p V T t法气体流量标准装置 ，只有德国 不确定度一般都达到 0 ． 1 ％， 次级标准为 0 ． 2 5 ％左右 ， P i g s a r和在建 的国家石油天然气大流量计量站武汉 工作标准为 0 ． 3 3 ％左右。值得期待的是 国家石油天 分站使用 H P P P法气体流量标准装置。虽然天然气 然气大流量计量站武汉分站的建设 ， 其原级标准装 原级标准装置结构形式、流量及压力范围各异， 但 置引进的是德国 P i g s a的 H P P P法气体流量标准装 其测量不确定度大致保持在 1 ．0 ％ ～ 2 ．5 ％之间。 置，也是国内首家，原级标准装置测量不确定度有 3在现有的天然气工作级标准装置 中，一 望达到 0 ． 1 ％，工作标准为 0 ． 2 0 ％左右。 表 1 国外主要天然气流量标准装置 Ta bl e 1 M a i n s t anda r d f a c i l i t i e s o f na t ur al g a s m e a s ur e me nt a t abr o ad 参考文献 [ 1 ] 张红兵，郑云萍．天然气流量计的选型及其计量发展趋势阴．石油 与天然气化工，2 0 0 3 ， 3 2 3 1 7 6 1 7 7 ． [ 2 ] 安建川 ， 梁光川．天然气计量技术现状及趋势[ J ] l 内蒙古石油化工 ， 2 0 0 7 1 4 2 - 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