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专论与综述 天然气计量现状及发展趋势 宋艾玲 梁光川 西南石油大学研究生院 四川 成都 摘 要文章介绍了我国天然气计量的现状及存在的主要问题,着重对几种常用天然气流量计的原理、 优缺点进行了 对比分析,提出了有针对性的选型指南,阐述了当前天然气计量的发展趋势。 关 键 词天然气计量;流量计;选型;发展趋势 中图法分类号 TE832. 2 文献标识码 A 文章编号 10042913420060220006203 1 天然气计量现状 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. 15 K20℃ , 压力101. 325 kPa时的状态为天然 气计量标准状态 [1] 。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。制订了SYΠT 6143 - 2004天然气流量的标准 孔板计量方法 以及GBΠT 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 平与国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SYΠT 6143 - 2004标准;计量仪表合格 率低;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。 2 几种常用流量计的特点 [2、3] 目前,我国用于贸易结算的流量计量仪表主要有 孔板流量计、 气体涡轮流量计、 气体腰轮流量计、 涡街 流量计和超声波流量计。 2. 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。 优点适用较大口径管道计量;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 [4] 。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 行实时修正,从而大大提高了孔板的计量精度。 2. 2 气体涡轮流量计 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; 第一作者简介宋艾玲,女,1973年生,工程师,1995年毕业于西南石油学院。现为西南石油大学油气储运工程在读硕士,主要从事油气管网系统 规划及密闭输送系统研究。邮编610500 6 石 油 仪 器 PETROLEUM INSTRUMENTS 2006年04月 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。 2. 3 气体腰轮流量计 原理周期性地充满或排出一个或几个计量空间 的气体,以此来测量气体体积流量。 优点测量精度高,一般腰轮不确定度为0. 5 ～ 1. 5 ,精选腰轮可达到0. 2 ;量程比大,可达1∶400 ; 可靠性好,不需要直管段;安装条件要求低。 缺点安装时,壳体不能承受管线的各种应力;对 介质的干净程度要求高。 腰轮流量计是直接式流量计,为了提高其性能,各 种改进产品应运而生,例如为了防止在不干净的介质 中使用腰轮流量计时能出现腰轮卡死而使管道压力升 高的情形,设计了安全阀以及自动清洗腰轮;为了增加 腰轮的抗冲击能力,使用了方形腰轮;为了减少腰轮工 作时产生的脉动,设计出了双腰轮流量计等等。 2. 4 涡街流量计 原理基于卡门涡街原理制成的一种流体振荡型 流量计。在管道中插入一个旋涡发生体,当管道中有 流体流过时,在旋涡发生体的两侧将交替产生旋涡,在 下游交替排列的旋涡列被称为 “涡街”,单位时间内通 过某一点的涡街的数量与流体的流速成正比。 优点无可动部件,稳定可靠;使用寿命长,维护量 小;压力损失小;量程宽。 缺点对雷诺数有要求ReD≥210 4 , 适用范围 受限;不适合在有振动干扰的管网中使用。 涡街流量计自20世纪70年代在工业上应用以 来,由于它具有一些突出的特点,受到用户欢迎,并得 到迅速发展。由于涡街流量计应用时间短,无论理论 研究或实践经验都比较薄弱,不免出现一些问题,例 如工作条件的偏离到底会带来多大的附加误差至今 在标准及生产厂资料中尚不明确。多年实践证明,涡 街流量计的正确选用是减少计量误差的关键环节。 2. 5 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,通过测量超声波信号在管内 沿一定方向传输的时间,来计算气体流速。 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、 分子量、 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。 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。目前,我国计量部 门批准了超声波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。 3 常用流量计的选型 在流量计的使用中首先遇到的是仪表的选型问 题。在进行具体选型时,一般需要综合考虑以下几方 面的因素 1仪表性能精确度、 重复性、 线性度、 测量范围、 压力损失、 上下限流量等; 2流体特性流体压力、 温度、 密度、 粘度润滑性、 化学性质、 腐蚀、 脏污、 气体压缩系数、 等熵指数、 比热 容、 混相流、 脉动流等; 3安装要求管道布置方向、 流动方向、 上下游直 管段长度、 管径、 维护空间、 管道振动、 过滤、 排污辅助 设备等; 4环境条件环境温度、 湿度、 安全性、 电磁干扰、 防爆等; 5经济条件购置费、 安装费、 维修费、 校验费、 运 行费、 使用期限等。 表1列出了几种常用流量计的选型指南。 在实际操作中,还应注意一般常用流量取在流量 计最大流量的70 ～80 左右,实际最大流量一般不 超过流量计允许最大流量的120 ,持续时间不允许 超过0. 5 h。人们在实际使用中,对流量计流量范围的 超下限往往忽视,而较大的计量误差影响因素多来自 于这方面。这是选型设计中应引起注意的问题。 4 发展趋势 1 计量方式的能量化 [5、6] 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 7 2006年 第20卷 第2期 宋艾玲等天然气计量现状及发展趋势 表1 几种常用流量计的选型指南 应用因素孔板流量计气体涡轮流量计气体腰轮流量计涡街流量计超声波流量计 操作条件下的 气体密度 决定测量结果 最小流量随密度增 加而降低 危险增大 最小流量随密度增 加而降低 在规定密度范围内 不受影响 气夹带固体 可能有侵蚀或沉积 物,需加过滤器 沉积物可能对叶片 旋转造成影响,需要 过滤器 可能堵塞叶轮,需要 过滤器 可能有沉积物,非流 线体可能受侵蚀,需 要过滤器 一般不受影响,加过 滤器可防传感器孔 被污垢堵塞 气夹带液体 由流量计腐蚀、 结垢 引起的磨损会造成 流量误差 可能有腐蚀结垢,润 滑油被稀释,转子出 现不平衡 可能有腐蚀、 结垢 测量导管内可能有 液体沉积物,这会影 响计量值 变坏的信噪比或传 感器孔被污垢堵塞 会影响功能 压力突变会造成损坏会造成损坏会造成损坏可能有计量误差超声换能器损坏 脉动流 精度受影响,其程度 取决于仪表响应速 度 取决于流量变化的 频率、 幅度、 气体密 度、 涡轮惯性 不受影响 精度受影响,其程度 取决于流量变化频 率和幅度 当脉动周期大于流 量计的采样周期,就 不会受影响 误差范围内的 量程比 10∶1如果采用双量 程差压计 30∶1密度越高,流量 比越大 30∶1 30∶1密度越高,流量 比越大 30∶1 过载流动 可过载至孔板上的 允许压差 可短时间过载可短时间过载可过载可过载 增大公称设计 能力 需增大流量计内径、 或增加气路或提高 压力 需增大流量计、 或增 加气路或提高压力 需增大流量计、 或增 加气路或提高压力 需增大流量计、 或增 加气路或提高压力 需增大流量计、 或增 加气路或提高压力 供气安全性 流量计故障不会造 成影响 流量计故障不会造 成影响 流量计故障可能中 断供气 流量计故障不会造 成影响 流量计故障不会造 成影响 流量计及其管 道所需配管设 置要求 上下游需直管段长 度按SYΠT 6143 - 2004 上下游需直管段长 度由适用标准的安 装说明而定 上下游管道无特殊 要求,为保证连续供 气需加旁通 上下游需直管段长 度由适用标准的安 装说明而定 上下游需直管段长 度根据制造厂的安 装说明而定 义市场经济的完善和我国加人WTO ,天然气贸易计量 方法必须从体积式计量转向能量式计量,以便尽快与 国际天然气贸易计量方法接轨。 2 计量仪表的多元化 随着流量计的研究和开发,使计量仪表选型从单 一仪表向多元化仪表方向发展。如对中低压、 中小流 量可选择智能型速度式流量计涡轮、 旋进漩涡流量 计 ; 对高压、 大流量可选择气体超声流量计;对流量变 化范围大的中低流量可选择文丘里管。 3 计量技术的自动化、 智能化和远程化 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,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、 动态的科学管理。 4 计量标准的完善化 入世后,为了与国际标准接轨,我国天然气计量标 准需进一步发展和完善,目前天然气计量标准已基本 构成完整的体系,正逐步由单一标准向多重标准发展。 5 计量管理的制度化 随着市场经济的发展,人们对天然气计量的重视 和管理观念的根本性转变,不仅加强了对现场计量器 具的使用及相应人员进行管理,而且加强了对仪表采 购选型、 安装使用、 质量监督、 过程控制、 数据管理和实 流检定的管理,以避免计量纠纷。 参 考 文 献 [1] 张永红.天然气流量计量第二版 [M].北京石油工业 出版社,2001 [2] 蔡武昌,孙淮清,纪 纲.流量测量方法和仪表的选用 [M].北京化学工业出版社,2001 [3] 张红兵,高文风,郑云萍.天然气流量计的选型和发展动 向[J ].天然气与石油,2003 ,422 [4] 袁平凡,何 敏,梁险峰.天然气流量计量新的进展与发 展趋势[DBΠOL ]. http Π ΠwwwΠchinaflow. com. cn ,2002. 06. 03 [5] 张福元,赖忠泽,何 衍.天然气能量计量.国家原油大 流量计量站成都天然气流量分站,2001资料 [6] 陈庚良.天然气的能量计量及其标准化[J ].石油工业技 术监督,2001 ,175 收稿日期2005 - 07 - 05 编辑高红霞 8 石 油 仪 器 PETROLEUM INSTRUMENTS 2006年04月 ABSTRACTS Vol. 20 No. 2 Apr. 2006 Zhang Zailu. Views on a new generation of intelligent digitalized well groups. PI,2006 ,2021 1～5 The micro wireless sensor ,which can run on batteries and transmit over a long range in dense jungle ,and web2based software techniques have gradually replaced traditional RTU and SCADA system in oil field telemetry area. Shell petro2 leum development company SPDC and Vmonitor incorporation have built a new generation of intelligent digitalized test well groups by the new technology in Nigeria. SOKU gas field has increased the revenues of 29 million American dollar in per year from eight wells , thus saving the cost for drilling new wells. As advancing progressively on digital communi2 cation ,software and wireless network technology ,we believe that we can build a new intelligent digitalized oil field on na2 tive technology by the experiences of SPDC. Key Wordsmicro wireless sensor ,web2based software ,well groups ,telecontrol data net Song Ailing and Liang Guangchuan. The status quo and future development of natural gas measurement. PI, 2006 ,202 6～8 With the increasing development of natural gas industry and continuous broadening of natural gas market , research on natural gas measurement technique is attached much more importance to. In this paper , the status quo and subsistent problem for natural gas measurement are represented. The principles of several conventional gas flowmeters are de2 scribed , either their advantages or disadvantages are compared and corresponding guideline for selecting is put forward. The future development of natural gas measurement is further discussed including some recommendations. Key Wordsgas measurement ,flowmeter ,type selection ,future development Chen Jing and Lin Zhenjie. Design of a tension2depth measurement system for steel wire. PI,2006 ,20 2 9～ 10 A tension2depth measurement system for steel wire is designed according to the technical requirements of measuring steel wire tension and diving depth in oil well. SCM collects real2time data of tension and depth , and transfer to IPC by USB. LabWindowsΠCVI of NI is used as development plat. Successfully applied in the industrial site several times , the system can accurately measure tension and depth datum for steel wire in real time , with stable operation. Key Wordssteel wire tension ,downhole diving depth ,USB bus ,virtual instrument Song Hongwei, Guo Haimin and Dai Jiacai. Design of a downhole photoelectric manometer. PI,2006 ,202 11 ～12 ,15 The optic elastic effect of optic material , the interference theory of linear polarization light and the characteristics of the manometers for production logging are analyzed to design a new type of downhole photoelectric manometer. With the downhole photoelectric manometer , the ination of fluid pressure at target depth can be measured whether the fluid is flowing or the well is closed. Firstly , the ination of fluid pressure in the well is converted to the intensity ination of linear polarization interference light through photoelectric material. Secondly , the intensity ination is converted to electric ination , and then is transmitted to surface system. Finally , electric ination is converted to pressure val2 ue. In addition , a temperature compensator is designed to eliminate the temperature effect in time. The feasibility of this has been proved by theoretical analysis. With photoelectric detection technology instead of conventional meth2 ods , the measuring precision of fluid pressure can be improved and environmental interference can also be deduced. Key Wordsproduction logging ,fluid pressure ,photoelectric manometer ,polarization light ,light elastic effect ,interfer2 ence theory Shao Dongliang , Zhu Jintang , Li Haifeng , Kong Wei. Design of FS -Ⅲstirred reactor system for corrosion in high temperature and pressure. PI,2006 ,202 13～15 This paper analyzes the disadvantages of existing corrosion reactor on the material ,feasibility ,temperature reduc2 Ⅰ Vol. 20 No. 2 PETROLEUM INSTRUMENTS