天然气流量计量现状与发展.pdf

天然气流量计量现状与发展 宋艾玲 梁光川 西南石油学院 四川 成都6 1 0 5 0 0 摘要天然气流量计量是天然气生产、 输送和销售的关键环节, 从分析发展天然气计量技术的意义角度出发, 介绍了天然气 流量计量技术现状, 包括 计量标准、 孔板流量计、 涡轮流量计、 超声波流量计以及其它新型的天然气计量仪表, 并结合我国天 然气工业发展的需要, 对天然气流量计量技术的发展趋势进行了预测。 关键词天然气 流量计量 计量标准 流量计 A b s t r a c tN a t u r a l g a s f l o wm e t e r i n g i s t h e l i n c h p i no f g a s p r o d u c t i o n ,t r a n s p o r t a n dm a r k e t .B a s e do nt h e s i g n i f i c a n c e o f a d v a n c i n g n a t u r a l g a s m e t e r i n gt e c h n o l o g y , t h ep r e s e n t s i t u a t i o no f t h i s t e c h n o l o g yi s i n t r o d u c e d , i n c l u d i n gm e a s u r e m e n t s t a n d a r d , o r i f i c ef l o w m e t e r , t u r b i n e f l o wm e t e r , u l t r a s o n i c f l o wm e t e r a s w e l l a s o t h e r n o v e l f l o wm e t e r s . I nv i e wo f t h ed e v e l o p m e n t o f g a s i n d u s t r yi nc h i - n a , t h e t r e n do f g a s f l o wm e t e r i n g t e c h n o l o g y i s p r e d i c t e d . K e yWo r d sn a t u r a l g a s ; f l o wm e t e r i n g ; m e a s u r e m e n t s t a n d a r d ;f l o wm e t e r 发展天然气计量技术的意义 自上世纪9 0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2 1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 2 9 3 . 1 5 K 2 0 ℃ ,压力1 0 1 . 3 2 5 k P a 时的状态为天然气计量标准状态 [ 1 ] 。从2 0世纪7 0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S Y / T6 1 4 3 - 2 0 0 4天然气流量的标准孔板计 量方法以及G B / T1 1 0 6 2 - 1 9 9 8 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 2 0 T E C H N O L O G YS U P E R V I S I O NI NP E T R O L E U MI N D U S T R Y 石油工业技术监督2 0 0 6年3月 计量技术 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S Y / T 6 1 4 3 - 2 0 0 4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[ 2 ], 为了保证计量系统按统一 的技术要求进行全面质量管理, 保证天然气计量的准确度,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。 1 9 7 8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N O V A 所采用的容积式流量 标准主要有 A G AN O 2容积式流量 计D i s p l a c e m e n t M e t e r i n g 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; A G A N O 3 / A N S I / A P I 25 3 0天然气孔板流量计O r i f i c M e t e r i n go f N a t u r a l g a s 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; A G AN O 5燃气的能量 测量 F u e l g a s E n e r g yM e t e r i n g 标准提供将气体质量单位换算成 能量单位的方法, 是A G AN O 3和 其它体积或质量测量的补充; A G AN O 7涡轮流量计 测量 燃 气 M e a s u r e m e n t o f F u e l G a s b y T u r b i n e M e t e r s标准提供 轴向涡轮流量计测量的操作规 范; A G AN O 9 草案 用多声 道超声波流量计测量气体的流量 M e a s u r m e n t o f G a sb yM u l t i p a t h U l t r a s o n i cM e t e r s标准规定了超 声波气体流量计的使用方法[ 3 ]。 2 欧共体天然气计量相关标 准的情况 欧洲标准委员会 C E N 于 1 9 9 8年发布一项天然气计量站基 本技术要求的标准[ 4 ]E N 1 7 7 6G a s S u p p l ys y s t e m s - N a t u r a l G a sm e a - s u r i n gS t a t i o n s - F u n c t i o n a l r e q u i r e - m e n t 。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。E N 1 7 7 6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5 0 0m 3 / h 标准状态 , 工作压力不小于1 b a r 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C E N或I S O标准。 另外,制定天然气流量计量 标准的国际化标准组织 I S O 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[ 5 ]。 3 我国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” S Y / T6 1 4 3 - 2 0 0 4 , “天然气发热量、 密度、 相对密度 和沃泊指数的计算方法” G B / T 1 1 0 6 2 - 1 9 9 8 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 须加快我国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 2 1 T E C H N O L O G YS U P E R V I S I O NI NP E T R O L E U MI N D U S T R Y 石油工业技术监督2 0 0 6年3月 计量技术 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 9 5 以上[ 6 ]。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 . 2 5 ;测量范围 宽, 量程比可达1 ∶ 3 0; 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 ∶ 2 0, 甚至可达1 ∶ 1 0 0; 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[ 6 ]。 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I S O发布 I S O / T R1 27 6 5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1 9 9 8年颁布的 A G AN O 9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。1 9 9 9 年5月A G A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WT O, 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WT O ,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 1 9 9 6年投产了南海涯1 3 - l气田, 该气田9 0 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I S O 51 6 7 2 2 T E C H N O L O G YS U P E R V I S I O NI NP E T R O L E U MI N D U S T R Y 石油工业技术监督2 0 0 6年3月 计量技术 简讯 中俄原油管道建设进入论证阶段 中国石油天然气集团公司3月2 1日分别与 俄罗斯天然气工业股份公司、 俄罗斯石油公司和 俄罗斯管道运输公司签署了俄罗斯对中国天然 气供应谅解备忘录、 中俄双方能源企业成立合资 公司及启动俄对中铺设原油管道问题的三份合 作协议。 中国石油天然气集团公司与俄罗斯管道运 输公司签署关于开展到中国原油管道支线的会 谈纪要表明,在俄罗斯政府正式批准东西伯利 亚-太平洋原油管道一期工程后,双方将启动到 中国原油管道支线的投资论证工作, 以保证俄罗 斯东西伯利亚-太平洋原油管道一期工程和到中 国的原油管道支线, 以及中国境内段的原油管道 同期完工。 张箫铃摘自新浪网 和A G AN O 8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,由化验室的气相色谱 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 S C A D A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 计在测量系统中会更多地采用内 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现,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, 原级标准是一种固定装置,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。 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,2 0 0 1 . [ 2 ]埃德加鲍尔斯. 2 1世纪的天然气流 量计量[ J ] .熊光德译.天然气与石 油,2 0 0 0 , 1 8 1 6 06 4 . [ 3 ]A G AN O 9 .M e a s u r e m e n t o f G a s b y M u l t i p a t hu l t r a n s o n i c M e t e r s [ S ] . [ 4 ] E N 1 7 7 6 . G a s s u p p l y s y s t e m s - N a t u r a l g a sm e a s u r i n g S t a t i o n-F u n c t i o n a l r e q u i r e m e n t s[ S ] . [ 5 ] I S O / T R1 2 7 6 5 . M e a s u r e m e n t o f F l u i d F l o wi nc l o s e dc o n d u i t s - M e t h o d s u s - i n g T r a n s i t T i m eu l t r a s o n i cF l o wm e - t e r [ S ] . [ 6 ]袁平凡,何 敏,梁险峰,等.天然气流量 计量新的进展与发展趋势[ O L ] . h t t p / / w w w / c h i n a f l o w . c o m . c n,2 0 0 2- 0 6- 0 3 . [ 7 ]陈赓良.天然气的能量计量及其标准 化[ J ] .石油工业技术监督,2 0 0 1 , 1 7 5 17 . 2 3 T E C H N O L O G YS U P E R V I S I O NI NP E T R O L E U MI N D U S T R Y 石油工业技术监督2 0 0 6年3月 计量技术 本文编辑方志荣 收稿日期 2 0 0 5 - 0 8 - 3 1 宋艾玲, 女, 工程师。 生于1 9 7 3年。1 9 9 5 年毕业于西南石油学院。现为西南石 油学院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。 作 者 简 介