天然气长输管道计量系统设计.pdf

第 2 3 卷第 1 期 2 0 1 6 年 1 月 仪器仪表用户 NS TR UM E N1 I ON E I C Vo 1 ． 2 3 2 0 l 6 No ． 1 天然气长输管道计量系统设计 刘朋 中石化石 油工程设计有 限公司 ，山东 东营 2 5 7 0 2 6 摘要 计量系统是天然气长输管道中的重要组成部分，介绍了长输管道计量系统中常用流量计特点 ， 给出了计量 系统仪表选型及设计的一般过程 ，详细说明了精度考虑 、口径考虑、流速计算及回路配置等问题的设计原则及计算 方法。给出了以气体超声流量计、在线气体色谱分析仪 、流量计算机等构建的体积流量和能量流量的计量系统的典 型配置 。 关键词长输管道；计量系统；超声波流量计；典型配置 中图分类号T E 9 7 8 T P 2 1 1 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 1 - 1 0 4 1 2 0 1 6 0 1 0 0 1 2 - 0 3 De s i g n o f M e t e r i n g Sy s t e m i n Lo n g Di s t a n c e Na t u r a l Ga s Tr a ns p o r t a t i o n Pi pe l i ne Li uPe n g S i n o p e c P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n ， S h a n d o n g D o n g y i n g ， 2 5 7 0 2 6 ， C h i n a Abs t r a c t F l o w me a s u r e me n t s y s t e m i s a n i mp o r t a n t c o mp o n e n t i n l o n g d i s t a n c e n a t u r a l g a s t r a n s p o r t a t i o n p i p e ； fl o wme t e r s u s u a l l y u s e d i n g a s me t e r i n g a r e i n t r o d u c e d a n d c o mp a r e d i n t h i s p a p e r ． Me t e r s e l e c t i o n a n d g e n e r al d e s i g n p r o c e d u r e a r e a l s o g i v e n o u t i n c l u d i n g a c c u r a c y c o n s i d e r a t i o n ， d i a me t e r c o n s i d e r a t i o n ， v e l o c i t y c a l c u l a t i o n ， l o o p c o n f i g r a t i o n ， e t c ． A t y p i c a l me t e r i n g s y s t e m b a s e d o n u l t r a s o n i c me t e r ， o n l i n e c h r o ma t o g r a p h i c a n a l y z e r ， fl o w c o mp u t e r i s c o n s t r u c t e d ． Ke y wor ds l o n g - d i s t a n c e t r a n s p o r t a t i o n p i p e ； me t e r i n g s y s t e m； u h r a s o n i c fl o wme t e r ； t y p i c a l c o n f i g u r a t i o n 0 概述 随着国内普光气田、大湾气田等大型气 田的开发 ，西 气东输、陕京线、川气东送、榆济管道等大型管道纷纷建 成 ，各省地方管网等发展迅猛，新疆煤制气输气管道 、中 俄输气管道等超大型输气管道也均在不断推进中。天然气 能源的使用在我国呈现出强劲的增长势头。 近些年煤制气、 页岩气也得到快速发展， 也将推动天然气长输管道的建设。 在天然气长输管线中，计量系统关系着管线上、中、下游 各方的经济利益 ， 天然气生产、 输送、 交易和使用的过程中， 首先需要解决的一个问题就是计量， 长输管线本身的特点， 又对计量系统提出了特定的要求。在工程设计中，如何构 建一个精准、可靠、易于维护的计量系统是一个十分重要 和有意义的课题 【 lJ 。 1 天然气长输管道流量仪表选型 2 ． 1常用天然气计量仪表简介及比较 目前国内用于天然气计量的仪表种类繁多，主要有孔 板、涡轮、腰轮、匀速管、涡街 、超声波流量计等。各类 仪表性能不一，适用场合上存在差异。其 中孔板 、涡轮、 超声波流量计是最常用的天然气计量仪表。下面对孔板流 量计和涡轮流量计做简要介绍， 并详细介绍超声流量计 [ 2 1 。 1 ． 1 ． 1孔板 流量计 孔板流量计是一种差压式流量计，通过测量孔板前后 差压来计量天然气流量。孔板的计量精度理论上可以达到 1 ％，但 由于对整套流量计的精度影响因素多且错综复杂， 现场精度最高能达到 2 ％，一般情况下在 3 ％左右。孔板流 量计是规范最全，使用最早，数量最多的一种流量计。其 优点是结构简单牢固、性能稳定可靠、按标准制造的孔板 不需要标定 、价格低廉等。同时其缺点同样十分明显 压 损大、精度低 、量程比小、所需直管段长等。 1 ． 1 ． 2涡轮 流量计 气体涡轮流量计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。它具备完备的规范，性能 优良，其特点是测量精度高，精确度可以为0 ． 5 ％一 1 ． O ％； 测量范围宽，量程比可达1 3 0 ；输出为脉冲频率信号 ，无 零点漂移、抗干扰能力强；结构紧凑轻巧、安装维护方便。 但与此同时由于涡轮本身结构的特点，也带来 了缺点 有 可动部件 ，易于损坏 ；要求气体洁净度较高，颗粒杂质容 易损坏涡轮。 收稿 日期 2 0 1 5 1 1 0 4 作者简介刘朋 1 9 8 4 一 ，男，山东邹城人，工学硕士，工程师，研究方向工业自动化系统设计。 第1 期 刘朋 天然气长输管道计量系统设计 1 ． 1 ． 3超 声波流量计 气体超声流量计是 2 0世纪 9 0年代中后期被广泛采用 的高精度的流量测量仪表，它已成为继孔板、涡轮之后最 有发展前途的一种高精度气体流量仪表。目前天然气计量 领域使用的超声波流量计均是基于时差法原理 [3 ] 。 根据声道的数量，超声波流量计可分为单声道和多声 道两种。在天然气站场中，由于流量计上下游阻力件 如 阀门、汇管、分离器等 的存在，对气体的流动状态产生 影响，可能导致涡流等情况，造成速度分布的畸变 。单 声道的测量结果就不能精确地反映管道中的气体的轴向流 速，测量精度较低。多声道对管道内流速的分布进行 了更 为全面的测量，在很大程度上消除了涡流等干扰因素对测 量结果的影响，测量精度大大提高。为保证测量精度，天 然气长输管线中应用的超声波流量计要求具有不少于 4声 道 的配置。 多声道超声波流量计的优点是准确度等级优于 0 ． 5 ％， 量程 比最高可达 1 3 0 0 ，无压损 ， 坚固耐用、维护量少，适 合于中、 大口径应用等； 缺点是 价位高、 对噪声比较敏感 ， 管道、阀、节流元件布置等都会在一定程度上影响超声波 测量精度。但通过合理的设计措施可以将噪声、元件布置 等影响降低到最小程度。超声波流量计已成为天然气长输 管道工程中大口径计量系统设计首选。 1 ． 1 ． 4性能比较 表 1 列出了孔板、涡轮、超声波流量计的各项性能， 通过表 1 可以看出，涡轮、超声波流量计 的性能远高于孔 板流量计，而超声波流量计又优于涡轮流量计 ，尤其是适 合中大 口径应用场合。 表 1 孔板、涡轮、超声波流量计性能比较 T a b l e 1 P e rfo r ma n c e c o mp a r i s o n b e t we e n o r i fic e p l a t e ， t u r b ine a n d u l t r a s o n i c fl o wme t e r 1 ． 2天然气长输管道流量仪表选型 天然气长输管线具有设计压力高、 距离长， 管线 口径、 流量大，沿线站场、阀室多等特点，多数站场均需设置计 量系统。如在长输管道中设置大量孔板，会因孔板产生大 量压损，造成下游管道需增加压缩机进行增压；同时孔板 本身精度低 ，不适合作为交接计量使用，目前新建管道中 只用于临时投产或生产计量场合。而超声波流量计由于其 自身的优越性，广泛应用于 D N 8 0及以上管道。D N 8 0口径 以下 ，由于管道 口径小，导致基于时差法的超声波流量计 测量精度降低，而涡轮在 D N 8 0孔径下精度更高，且更具 价格优势，D N 8 0以下管道计量选用涡轮。 2 天然气长输管道流量计量系统设计 一 套计量系统通常采用一用一备或多用一备的配置方 式。考虑到占地面积、经济性及维护工作量，计量回路尽量 采用一用一备的配置；当气量特别大时，采用多用一备的配 置方式。如各站场分输支路的一般采用一用一备配置方式， 整条管线的气源下载点通常采用多用一备的配置方式。 2 ． 1计量 系统设计 2 ． 1 ． 1综合考虑 长输管线天然气计量系统的体积计量准确度一般要 求为 0 ． 5 ％，但无论是超声波流量计还是涡轮流量计 ，都 存在一个分界流量 的问题 ，当流量值小于分界流量时， 流量计的计量准确度降低 ，不能保证全流量范围的测量 精度均为 0 ． 5级 ，此时需考虑进行分段计量。中大 口径、 大流量时选用超声波流量计，如出现小流量值小于超声 波流量计的分界流量的情况，则考虑用一路小 口径的涡 轮或超声流量计计量该小流量 ，使全流量范围测量准确 度都能达到 0 ． 5级。 流量计 的分界流量定义为仪表最大流量的 1 0 ％，在 设计计算时通常将工艺给定 的流量上限作为仪表最大流 量。如果工艺最小流量小于最大流量的 1 0 ％，则认为不 能保证全量程内的精度均为 0 ． 5级，需设置一路小 口径流 量计。就 目前天然气计量发展趋势来看，用气量高低峰 差距一般不会特别大，设置小流量计量 回路的方式越来 越少。实际上 ，如仅是短期小流量或小流量与分界流量 的值相差不大，从经济、占地 面积等方面考虑设置小流 量计量也无必要。 2 ． 1 ． 2 口径考虑 天然气长输管线的口径一般较大，如川气东送干线管 道 口径为 中1 0 1 6 ，虽然超声波流量计可以做到该 口径，但 目前国内流量计标定口径在 D N 4 0 0 及以下，为方便用户定 期对流量计的标定 ，工程设计中，选取流量计的最大口径为 D N 4 0 0 ；, 另一方面， D N 8 0以下管径目前无可用超声波流量计 ， 因此超声波流量计的口径通常选取在 D N 8 0 ～ D N 4 0 0之间，即 DN8 0 、 DN1 0 0 DN1 5 0 DN2 0 0、 DN2 5 0 、 DN3 0 0 DN4 0 0 7种选择 。 2 ． 1 ． 3 I ／ 径 计算 超声波流量计的口径计算通常采用限定流速法 ，该法 的核心是限定天然气的最大流量下的最高允许流速和最小