董合林 王 飛 楊 暉

(中海油福建漳州天然氣有限責(zé)任公司，福建 漳州 363122)

超聲波天然氣計量系統(tǒng)的選型

董合林 王 飛 楊 暉

(中海油福建漳州天然氣有限責(zé)任公司，福建 漳州 363122)

介紹天然氣計量系統(tǒng)的組成，闡述系統(tǒng)的流量計選型、成橇與否的一般性原則。對我國計量站的校驗(yàn)?zāi)芰统暡髁坑嫷目趶竭x擇現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)查。分析超聲波流量計的流速選取和應(yīng)用計量性能，并對計量橇的設(shè)計規(guī)模給出了建議。

天然氣計量系統(tǒng) 計量橇 超聲波流量計 最大流速

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，天然氣作為一種清潔能源，其應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大。無論是自產(chǎn)天然氣、陸上引進(jìn)管輸氣還是海上進(jìn)口LNG，最終都要通過天然氣管網(wǎng)到達(dá)終端用戶。在大宗貿(mào)易中，要確保天然氣計量精度，實(shí)現(xiàn)公平貿(mào)易和合理投資；同時，不同的國家、地區(qū)，由于歷史原因，天然氣流量儀表的選型各有不同，因此設(shè)計一個合理的天然氣計量系統(tǒng)是極其重要的。

1 天然氣計量系統(tǒng)的構(gòu)成①

通常，天然氣計量系統(tǒng)主要由計量儀表、工藝系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。

計量儀表主要由流量計、配套流量計算機(jī)、溫度變送器、壓力(差壓)變送器及組分分析儀表等組成。組分分析儀表主要指在線或離線色譜分析儀，同時在線水露點(diǎn)測量儀和在線硫化氫測量儀也用于天然氣氣質(zhì)監(jiān)測，但是目前該檢測項(xiàng)不參與流量計算。

工藝系統(tǒng)主要由前后匯氣管和幾條并聯(lián)的流量計測量管路組成。每條流量計測量管路由前后截斷閥，流量計前后直管段及流動調(diào)整器等組成。除流量計算機(jī)、在線色譜分析儀、在線水露點(diǎn)測量儀和在線硫化氫測量儀外，計量儀表均安裝在工藝系統(tǒng)上。另外，工藝系統(tǒng)還包括入口壓力平衡閥、放空閥管路及前后匯氣管上安裝的排污閥等。

控制系統(tǒng)主要完成計量系統(tǒng)上的自動閥門控制、流程切換、數(shù)據(jù)采集及計算處理等功能。計量系統(tǒng)通常不單獨(dú)配置控制系統(tǒng)，而是使用站控系統(tǒng)；利用流量計配套的流量計算機(jī)對流量、溫度、壓力和組分信號進(jìn)行采集計算，并將計量數(shù)據(jù)上傳至站控系統(tǒng)。最后，由站控系統(tǒng)將有關(guān)計量數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)和狀態(tài)上傳至控制中心。

2 天然氣計量系統(tǒng)的選型

2.1流量計選型

目前，超聲波流量計、渦輪流量計、標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計、質(zhì)量流量計、旋進(jìn)旋渦流量計及腰輪流量計等在天然氣計量系統(tǒng)中使用居多。

流量計選型時主要考慮儀表性能、流體特性、安裝條件、環(huán)境條件和經(jīng)濟(jì)因素5個方面。儀表性能即流量計的優(yōu)缺點(diǎn)和流量計計量范圍。流體特性主要指操作壓力、流動狀態(tài)、介質(zhì)潔凈程度和物性參數(shù)。安裝條件、環(huán)境條件和經(jīng)濟(jì)因素需要綜合考慮。最終保證所選流量計在正常流量、壓力、溫度操作條件下，性能穩(wěn)定、計量準(zhǔn)確。

當(dāng)在高壓、大流量、大口徑(不小于DN100mm)條件下時，宜優(yōu)先選用超聲波流量計。在流量變化小、脈動流小、中低壓的潔凈天然氣介質(zhì)中宜優(yōu)先選用渦輪流量計，但是渦輪流量計的儀表系數(shù)較低、分辨率低，無法應(yīng)用于低流速、小口徑流量計量等條件，在使用上具有一定的局限性，實(shí)際應(yīng)用較少?？装辶髁坑嫎?biāo)準(zhǔn)化程度高，結(jié)構(gòu)簡單、牢固，可靠耐用、價格低廉，適用于低壓且流量穩(wěn)定的場合，缺點(diǎn)是精度不高、范圍小、安裝條件要求高、壓損大。質(zhì)量流量計指的是科里奧利質(zhì)量流量計，其安裝固定要求較高，兩法蘭間不允許有安裝應(yīng)力，適用于中高壓、中小口徑的場合，尤其在CNG、LNG計量中應(yīng)用較多。旋進(jìn)旋渦流量計適用于中低壓天然氣的流量計量，對于一些計量準(zhǔn)確度要求較低的小型用戶，可選用旋進(jìn)旋渦流量計，特別是在小流量、壓力波動較大的民用天然氣計量中應(yīng)用較多。腰輪流量計適用于中低壓、潔凈天然氣計量，但由于其維護(hù)量大，在天然氣商業(yè)計量中應(yīng)用較少。

2.2系統(tǒng)成橇

成橇就是將除流量計算機(jī)和組分分析儀表以外的系統(tǒng)各種設(shè)備、儀表和管線用管架/管托進(jìn)行支撐并固定在一個整體的鋼結(jié)構(gòu)平臺上，這個整體集成部分稱為計量橇。成橇商負(fù)責(zé)整個計量橇的工藝、儀表、配電及防腐等專業(yè)的安裝施工，并對各個部分進(jìn)行單項(xiàng)性能測試和整個系統(tǒng)的聯(lián)合測試。橇裝設(shè)備運(yùn)抵現(xiàn)場后只需進(jìn)行基座安裝、上下游管道連接，外界信號電纜和配電電纜只需分別連接到橇內(nèi)接線箱、配電箱，即可投入使用。

天然氣計量系統(tǒng)成橇與否主要考慮計量精度要求、工程投資、現(xiàn)場地質(zhì)條件、成橇后的體積和運(yùn)輸條件，如果條件允許則建議優(yōu)先考慮成橇的方式設(shè)計、采購和安裝，充分發(fā)揮設(shè)備供應(yīng)商的技術(shù)能力。

3 超聲波天然氣計量系統(tǒng)的配置

超聲波天然氣計量系統(tǒng)的配置主要考慮3點(diǎn)：設(shè)計負(fù)荷和計量精度要求；我國目前和近期能達(dá)到的校驗(yàn)?zāi)芰?；采購、校?yàn)和運(yùn)維成本。

3.1超聲波流量計口徑的選擇

超聲波流量計口徑選擇除了要考慮設(shè)計負(fù)荷的要求外，還要考慮天然氣貿(mào)易計量量值溯源，即除節(jié)流元件的流量裝置外都需要實(shí)流校準(zhǔn)。目前，我國開展超聲波流量計校驗(yàn)的主要有隸屬國家質(zhì)檢總局和依托中石油、中石化的幾家單位。

中石油或依托中石油的5家單位為國家石油天然氣大流量計量站(大慶)、國家石油天然氣大流量計量站成都分站(華陽)、國家石油天然氣大流量計量站南京分站(龍?zhí)?[1]、長慶油田[2]和北京采育天然氣流量計量檢定站[3]。上述5個單位除南京分站可以滿量程標(biāo)定DN400mm超聲波流量計外，其余站最大標(biāo)定能力為DN300mm；除北京采育檢定站外，其余均配備了最大標(biāo)定能力為DN300mm的移動計量車。另外，中石油已開始建設(shè)烏魯木齊、塔里木和廣州3家分站。

中石化籌建的兩家國家石油天然氣大流量計量站武漢、東營分站已經(jīng)開展工作。其中武漢分站移動校驗(yàn)臺位暫設(shè)在濟(jì)南(齊河)，并配備了移動計量車，最大標(biāo)定能力DN300mm，自2012年10月起，開始實(shí)流檢定DN50～300mm的超聲波流量計和渦輪流量計[4,5]。

隸屬于國家質(zhì)檢總局的國家石油天然氣大流量計量站重慶分站的天然氣實(shí)流標(biāo)定能力為DN50～300mm，但沒有配備移動式校驗(yàn)裝置。內(nèi)蒙古自治區(qū)計量測試研究院自2011年起開始籌建國家石油天然氣大流量計量站。

目前，在已建成和在建的天然氣管道中使用頻率較高的超聲波流量計口徑為DN100mm、DN150mm、DN250mm、DN300mm，而自西氣東輸二線開始我國才開始應(yīng)用DN400mm[6]。因此，為方便校驗(yàn)，建議優(yōu)先選取口徑不大于DN300mm的流量計，為方便成橇后的運(yùn)輸，單橇路數(shù)也不宜過多。

3.2超聲波流量計性能的選取

3.2.1可參考的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)定

GB/T 18604-2014建議使用氣體超聲波流量計測量天然氣流量。流量計的典型測量范圍由氣體的實(shí)際流速確定，被測天然氣的典型流速范圍一般為0.3～30.0m/s。

GB/T 18603-2014規(guī)定，計量站的管道內(nèi)徑應(yīng)依據(jù)最大流速(20.0m/s)進(jìn)行初算。

中國石油天然氣管道工程有限公司擬定的CDP-G-GP-IS-003-2009/B《輸氣管道計量系統(tǒng)設(shè)計規(guī)定》指出，在選擇計量管路和流量計內(nèi)徑時，超聲波流量計按流速20.0m/s進(jìn)行初始計算，口徑圓整后復(fù)核設(shè)計流速宜在20.0～22.0m/s范圍內(nèi)。附錄C中規(guī)定，超聲波流量計的天然氣流速按照22.0m/s計算，天然氣計量系統(tǒng)的設(shè)計能力為其最大能力的75%～85%(最大能力為供貨商提供的流量計的最大量程)。這與中石油西氣東輸工程中規(guī)定的，超聲波計量管流速設(shè)計上限不宜超過25.0m/s是一致的[6]。

3.2.2部分超聲波流量計廠家資料

表1的資料來源于廠家公開樣本和用戶技術(shù)報告，其統(tǒng)計內(nèi)容僅限于用于天然氣計量的、精度不大于±0.5%的產(chǎn)品。綜合考慮標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求和生產(chǎn)廠家的技術(shù)能力與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)工程實(shí)踐中超聲波計量管流速設(shè)計上限不宜超過25.0m/s是合理的。

表1 部分超聲波流量計廠家資料

4 結(jié)束語

為保證計量精度與可靠性，建議天然氣計量系統(tǒng)優(yōu)先考慮整體橇裝設(shè)計，以充分發(fā)揮制造商的技術(shù)能力。計量撬設(shè)計時應(yīng)預(yù)先考慮系統(tǒng)成撬后的運(yùn)輸方便性與在線校驗(yàn)的可行性，單撬一般不超過5路，考慮到校驗(yàn)的方便性，單表口徑不宜超過DN300mm。高壓大流量天然氣計量中，超聲波流量計優(yōu)勢明顯，超聲波計量管流速設(shè)計上限宜控制在25.0m/s以內(nèi)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，超聲波流量計的范圍仍有提高的潛力，應(yīng)用前景將更為廣闊。

[1] 黃和,徐剛,余漢成,等.國內(nèi)外天然氣流量計量檢測技術(shù)現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].天然氣與石油,2009,27(2):42～47.

[2] 孫慧,任曉峰,吳寶祥,等.長慶油田天然氣流量計量實(shí)流校準(zhǔn)、比對系統(tǒng)[J].石油工程建設(shè),2010,36(1):134～136.

[3] 郭亮.北京采育天然氣流量計量檢定站的設(shè)計建立[J].計量技術(shù),2013,(12):55～58.

[4] 王曉剛,張瑛琦,林亮.移動式高壓大流量天然氣實(shí)流檢定裝置設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)計量,2013,(z1):50～53.

[5] 閆文燦,徐明.移動式天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的研制與應(yīng)用[J].油氣儲運(yùn),2014,33(4):418～421.

[6] 徐志強(qiáng),遲彩云,周娟.西氣東輸管道天然氣貿(mào)易交接計量系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[J].石油化工自動化,2008,44(1):30～34.

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1000-3932(2016)12-1340-03

2016-10-26(修改稿)