天然氣流量計量現(xiàn)狀與發(fā)展

自上世紀(jì)90年代以來，我國的天然氣工業(yè)得到了迅猛發(fā)展。隨著油氣田改制的完成和經(jīng)營理念的轉(zhuǎn)變．天然氣生產(chǎn)和輸送部門之間那種傳統(tǒng)的管理調(diào)度關(guān)系發(fā)生了根本變革．雙方之間逐步建立了追求各自大商業(yè)利益的供求關(guān)系。這種變革使人們對商品天然氣計量技術(shù)的研究和發(fā)展更加重視。天然氣流量計量已經(jīng)成為天然氣工業(yè)發(fā)展的重要制約因素，是企業(yè)進(jìn)行貿(mào)易交接、經(jīng)濟(jì)分析和降低運(yùn)行成本的主要因素，直接影響到企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和用戶利益。

因此，對天然氣進(jìn)行精確、實時、經(jīng)濟(jì)地計量變得更加重要。這主要體現(xiàn)在：

（1）精確計量。能保證在輸氣監(jiān)測站上進(jìn)行公平公正的交易，有效地管理天然氣的供給和消費，控制天然氣的庫存量。大限度地降低輸差，避免輸氣監(jiān)測的爭端，提高服務(wù)質(zhì)量。
（2）實時計量。有助于輸氣公司優(yōu)化管線的運(yùn)營，大限度地提高系統(tǒng)的生產(chǎn)能力。對市場變化作出快速反應(yīng)。
（3）經(jīng)濟(jì)計量。符合效益DA化的經(jīng)營理念的要求。天然氣計量系統(tǒng)的投資和運(yùn)行維護(hù)費用決定了天然氣計量的成本。采用先進(jìn)的計量技術(shù)是降低天然氣計量成本的重要途徑。

我國三大石油公司都制定了面向21世紀(jì)的天然氣發(fā)展戰(zhàn)略。隨著天然氣市場和業(yè)務(wù)的拓展，各公司之間的競爭將日益加劇，這種局面目前已經(jīng)在山東、湖北等天然氣新興市場出現(xiàn)。很顯然，快速、經(jīng)濟(jì)地獲取、處理和分析天然氣計量信息將有效地降低輸氣公司的成本，提高服務(wù)質(zhì)量，從而在市場競爭中獲得更大的*。因此，對天然氣計量技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行預(yù)測和研究具有非常重要的現(xiàn)實意義。

天然氣流計量技術(shù)現(xiàn)狀

我國天然氣計量起步較晚，氣藏主要分布在四川、長慶、新疆。多年來我國天然氣流量計量一直以體積流量為結(jié)算依據(jù)，國家石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已明確規(guī)定以溫度293.15K（20℃），壓力101.325kPa時的狀態(tài)為天然氣計量標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。從20世紀(jì)70年代以來，我國參照國外系列標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合自己的實際情況。進(jìn)行了新型計量儀表的研制，提高了儀表的測量精度、可靠性，并且在天然氣儀表的選型、使用、安裝、維護(hù)、管理、氣質(zhì)分析等方面作了相應(yīng)的工作。得出一些較重要的結(jié)論。同時對現(xiàn)場阻力件、復(fù)雜工況的影響，摸索出了一些成熟的經(jīng)驗。制定了SY/T 6143-2004《天然氣流量的標(biāo)準(zhǔn)孔板計量方法》以及GB/T 11062-1998《天然氣發(fā)熱量、密度、相對密度和沃泊指數(shù)的計算方法》等一系列天然氣計量標(biāo)準(zhǔn)。盡管如此，我國天然氣計量總體水平與同際先進(jìn)水平間仍然存在顯著差距?？傮w上講，設(shè)計、安裝不符合SY/T 6143-2004標(biāo)準(zhǔn)；計量儀表合格率低；儀表缺少通用性、互換性好的智能型二次儀表；計量系統(tǒng)在線檢定溯源性差。

1 計量標(biāo)準(zhǔn)

天然氣計量實際上是天然氣流量的測量，是在天然氣流動過程中間接測量的，測量的準(zhǔn)確度取決于整套測量系統(tǒng)的合理設(shè)計、建設(shè)、操作和維護(hù)等全過程的質(zhì)量。為了保證計量系統(tǒng)按統(tǒng)一的技術(shù)要求進(jìn)行全面質(zhì)量管理，保證天然氣汁量的準(zhǔn)確度，制定科學(xué)合理的天然氣計量標(biāo)準(zhǔn)是非常必要的。

在天然氣計量的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，流量計量標(biāo)準(zhǔn)是主要的。另外它還應(yīng)包括天然氣密度、組成、發(fā)熱量、壓縮因子等相關(guān)參數(shù)的測量和計算標(biāo)準(zhǔn)，還有儀器儀表、設(shè)計及安全等標(biāo)準(zhǔn)。天然氣計量涉及到設(shè)計、建設(shè)、投產(chǎn)、操作、維修、檢驗、檢定以及安全環(huán)保等各個方面。因此，其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)是很廣泛的。

（1）北美天然氣計量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的情況

美國石油工業(yè)發(fā)達(dá)，天然氣計量技術(shù)先進(jìn)．有嚴(yán)格完善的法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的計量設(shè)備。

1978年美國通過了天然氣法，統(tǒng)一各州和聯(lián)邦政府之間的天然氣價格，規(guī)定了以每立方英尺實際的能量含量作為天然氣買賣的基礎(chǔ)，改變了天然氣傳統(tǒng)的計量方式。這種新的計量方式是結(jié)合天然氣的質(zhì)量測量和發(fā)熱量測量兩種獨立的測量系統(tǒng)而產(chǎn)生一個新的天然氣能量測量系統(tǒng)。

美國和加拿大的主要輸氣公司（NOVA）所采用的容積式流量標(biāo)準(zhǔn)主要有：

——AGA NO2容積式流量計（Displacement Metering）標(biāo)準(zhǔn)為大容量氣體體積測量的模式容積式流量計的使用方法：

——AGA NO3/ANSI/API 2530天然氣孔板流量計（Orific Metering of Natural gas）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了用孔板流量計測量天然氣，烴類和其它氣體的方法：

——AGA NO5燃?xì)獾哪芰繙y量（Fuel gas Energy Metering）標(biāo)準(zhǔn)提供將氣體質(zhì)量單位換算成能量單位的方法．是AGA NO3和其它體積或質(zhì)量測量的補(bǔ)充：

——AGA NO7渦輪流量計測量燃?xì)猓∕easurement of Fuel Gas by Turbine Meters）標(biāo)準(zhǔn)提供軸向渦輪流量計測量的操作規(guī)范：

——AGA NO9（草案）用多聲道超聲波流量計測量氣體的流量（Measurment of Gas by Multipath Ultrasonic Meters）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了超聲波氣體流量計的使用方法。

（2）歐共體天然氣計量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的情況

歐洲標(biāo)準(zhǔn)委員會（CEN）于1998年發(fā)布一項天然氣計量站基本技術(shù)要求的標(biāo)準(zhǔn)NEN1776（Gas Supply systems-Natural Gas measuring Stations-Functional requirement）。標(biāo)準(zhǔn)反映了歐共體天然氣計量系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)要求的XIN情況．它包括的引用標(biāo)準(zhǔn)比較全面地給出歐共體天然氣計量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的概況。EN1776主要包括天然氣輸氣計量站的設(shè)計、建設(shè)、投用、操作和維修方面的基本要求。計量站的容量為流量大于500m3/h（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)），工作壓力不小于1bar（表壓）。標(biāo)準(zhǔn)包括以能量單位結(jié)算的內(nèi)容，它提供發(fā)熱量的測量方法。由于計量站由多種設(shè)備組成，標(biāo)準(zhǔn)假設(shè)每一種設(shè)備要滿足CEN或ISO標(biāo)準(zhǔn)。

另外，制定天然氣流量計量標(biāo)準(zhǔn)的化標(biāo)準(zhǔn)組織（ISO）技術(shù)委員會也制定了一系列有關(guān)天然氣計量的標(biāo)準(zhǔn)和建議。

（3）我同天然氣計量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的情況

我國尚未形成天然氣計量的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)目前在天然氣計量中采用“天然氣流量的標(biāo)準(zhǔn)孔板計量方法”（SY/T 6143-2004），“天然氣發(fā)熱量、密度、相對密度和沃泊指數(shù)的計算方法”（GB/T 11062-1998）等計量標(biāo)準(zhǔn)。但這些標(biāo)準(zhǔn)尚沒有覆蓋天然氣計量的各個方面，特別是在天然氣貿(mào)易計量中缺乏天然氣計量系統(tǒng)統(tǒng)一的、系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。為了適應(yīng)我國天然氣日益化的需要，必須加快我同天然氣計量標(biāo)準(zhǔn)的接軌。

2 計量儀表

（1）孔板流量計

——原理。是以流量守恒定律和流動連續(xù)性方程為基礎(chǔ)．當(dāng)氣體流經(jīng)節(jié)流裝置時。流束在孔板處形成局部收縮。從而使流速增加，靜壓力降低，在孔板前后產(chǎn)生靜壓力差（差壓），氣流的流速越大，孔板前后產(chǎn)生的差壓也越大。從而可通過測量孔板前后差壓來計量天然氣流量。

——優(yōu)點。適用于較大口徑管道的計量；結(jié)構(gòu)簡單。安裝容易：無可動部件，性能可靠，耐用；應(yīng)用歷史悠久，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定QUAN；按標(biāo)準(zhǔn)制造的孔板不需要標(biāo)定；價格便宜。

——缺點。壓損大時不適宜長輸管線計量；量程比??；前后直管段要求長，占地面積大；輸出信號為模擬信號，重復(fù)性不高；對整套流量計的精度影響因素多且錯綜復(fù)雜，很難提高測量精度。

據(jù)調(diào)查，石油天然氣行業(yè)采用孔板流量計作貿(mào)易計量的約占95%以上。盡管孔板流量計計量已經(jīng)是一項成熟的技術(shù)，但對于如何確定和減少天然氣計量誤差仍然需要進(jìn)行革新和改進(jìn)。在實際生產(chǎn)中通常采用流量調(diào)節(jié)器來減少孔板上游管線安裝質(zhì)量對計量精度的影響。XIN研究結(jié)果表明，不同類型的流量調(diào)節(jié)器對計量精度的影響也不同。目前，已經(jīng)開始將數(shù)據(jù)采集、儲存和監(jiān)控系統(tǒng)引入孔板流量計計量中。該系統(tǒng)可以通過對壓力、溫度等參數(shù)的監(jiān)測實現(xiàn)對流量進(jìn)行時時修正，從而大大提高了孔板的計量精度。

（2）渦輪流量計

——原理。利用氣體推動流量計轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。通過測轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動次數(shù)來計量氣體流量。

——優(yōu)點。測量精度高，一般渦輪不確定度為0.5%~1.0%。精選渦輪可達(dá)到0.25%；測量范圍寬，量程比可達(dá)1：30；輸出為脈沖頻率信號，便于和計算機(jī)配套：結(jié)構(gòu)緊湊輕巧、安裝維護(hù)方便。

——缺點。有可動部件，易于損壞：抗臟污能力差．對介質(zhì)的干凈程度要求高。

與孔板流量計一樣，渦輪流量計也是一項比較成熟的技術(shù)。其技術(shù)發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個方面：通過改變轉(zhuǎn)子的幾何形狀擴(kuò)大流量計的使用流量范圍：改善旋轉(zhuǎn)部件的耐磨性。以增加其使用壽命；通過機(jī)載微處理器等電子元件隨時監(jiān)測流量計的使用情況。

（3）超聲波流量計

——原理。超聲波流量計由超聲波轉(zhuǎn)換器將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量，以一定的方式發(fā)射并穿過被測流體，接收器接收到超聲波信號，供顯示積算儀顯示和積算，實現(xiàn)流量的檢測顯示。

——優(yōu)點。工作原理簡單，有望成為基準(zhǔn)流量計；測量精度高，可達(dá)0.5% ：量程比大，一般為1：20，甚至可達(dá)1：100；能實現(xiàn)雙向流量計量；可精確測量脈動流；適應(yīng)性強(qiáng)，占地少；無可動部件，堅固耐用?？芍苯舆M(jìn)行清管作業(yè)；不受壓力、溫度、相對分子質(zhì)量、氣體組分變化的影響。

——缺點。價格昂貴，只適合于大、中口徑：對上下游直管段長度等有要求。

超聲波流量計是繼孔板流量計。渦輪流量計之后第三類適用于高壓、大口徑、高精度的天然氣流量計。在美國等發(fā)達(dá)國家得到廣泛應(yīng)用。國內(nèi)*在大口徑輸氣管道使用超聲波流量計是在西氣東輸管道的天然氣貿(mào)易交接中。標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO發(fā)布ISO/TR 12 765《用時間傳播法超聲流量計測量封閉管道內(nèi)的流體流量》以及美國1998年頒布的AGA NO9《用多聲道超聲流量計測量天然氣流量》是上用于超聲波氣體流量計的主要參考性標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)。目前，我國計量部門批準(zhǔn)了超聲流量計作為流量計量器具，國家標(biāo)準(zhǔn)《用氣體超聲流量計測量天然氣流量》已審查通過，為使用氣體超聲流量計提供了依據(jù)。隨著天然氣在我國能源體系中地位的日趨重要和以西氣東輸為代表的輸氣管道的增加，超聲波流量計以其非接觸式測量的*優(yōu)點必將獲得更廣泛的應(yīng)用。

（4）其它新型流量計量技術(shù)

互補(bǔ)式氣體流量計作為一種可替換的計量技術(shù)已逐步引起了人們的注意。這種流量計在液體流量測定方面已經(jīng)用了很長時間，而且用得十分成功，但在輸氣管線的流量測定方面的使用經(jīng)驗還甚少。這種流量計的基本構(gòu)型有兩種，即直管式和曲管式，主要適用于高壓、低容量的輸氣管場合，目前尚處于實驗階段。在輸氣管線中的實際應(yīng)用并不多。1999年5月AGA輸氣計量委員會已決定開始制定一個互補(bǔ)式氣體流量計計量工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

還有幾項可供選擇的氣體流量測定技術(shù)也正處在不同的開發(fā)階段如使用激光技術(shù)的光測法等，在這里不再詳細(xì)論述。

天然氣流量計量技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著中國加入WTO，外資企業(yè)不斷進(jìn)人我國天然氣市場以及引進(jìn)國外天然氣的可能性，天然氣計量與接軌已經(jīng)成為一種必然趨勢。

綜合分析表明，天然氣計量技術(shù)的發(fā)展將體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）計量方式由體積計量向能量方式轉(zhuǎn)變

天然氣的能量計量是在體積測量的基礎(chǔ)上，再配備天然氣發(fā)熱量的測量裝置。在天然氣貿(mào)易計量中，以能量的方式進(jìn)行結(jié)算是公平的方法。隨著社會主義市場經(jīng)濟(jì)的完善和我國加人WTO，在我國天然氣貿(mào)易計量中實行能量計量勢在必行。

我國已有一些天然氣計量站配備天然氣在線分析系統(tǒng)，它可提供天然氣組成和發(fā)熱量的數(shù)據(jù)，如中國海洋石油總公司于1996年投產(chǎn)了南海涯13-1氣田，該氣田90%的商品天然氣經(jīng)跨底管道輸送香港，用作中華電力公司的燃料，此天然氣按IS05 167和AGA NO8報告進(jìn)行流量計算，采用自動取樣器定時定量取得天然氣氣樣，南化驗室的氣相色譜儀分析天然氣組成，氣相色譜儀每次使用前用標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行校準(zhǔn)，后以能量計量方式進(jìn)行天然氣的計量交接。

（2）計量技術(shù)的自動化、智能化和遠(yuǎn)程化

對于整個天然氣計量系統(tǒng)。流量計只是提供氣體測量數(shù)據(jù)系統(tǒng)的一部分，除此之外，還有能提供補(bǔ)充測量數(shù)據(jù)的輔助儀表系統(tǒng)（如壓力傳感器、溫度傳感器、氣體密度計、氣相色譜儀等），以及能按標(biāo)準(zhǔn)程序記錄、儲存和傳輸測量數(shù)據(jù)的計算數(shù)據(jù)收集和傳輸系統(tǒng)，甚至計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。

隨著電子技術(shù)、計算機(jī)及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，天然氣計量已逐步向在線、實時、智能、實流檢定發(fā)展，同時依靠網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)遠(yuǎn)程化通訊、控制和管理，如SCADA系統(tǒng)的應(yīng)用和智能渦輪流量計系統(tǒng)。為了提高測量精度，加快測量數(shù)據(jù)的傳遞發(fā)送，擴(kuò)大測量設(shè)備的自我診斷的能力，預(yù)計在測量系統(tǒng)巾會更多地采用內(nèi)置式微處理機(jī)。

（3）檢定方式、量值溯源從靜態(tài)單參數(shù)向動態(tài)多參數(shù)溯源發(fā)展

過去流量計檢定方式通常采用檢定靜態(tài)單參數(shù)方法， 由于流量參數(shù)的動態(tài)性質(zhì)。儀表準(zhǔn)確度存在較大問題之一是計量溯源性。至今上還沒有*的流量量值的實物標(biāo)準(zhǔn)，流量量值的統(tǒng)一采用裝置比對實。其原級標(biāo)準(zhǔn)是一座流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，在裝置上把各基本量（長度、質(zhì)量、時間及溫度）綜合為導(dǎo)出量—流量。然后把流量量值傳遞給一臺或一組流量計，稱為傳遞標(biāo)準(zhǔn)（流量量值的載體）。借助傳遞標(biāo)準(zhǔn)把量值傳遞到工作儀表。由此可見，原級標(biāo)準(zhǔn)是一種同定裝置，其特點與流量計有較大差別，無法實際反映流量參數(shù)的動態(tài)性質(zhì)。隨著國內(nèi)外實流檢定技術(shù)的成熟．天然氣流量量值溯源正逐步向?qū)嵙鳈z定方向發(fā)展，即以實際天然氣介質(zhì)、在接近實際現(xiàn)場工況等條件下對流的分參數(shù)如壓力、溫度、氣質(zhì)組分和流量總量進(jìn)行動態(tài)量值溯源。