超聲波天然氣計(jì)量系統(tǒng)的選型
摘 要：介紹天然氣計(jì)量系統(tǒng)的組成，闡述系統(tǒng)的流量計(jì)選型、成橇與否的一般性原則。對(duì)我國(guó)計(jì)量站的校驗(yàn)?zāi)芰统暡髁坑?jì)的口徑選擇現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)查。分析超聲波流量計(jì)的流速選取和應(yīng)用計(jì)量性能，并對(duì)計(jì)量橇的設(shè)計(jì)規(guī)模給出了建議。
超聲波天然氣計(jì)量系統(tǒng)的選型
隨著我國(guó)國(guó)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(wú)論是自產(chǎn)天然氣、陸上引進(jìn)管輸氣還是海上進(jìn)口 LNG，***終都要通過(guò)天然氣管網(wǎng)到達(dá)終端用戶(hù)。在大宗貿(mào)易中，要確保天然氣計(jì)量精度，實(shí)現(xiàn)公平貿(mào)易和合理投資; 同時(shí)，不同的、地區(qū)，由于歷史原因，天然氣流量?jī)x表的選型各有不同，因此設(shè)計(jì)一個(gè)合理的天然氣計(jì)量系統(tǒng)是極其重要的。
超聲波天然氣計(jì)量系統(tǒng)的選型
1、天然氣計(jì)量系統(tǒng)的構(gòu)成：
通常，天然氣計(jì)量系統(tǒng)主要由計(jì)量?jī)x表、工藝系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。計(jì)量?jī)x表主要由流量計(jì)、配套流量計(jì)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(shí)在線水露點(diǎn)測(cè)量?jī)x和在線硫化氫測(cè)量?jī)x也用于天然氣氣質(zhì)監(jiān)測(cè)，但是目前該檢測(cè)項(xiàng)不參與流量計(jì)算。
通常，天然氣計(jì)量系統(tǒng)主要由計(jì)量?jī)x表、工藝系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。計(jì)量?jī)x表主要由流量計(jì)、配套流量計(jì)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(shí)在線水露點(diǎn)測(cè)量?jī)x和在線硫化氫測(cè)量?jī)x也用于天然氣氣質(zhì)監(jiān)測(cè)，但是目前該檢測(cè)項(xiàng)不參與流量計(jì)算。
工藝系統(tǒng)主要由前后匯氣管和幾條并聯(lián)的流量計(jì)測(cè)量管路組成。每條流量計(jì)測(cè)量管路由前后截?cái)嚅y，流量計(jì)前后直管段及流動(dòng)調(diào)整器等組成。除流量計(jì)算機(jī)、在線色譜分析儀、在線水露點(diǎn)測(cè)量?jī)x和在線硫化氫測(cè)量?jī)x外，計(jì)量?jī)x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(jì)量系統(tǒng)上的自動(dòng)閥門(mén)控制、流程切換、數(shù)據(jù)采集及計(jì)算處理等功能。計(jì)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(jì)配套的流量計(jì)算機(jī)對(duì)流量、溫度壓力和組分信號(hào)進(jìn)行采集計(jì)算，并將計(jì)量數(shù)據(jù)上傳至站控系統(tǒng)。***后，由站控系統(tǒng)將有關(guān)計(jì)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(jì)量系統(tǒng)的選型：
2 ． 1、流量計(jì)選型：
目前，超聲波流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)、旋進(jìn)旋渦流量計(jì)及腰輪流量計(jì)等在天然氣計(jì)量系統(tǒng)中使用居多。流量計(jì)選型時(shí)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(gè)方面。儀表性能即流量計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)和流量計(jì)計(jì)量范圍。流體特性主要指操作壓力、流動(dòng)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。***終保證所選流量計(jì)在正常流量、壓力、溫度操作條件下，性能穩(wěn)定、計(jì)量準(zhǔn)確。
當(dāng) 在 高 壓、大 流 量、大 口 徑 ( 不 小 于DN100mm) 條件下時(shí)，宜優(yōu)先選用超聲波流量計(jì)。在流量變化小、脈動(dòng)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(jì)，但是渦輪流量計(jì)的儀表系數(shù)較低、分辨率低，無(wú)法應(yīng)用于低流速、小口徑流量計(jì)量等條件，在使用上具有一定的局限性，實(shí)際應(yīng)用較少。孔板流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化程度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固，可靠耐用、價(jià)格低廉，適用于低壓且流量穩(wěn)定的場(chǎng)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(jì)指的是科里奧利質(zhì)量流量計(jì)，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(chǎng)合，尤其在 CNG、LNG 計(jì)量中應(yīng)用較多。旋進(jìn)旋渦流量計(jì)適用于中低壓天然氣的流量計(jì)量，對(duì)于一些計(jì)量準(zhǔn)確度要求較低的小型用戶(hù)，可選用旋進(jìn)旋渦流量計(jì)，特別是在小流量、壓力波動(dòng)較大的民用天然氣計(jì)量中應(yīng)用較多。腰輪流量計(jì)適用于中低壓、潔凈天然氣計(jì)量，但由于其維護(hù)量大，在天然氣商業(yè)計(jì)量中應(yīng)用較少。
2． 2 系統(tǒng)成橇成橇就是將除流量計(jì)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(gè)整體的鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)上，這個(gè)整體集成部分稱(chēng)為計(jì)量橇。成橇商負(fù)責(zé)整個(gè)計(jì)量橇的工藝、儀表、配電及防腐等專(zhuān)業(yè)的安裝施工，并對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行單項(xiàng)性能測(cè)試和整個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)合測(cè)試。橇裝設(shè)備運(yùn)抵現(xiàn)場(chǎng)后只需進(jìn)行基座安裝、上下游管道連接，外界信號(hào)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(jì)量系統(tǒng)成橇與否主要考慮計(jì)量精度要求、工程投資、現(xiàn)場(chǎng)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(jì)、采購(gòu)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(jì)量系統(tǒng)的配置：
超聲波天然氣計(jì)量系統(tǒng)的配置主要考慮 3點(diǎn): 設(shè)計(jì)負(fù)荷和計(jì)量精度要求; 我國(guó)目前和近期能達(dá)到的校驗(yàn)?zāi)芰? 采購(gòu)、校驗(yàn)和運(yùn)維成本。
3． 1、超聲波流量計(jì)口徑的選擇：
超聲波流量計(jì)口徑選擇除了要考慮設(shè)計(jì)負(fù)荷的要求外，還要考慮天然氣貿(mào)易計(jì)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(guó)開(kāi)展超聲波流量計(jì)校驗(yàn)的主要有隸屬質(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 家單位為石油天然氣大流量計(jì)量站( 大慶) 、石油天然氣大流量計(jì)量站成都分站( 華陽(yáng)) 、石油天然氣大流量計(jì)量站南京分站( 龍?zhí)? ［1］ ［2］ 和北、長(zhǎng)慶油田 。上述 5 個(gè)單位京采育天然氣流量計(jì)量檢定站 除南京分站可以滿(mǎn)量程標(biāo)定 DN400mm 超聲波流量計(jì)外，其余站***大標(biāo)定能力為 DN300mm; 除北京采育檢定站外，其余均配備了***大標(biāo)定能力為DN300mm 的移動(dòng)計(jì)量車(chē)。另外，中石油已開(kāi)始建設(shè)烏魯木齊、塔里木和廣州 3 家分站。
中石化籌建的兩家石油天然氣大流量計(jì)量站武漢、東營(yíng)分站已經(jīng)開(kāi)展工作。其中武漢分站移動(dòng)校驗(yàn)臺(tái)位暫設(shè)在濟(jì)南( 齊河) ，并配備了移動(dòng)計(jì)量車(chē)，***大標(biāo)定能力 DN300mm，自 2012 年 10月起，開(kāi)始實(shí)流檢定 DN50 ～ 300mm 的超聲波流量計(jì)和渦輪流量計(jì) 。
隸屬于質(zhì)檢總局的石油天然氣大流量計(jì)量站重慶分站的天然氣實(shí)流標(biāo)定能力為DN50 ～ 300mm，但沒(méi)有配備移動(dòng)式校驗(yàn)裝置。內(nèi)蒙古自治區(qū)計(jì)量測(cè)試研究院自 2011 年起開(kāi)始籌建石油天然氣大流量計(jì)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(jì)口徑為 DN100mm、DN150mm、DN250mm、DN300mm，而自西氣東輸，二線開(kāi)始我國(guó)才開(kāi)始應(yīng)用 DN400mm 。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(jì)，為方便成橇后的運(yùn)輸，單橇路數(shù)也不宜過(guò)多。
3． 2、超聲波流量計(jì)性能的選?。?/strong>
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(jì)測(cè)量天然氣流量。流量計(jì)的典型測(cè)量范圍由氣體的實(shí)際流速確定，被測(cè)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(jì)量站的管道內(nèi)徑應(yīng)依據(jù)***大流速( 20． 0m / s) 進(jìn)行初算。
中國(guó)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(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)定》指出，在選擇計(jì)量管路和流量計(jì)內(nèi)徑時(shí)，超聲波流量計(jì)按流速 20． 0m / s 進(jìn)行初始計(jì)算，口徑圓整后復(fù)核設(shè)計(jì)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(jì)的天然氣流速按照 22． 0m / s 計(jì)算，天然氣計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力為其***大能力的 75% ～ 85% ( ***大能力為供貨商提供的流量計(jì)的***大量程) 。這與中石油西氣東輸工程中規(guī)定的，超聲波計(jì)量管流速設(shè)計(jì)上限不宜超過(guò)25． 0m / s是一致的 。
3． 2． 2、部分超聲波流量計(jì)廠家資料：
表 1 的資料來(lái)源于廠家公開(kāi)樣本和用戶(hù)技術(shù)報(bào)告，其統(tǒng)計(jì)內(nèi)容僅限于用于天然氣計(jì)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(jì)量管流速設(shè)計(jì)上限不宜超過(guò)25． 0m / s是合理的。
表 1 部分超聲波流量計(jì)廠家資料
| 廠家 | 流速范圍 / m·s － 1 | ||
| 廠1 | 0． 3 ～ 30． 0 | ||
| 廠2 | 0． 3 ～ 30． 0，極限應(yīng)用可達(dá) 38． 1 | ||
| 廠3 | 0． 3 ～ 46． 0 | ||
| 廠4 | 0． 3 ～ 40． 0 | ||
| 廠5 | 0． 3 ～ 30． 0，可擴(kuò)展至 36． 0 | ||
| 廠6 | DN150 ～ 250mm 時(shí) 0． 4 ～ 30． 0 | ||
| DN300 ～ 400mm 時(shí) 0． 4 ～ 28． 0 | |||
| 廠7 | 0． 72 ～ 36． 00 | ||
| 廠8 | 0． 3 ～ 30． 0 | ||
4、結(jié)束語(yǔ)：
為保證計(jì)量精度與可靠性，建議天然氣計(jì)量系統(tǒng)優(yōu)先考慮整體橇裝設(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮制造商的技術(shù)能力。計(jì)量撬設(shè)計(jì)時(shí)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(guò) 5 路，考慮到校驗(yàn)的方便性，單表口徑不宜超過(guò) DN300mm。高壓大流量天然氣計(jì)量中，超聲波流量計(jì)優(yōu)勢(shì)明顯，超聲波計(jì)量管流速設(shè)計(jì)上限宜控制在 25． 0m / s 以?xún)?nèi)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，超聲波流量計(jì)的范圍仍有提高的潛力，應(yīng)用前景將更為廣闊。