超聲波天然氣計量系統(tǒng)的選型
摘 要：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能力和超聲波流量計的口徑選擇現(xiàn)狀進行了調查。分析超聲波流量計的流速選取和應用計量性能，并對計量橇的設計規(guī)模給出了建議。
超聲波天然氣計量系統(tǒng)的選型
隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，天然氣作為一種清潔能源，其應用范圍日益擴大。無論是自產(chǎn)天然氣、陸上引進管輸氣還是海上進口 LNG，***終都要通過天然氣管網(wǎng)到達終端用戶。在大宗貿(mào)易中，要確保天然氣計量精度，實現(xiàn)公平貿(mào)易和合理投資; 同時，不同的、地區(qū)，由于歷史原因，天然氣流量儀表的選型各有不同，因此設計一個合理的天然氣計量系統(tǒng)是極其重要的。
超聲波天然氣計量系統(tǒng)的選型
1、天然氣計量系統(tǒng)的構成：
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、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，同時在線水露點測量儀和在線硫化氫測量儀也用于天然氣氣質監(jiān)測，但是目前該檢測項不參與流量計算。
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、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，同時在線水露點測量儀和在線硫化氫測量儀也用于天然氣氣質監(jiān)測，但是目前該檢測項不參與流量計算。
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整器等組成。除流量計算機、在線色譜分析儀、在線水露點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對流量、溫度壓力和組分信號進行采集計算，并將計量數(shù)據(jù)上傳至站控系統(tǒng)。***后，由站控系統(tǒng)將有關計量數(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、標準孔板流量計、質量流量計、旋進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)濟因素 5 個方面。儀表性能即流量計的優(yōu)缺點和流量計計量范圍。流體特性主要指操作壓力、流動狀態(tài)、介質潔凈程度和物性參數(shù)。安裝條件、環(huán)境條件和經(jīng)濟因素需要綜合考慮。***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、計量準確。
當 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，實際應用較少?？装辶髁坑嫎藴驶潭雀?，結構簡單、牢固，可靠耐用、價格低廉，適用于低壓且流量穩(wěn)定的場合，缺點是精度不高、范圍小、安裝條件要求高、壓損大。質量流量計指的是科里奧利質量流量計，其安裝固定要求較高，兩法蘭間不允許有安裝應力，適用于中高壓、中小口徑的場合，尤其在 CNG、LNG 計量中應用較多。旋進旋渦流量計適用于中低壓天然氣的流量計量，對于一些計量準確度要求較低的小型用戶，可選用旋進旋渦流量計，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，但由于其維護量大，在天然氣商業(yè)計量中應用較少。
2． 2 系統(tǒng)成橇成橇就是將除流量計算機和組分分析儀表以外的系統(tǒng)各種設備、儀表和管線用管架 / 管托進行支撐并固定在一個整體的鋼結構平臺上，這個整體集成部分稱為計量橇。成橇商負責整個計量橇的工藝、儀表、配電及防腐等專業(yè)的安裝施工，并對各個部分進行單項性能測試和整個系統(tǒng)的聯(lián)合測試。橇裝設備運抵現(xiàn)場后只需進行基座安裝、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)場地質條件、成橇后的體積和運輸條件，如果條件允許則建議優(yōu)先考慮成橇的方式設計、采購和安裝，充分發(fā)揮設備供應商的技術能力。
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: 設計負荷和計量精度要求; 我國目前和近期能達到的校驗能力; 采購、校驗和運維成本。
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計負荷的要求外，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流校準。目前，我國開展超聲波流量計校驗的主要有隸屬質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量站( 大慶) 、石油天然氣大流量計量站成都分站( 華陽) 、石油天然氣大流量計量站南京分站( 龍?zhí)? ［1］ ［2］ 和北、長慶油田 。上述 5 個單位京采育天然氣流量計量檢定站 除南京分站可以滿量程標定 DN400mm 超聲波流量計外，其余站***大標定能力為 DN300mm; 除北京采育檢定站外，其余均配備了***大標定能力為DN300mm 的移動計量車。另外，中石油已開始建設烏魯木齊、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臺位暫設在濟南( 齊河) ，并配備了移動計量車，***大標定能力 DN300mm，自 2012 年 10月起，開始實流檢定 DN50 ～ 300mm 的超聲波流量計和渦輪流量計 。
隸屬于質檢總局的石油天然氣大流量計量站重慶分站的天然氣實流標定能力為DN50 ～ 300mm，但沒有配備移動式校驗裝置。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用 DN400mm 。因此 為方便校驗，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、可參考的標準或規(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)徑應依據(jù)***大流速( 20． 0m / s) 進行初算。
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 進行初始計算，口徑圓整后復核設計流速宜在 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)的設計能力為其***大能力的 75% ～ 85% ( ***大能力為供貨商提供的流量計的***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計上限不宜超過25． 0m / s是一致的 。
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。綜合考慮標準規(guī)范要求和生產(chǎn)廠家的技術能力與應用經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)工程實踐中超聲波計量管流速設計上限不宜超過25． 0m / s是合理的。
表 1 部分超聲波流量計廠家資料
| 廠家 | 流速范圍 / m·s － 1 | ||
| 廠1 | 0． 3 ～ 30． 0 | ||
| 廠2 | 0． 3 ～ 30． 0，極限應用可達 38． 1 | ||
| 廠3 | 0． 3 ～ 46． 0 | ||
| 廠4 | 0． 3 ～ 40． 0 | ||
| 廠5 | 0． 3 ～ 30． 0，可擴展至 36． 0 | ||
| 廠6 | DN150 ～ 250mm 時 0． 4 ～ 30． 0 | ||
| DN300 ～ 400mm 時 0． 4 ～ 28． 0 | |||
| 廠7 | 0． 72 ～ 36． 00 | ||
| 廠8 | 0． 3 ～ 30． 0 | ||
4、結束語：
為保證計量精度與可靠性，建議天然氣計量系統(tǒng)優(yōu)先考慮整體橇裝設計，以充分發(fā)揮制造商的技術能力。計量撬設計時應預先考慮系統(tǒng)成撬后的運輸方便性與在線校驗的可行性，單撬一般不超過 5 路，考慮到校驗的方便性，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計上限宜控制在 25． 0m / s 以內(nèi)。隨著技術的進步，超聲波流量計的范圍仍有提高的潛力，應用前景將更為廣闊。