天然气计量技术-110412

天然气计量技术主讲：蒋宏业西南石油大学石工院储运所二O一一年四月1主要内容1基础知识2相关标准3常用流量计4流量计检定机构5常用的压力及温度测量仪表6天然气计量误差7天然气计量管理21基础知识31.1概述

测量天然气的流量仪表种类很多，常用的主要有差压式流量计、容积式流量计、速度式流量计等。我国目前使用最多的是标准孔板节流装置差压式流量计。测量天然气的速度式流量计目前使用较多的是涡轮流量计。测量天然气流量的容积式流量计主要有罗茨流量计(腰轮流量计)和旋叶式流量计。

最近十几年来，涡街流量计、音速喷嘴和超声波流量计也逐步被采用。1基础知识41.2流量测量的特点1.2.1对流体流动状态的控制

流量测量的理论是建立在一定的流动状态下，不同类型的流量计有不同的工作原理，对流动状态的要求也各不一样。要准确测量流量，必须按所选择的流量计的要求控制好流态。1基础知识51.2.2对流体物质属性的控制

不同的流体其物理化学性质不同，对流量计的要求也不同。流量计的结构设计、安装设计、检定和校准要求等要求适应被检流体的属性。1.2.3对流体清洁程度的控制

气体中含有过多的液体和固体微粒，不但对流量计的正常工作有影响，同时也影响流量测量的准确度。1基础知识61.2.4相关参数的准确测量

流量测量是组合量的测量，要准确测量流量，首先是准确测量各相关参数。1.2.5应考虑节约能源

天然气的输送是靠压差进行的，必要时不要进行增压。在对其计量时，所选流量计的压损也是必须考虑的因素之一。1基础知识71.2.6标准状态条件的规定无论是体积计量或能量计量，都要求有一个参比条件。目前各国的参比条件各不相同，但可进行换算。ISO13223规定的标准参比条件：101.325kPa,15℃美国的标准参比条件：14.7psi,60℉欧洲的标准参比条件：101.325kPa,0或15℃我国的标准参比条件：101.325kPa,20℃1基础知识81.2.7测量过程中的安全性

由于天然气是易燃、易爆的混合气体，某些天然气还含有有毒的硫化物，故在确保计量准确的同时，安全计量是极其重要的。1基础知识91.3压力测量压力是流量从工作条件换算成标准参比条件必需的参数，某些类型流量计的流量计算还需要压力数据。在计量中常用的压力测量设备是压力变送器。1基础知识101.4温度测量温度是流量从工作条件换算成标准参比条件必需的参数，某些类型的流量计在计算流量时，要用到温度数据。1基础知识111.5压缩因子测量压缩因子是不同条件体积换算必要的参数，某些类型流量计计算流量时需用此参数。压缩因子有工作条件和标准参比条件之分。工作条件压缩因子（Zf)通常的测量方法是计算。目前计算方法标准有：ISO12213，AGA8号报告，GB/T17747。标准参比条件下的压缩因子（Zn)的计算方法标准有ISO6976，ASTMD3588和GB/T11062。1基础知识121.6密度测量密度是质量与体积和不同条件下体积之间换算必需的参数；某些流量计计算流量时，也需要此参数。密度也有工作条件和标准参考比条件之分。密度和相对密度也可用仪器在线或离线测量。1基础知识131.7发热量测量天然气发热量测量有直接和间接两种方法。直接测量法发热量直接测量法有水流式和气流式两种。气流式对设备和环境的要求比水流式严格，但准确度和灵敏度高。美国70年代使用的是水流式，80年代以气流式（ASTMD1826）取代了水流式。我国用于煤气发热量测量的标准GB12206采用的是水流式。间接测量法发热量间接测量法是利用组成分析数据进行计算。国内外标准有ISO6976、ASTMD3588和GB/T11062。1基础知识141.8动力粘度测量动力粘度主要用于计算雷诺数。目前流量测量标准中都使用甲烷的粘度代替天然气粘度。1.9雷诺数计算雷诺数是表征流动介质流动特性的无因次量纲，计算公式如下：1基础知识151.10等熵指数计算等熵指数（k）是气体差压式流量计流量计算的物性参数。可由等压热容（CP）和等容热容（CV）计算得到，计算公式如下：目前流量测量标准中，天然气等压和等容热容的计算都是使用甲烷计算值代替。1基础知识161.11天然气组成分析天然气组成数据是计算上述物性参数所必需的数据。不同气质所含重烃组份各不一样，其分析方法也不一样。对于管输质量气体，一般只分析至C6+。分析方法标准为GB/T13610。天然气分析的仪器为气相色谱仪。天然气取样方法标准为GB/T13609。1基础知识172相关标准182.1概述天然气流量计量的一个重要目的是用于贸易结算，为了保证计量结果准确，要求使用科学的、成熟的和实用的计量方法以保证计量结果的统一。而保证计量结果准确和统一的最佳方法是用标准规定允许使用的计量方法。各国及某些机构都为制定相应的计量方法标准予以高度重视，具有代表性和先进性的国家和机构有美国的石油协会（API）及气体协会（AGA）、欧共体（EN）、国际标准化组织(ISO)和国际法制计量组织(OIML)。2相关标准192.2流量计量标准序号内容美国欧州ISO/OIML中国1差压式流量计通用

ISO5167GB/T2624天然气APIANSI2530AGANo3

SY/T61432气体涡轮流量计AGANo7prEN12261ISO9951

3气体超声流量计AGANo.9

ISO/TR12765GB/T186044涡街流量计

ISO/TR12764

5容积式流量计AGANo6ANSIB109.3prEN12480prEN12405

6质量流量计AGANo11

ISO10790

7临界流流量计ASME/ANSIMFC—71987

ISO9300

8能量计量AGANo5

ISO/CD15112

9计量系统

EN1776OIMLTC8/SC7GB/T186032相关标准202.3参数测量标准内容美国ISO/OIML中国压力测量

ISO2186在相关标准规定温度测量ASMEPowerTestcode19.3Part2

在相关标准规定天然气的发热量、密度、相对密度计算ASTMD3588ISO6976GB11062天然气取样

ISO10715

GB/T13609

天然气组成分析ASTMD1945-01ISO6569ISO6974,ISO6975GB/T13610标准气体

ISO/DIS13275,ISO6141,ISO6142ISO6143,ISO6711GB/T5274,GB/T5275,GB/T10627,GB/T106282相关标准21参数测量标准内容美国ISO/OIML中国天然气压缩因子计算AGANX—19AGANo.8—92ISO12213GB/T17747,SY/T6143天然气密度连续测量

ISO/DIS9857

不确定度

ISO5168,ISO7066—1.2ISOOIMLandBPIM出版物JJF1059名词、术语图例、符号ANSI/ASMEMFC-1M

ISOOIMLandBPIM出版物,ISO4006GB2625,JJG1001,GB/T17611基准参考条件

ISODIS13443GB/T17219

天然气发热量测量ASTMD1826-88

GB122062相关标准223常用流量计233.1.1工作原理孔板流量计属于差压式流量计。当气体流经管道中的节流件孔板时，气体的流动截面在节流件处形成局部收缩，从而使流速增加，动能增加，静压能降低，于是在节流件的上、下游侧便产生压力差，流速越大，压力差越大，流速减小，压差将减小，这种现象就叫做流体的节流现象。3.1孔板流量计3常用流量计24实践证明，节流件前后的压差信号Δp与流量Q有如下的关系：流量Q与差压Δp的开平方成正比例关系，所以通过检测出流体流经节流件后产生的压差信号Δp，也就可以间接地测出对应的流量Q，这就是差压式节流装置的测量原理。3.1孔板流量计25假设a.流体是充满圆管的、充分发展的定常流；b.阻力损失忽略不计，且流体流经孔板时为绝热过程，没有能量损失；c.管道水平安装；d.流体流经孔板的前后，其比容不变。可得到差压式流量计的流量方程—质量流量流出系数渐近速度系数可膨胀系数孔板孔径孔板上下游压差流体密度3.1孔板流量计26天然气流量计算的实用公式Qn—标准状态下天然气体积流量，m3/s；As—秒计量系数，；C—流出系数；E—渐近速度系数；d—孔板开孔直径，mm；FG—相对密度系数；ε—可膨胀性系数；Fz—超压缩因子；FT—流动温度系数；P1—孔板上游侧取压孔气流绝对静压，MPa；ΔP—气流流径孔板时产生的差压，Pa.3.1孔板流量计273.1.2孔板流量计组成大体上可分为一次仪表、二次仪表和上下游直管段。上游直管段下游直管段一次仪表二次仪表3.1孔板流量计28

孔板流量计大体上可分为一次仪表、二次仪表和上下游直管段。3.1孔板流量计29一次仪表

一次仪表有孔板及孔板夹持器。3.1孔板流量计30二次仪表

二次仪表主要是温度压力测量设备和数据处理系统。典型的有双波纹和变送器两种配置方式。双波纹差压计变送器3.1孔板流量计31上、下直管段

上游直管段对孔板流量计测量准确度影响较大，对于直管段的内径、同心度和管壁粗糙度都有一定要求，尤其是上游10D和下游4D的测量管，要求更加严格。3.1孔板流量计323.1.3孔板流量计的特点使用历史悠久，在大量实验数据的基础上进行的标准化的产品经过几何检定后就可使用；孔板脏污、磨损和粉尘的沉积对计量准确度影响较大，一般都使计量偏低；要求前后直管段较长，占地多；量程比小，当采用高低量程的差压变送器时，也只有1:10。3.1孔板流量计333.1.4流动调整器（FlowConditioner）

流动调整器分类：分为为流动整直器和真流动调整器。前者的功能仅消除或显著地减小旋涡而可能并不同时调整流动使接近充分发展的流速分布；后者在消除或减小旋涡的同时调整流速分布状况。分为3大类：

（1）类是以消除旋涡为主，（2）类用于消除旋涡和改善中等程度速度分布畸变，（3）类用于消除旋涡和改善严重速度分布畸变。3.1孔板流量计34353.1.5阀式孔板节流装置

目前在生产中常用的阀式孔板节流装置分为三种类型，即高级式孔板节流装置（GKF型）、普通阀式孔板节流装置（PKF型）、简易阀式孔板节流装置（JKF型）三种。(1)GKF－F4型高级阀式高级阀式孔板节流装置是结构新颖的流量测量节流装置。其特点是：在进行流量测量过程中不需要停止介质的输送，而可随时提取其孔板进行检查或更换，以确保计量的准确性。3.1孔板流量计36(2)PKF－F4型普通阀式

进行流量测量过程中可随时提取其孔板进行检查或更换，这时只须关闭上、下游截止阀，无须拆开管道，打开上盖并摇动提升机构手柄，孔板即能平稳取出，每次提取或更换孔板只需3-5分钟。特别适用于可短暂停气或设有旁通管路中作流量计量用。(3)JKF型简易阀式

简易阀式孔板节流装置特别适用于法兰取压、测量管径小于150mm的管路中作流量计量用。3.1孔板流量计373.2.1

测量原理

通常将频率高于20kHz的声波叫作超声波。

超声波气体流量计有单声道与多声道之分。无论是单声道还是多声道，其基本工作原理都是相同的，即在管道的一侧或两侧嵌置两个能发射和接收声脉冲的探头。其中一个探头发射的声脉冲能被另一个探头接收。3.2超声流量计38图4.1工作原理图

两个探头便构成了声道。在几个毫秒之内两个探头轮流发射和接收声脉冲。沿顺流方向的声道传播的声脉冲的声速增大。即叠加一个气流速的速度分量，而沿逆流方向声道上的声速会减小，因为要减去一个气体流速的速度分量，这就形成了顺流方向与逆流方向传输时间的时间差。3.2超声流量计39(1)工作原理时差式流量计用于测量流体流速对双向声波信号的影响。上游换能器（T1）向下游换能器（T2）发射一个信号，同时下游也向上游发射信号。当流体静止时，从（T1）到（T2）的声波信号传送时间与从（T2）到（T1）的传送时间是相同的。但是，当流体流动时，由于流体流速对声波信号的作用，将加快从上游到下游方向的信号速度，同时减慢从下游到上游方向的信号速度。也就是由于流体流速的存在，产生了时间差，最终由此可计算出流量。

直射式超声流量计的工作原理示意图3.2超声流量计40式中：q——流体在管道中的工况流量；

A——管道横截面积。

由此可见，超声流量计的测量精度取决于声道长度L和时间测量准确度。时差法流速计算公式3.2超声流量计41(2)结构

根据换能器多少，目前气体超声流量计有一至八声道流量计；根据超声波在管壁上的反射情况，又可分为直射、单反射和双反射三种。3.2超声流量计42单声道流量计双声道流量计3.2超声流量计43单反射双反射3.2超声流量计44结构——五声道流量计3.2超声流量计45结构——五声道流量计3.2超声流量计463.2.2流量计特点工作原理简单，有望成为基准流量计；测量准确度高，量程比大，一般都是1:20，可达到1:100；适应性强，上游10D、下游5D，加上表体约20D，占地少；无可动部件，可直接进行清管作业；受压力变化影响小，在最低使用压力下校准后，就可在全范围内使用；为高科技产品，各厂家的产品都有其独特的专利技术，一次性投资高；多声道，尤其是五声道流量计能适用多种流态。3.2超声流量计473.2.3标准化在标准化过程中，气体超声流量计算是比较快的。目前有AGA9号报告，ISO/TR12765，我国参照AGA9号报告编写的国标GB/T18604，2002年发布实施。3.2超声流量计483.2.4厂家简介目前生产超声流量计的厂家有荷兰的Instromet，美国的Daniel和Controlotron及挪威的Kongsberg等。各个厂都有其特别的技术。

Instromet，对超声流量计有较系统的研究，有单声道、双声声道、三和五声道流量计，采用单反射和双反射技术。

Daniel，有双声道和四声道两种，大部分是直射技术。Controlotron，采用单反射技术，可根据需要增加声道。时间可准确到10-12秒，比其他公司小10-3。是唯一一家生产管径小于DN100超声流量计的厂家。Kongsberg,是采用直射技术，最多为六声道。3.2超声流量计493.3涡轮流量计

由图可见，当被测流体流过传感器时，在流体作用下，叶轮受力旋转，其转速与管道平均流速成正比，叶轮的转动用期地改变磁电转换器的磁阻值。检测线圈中的磁通随之发生周期性变化，产生周期性的感应电势，即电脉冲信号，经放大器放大后，送至显示仪表显示。工作原理

50涡轮可转动计数器整流翼表体油泵高频信号发生器涡轮流量计内部结构3.3涡轮流量计51流量计的仪表系数与流量（或管道雷诺数）的关系曲线如图所示。由图可见，仪表系数可分为二段，即线性段和非线性段。线性段约为其工作段的三分之二，其特性与传感器结构尺寸及流体粘性有关。在非线性段，特性受轴承摩擦力，流体粘性阻力影响较大。当流量低于传感器流量下限时，仪表系数随着流量迅速变化。压力损失与流量近似为平方关系。当流量超过流量上限时要注意防止空穴现象。523.3.2计量特性准确度高，一般计量不确定度为0.5~1.0%，精选涡轮可达到0.25%；灵敏度高，量程宽，量程可达到1:30；仪表系数与雷诺数成比例关系而不受介质、压力、温度和流量计的影响，可校正性强；有可动部件，易于损坏；抗脏污能力差，对介质的干净程度要求高。3.3涡轮流量计533.3.3改进产品为了提高涡轮流量计的计量性能和适应性，不同厂家都对涡轮进行了改进，目前有如下产品。

双叶轮，提高涡轮的可靠性。铝合金叶轮，提高涡轮的灵敏度和抗冲击能力。一体化整流器，提高涡轮的准确度和和抗冲击能力。密封式轴承，提高涡轮的抗脏污能力。3.3涡轮流量计54改进产品

图5.2涡轮一体化整流器3.3涡轮流量计55

在天然气计量中使用的气体腰轮流量计是的容积式气体流量计的一种。3.4.1计量原理

容积式流量计从原理上讲是一台从流体中吸收少量能量的水力发动机，这个能量用来克服流量检测元件和附件转动的摩擦力，同时在仪表流入与流出两端形成压力降。3.4腰轮流量计56容积式流量计的计量原理可用下式表示：

Qv──被测气体的总体积，m3；

N──转子转动的次数；

K──转子转动一周形成的计量腔个数；

V0──单个计量腔的容积，m3。3.4腰轮流量计573.4.2结构

腰轮流量计的结构图构造框图如图所示。流量计由测量部和积算部两大部分组成，必要时可附加自动温度补偿器、自动压力补偿器、发信器和高温延伸（散热）件等。3.4腰轮流量计58传动机构593.4.3计量特性优点计量精确度高，基本误差一般为±0.5%R，特殊的可达±0.2%R或更高。在旋转流和管道阻流件流速场畸变时对计量精确度没有影响，没有前置直管段要求。可用于高粘度流体的测量。直读式仪表，无需外部能源，可直接获得累积总量3.4腰轮流量计60缺点结构复杂，体积大，笨重，较大口径流量计体积庞大，一般只适用于中小口径。被测介质种类、介质工况（温度、压力）、口径局限性较大，适应范围窄。大部分只适用洁净单相流体。安全性差，如检测活动件卡死。部分形式仪表（椭圆齿轮式、腰轮式、卵轮式、旋转活塞式）在测量过程中会给流动带来脉动，较大口径仪表会产生噪声，甚至使管道产生振动。3.4腰轮流量计613.5涡街流量计

如图所示，涡街流量计是基于卡门旋涡原理，在流体中垂直插入一个非流线型的柱状物体。当流速增大到一定值时，流线不再沿柱状物体表面附着流动，逐渐从柱状物体表面上分离出去，从而引起速度局部降低，使流线返回旋转而形成旋涡。62

单位时间内产生的旋涡数量或频率与该时间内流过的流量或流速成正比。在实际应用中，涡街是要求进行实流校准的，流量计算公式如下：

式中：qv—工况体积流量，m3/s;

f—旋涡的发生频率为

；

k—流量计仪表系数，脉冲数/m3

。3.5涡街流量计633.5.1结构

涡街流量计由传感器和转换器组成，如下图所示。传感器包括旋涡发生体（阻流体）、检测元件、仪表表体等；转换器包括前置放大器、滤波整形电路、D/A转换电路、输出接口电路、端子、支架和防护罩等。近年来智能式流量计还把微处理器、显示通讯及其他功能模块亦装在转换器内。3.5涡街流量计64旋涡发生体是检测器的主要部件，它与仪表的流量特性（仪表系数、线性度、范围度等）和阻力特性（压力损失）密切相关

流量计检测旋涡信号有5种方式。根据这5种检测方式．采用不同的检测技术（热敏、超声、应力、应变、电容、电磁、光电、光纤等）可以构成不同类型的VSF。检测元件把涡街信号转换成电信号，该信号既微弱又含有不同成分的噪声，必须进行放大、滤波、整形等处理才能得出与流量成比例的脉冲信号。

653.5.2计量特性仪表的测量范围大；仪表适应的管道口径范围宽：25～2700mm；测量介质温度、压力范围大；输出信号与流量成线性关系，具有脉冲频率信号、模拟信号和定标脉冲信号输出；仪表准确度较高，再现性好，±1.0%～±1.5%。

3.5涡街流量计663.6.1工作原理

旋进旋涡流量计是属于旋涡流量计，是采用流体的强迫振荡原理产生旋涡。3.6旋进旋涡流量计67工件原理

沿着轴向的流体进入流量计进口时，旋叶强迫流体进入旋转运动，于是在旋涡发生体中心产生旋涡流，旋涡流在文丘里管中旋进，到达收缩段突然节流使旋流加速。当旋涡流突然进入扩散段后，因回流的作用强迫进行旋进式二次旋转，如果仪表内部具有最优化的几何结构，那么在宽量范围内，旋涡的频率就与流量成正比，并为线性。3.6旋进旋涡流量计68

该频率由压电传感器检测，压电传感器检测的微弱电信号经前置放大器放大、滤波、整形后变成频率与流量成正比的脉冲信号，最后送往智能流量积算仪进行运算与处理，显示累积流量和瞬时流量。工件原理3.6旋进旋涡流量计693.6.2旋进旋涡智能流量计的结构FTTTPT处理显示3.6旋进旋涡流量计70

TDS系列流量计LUXZ－B型流量计3.6旋进旋涡流量计713.6.3流量计特点无机械磨损，提高了计量精度；不受介质物性影响，安全防爆；安装时只需较短的直管段；既可一体化安装又可将流量变送器与智能流量积算仪分离安装，实现远距离显示；信号输出可为脉冲信号或4～20mA模拟信号。3.6旋进旋涡流量计72科里奥利质量流量计（CoriolisMassFlowmeter，以下简称CMF）是利用流体在直线运动的同时处于一旋转系中，产生与质量流量成正比的科里奥利力原理制成的一种直接式质量流量仪表。3.7质量式流量计733.7.1原理和结构

当流体流过以某一角速度旋转的管子时，流体以一定速度动力，流体质量点会产生管子变位的科里奥利力。

科里奥利力FC与质点运动的速度矢量值（u）、角速度矢量值（w）和质量（m）的乘积成比例。即：科里奥利力产生的位移量与流体质量成正比。3.7质量式流量计74

CMF由流量传感器和转换器（或流量计算机）两部分组成。下图为流量传感器一例，主要由测量管及其支承固定桥架、测量管振动激励系统中的驱动线圈A、检测测量管挠曲的光学检测探头或电磁检测探头B、修正测量管材料杨氏模量温度影响的测温元件等组成。3.7质量式流量计753.7.2分类CMF按测量管形状可分为弯曲形和直形。按测量管段数可分为单管型和双管型。按双管型测量管段的连接方式可分为并联型和串联型。按测量管流体流动方向和工艺管道流动方向间布置方式可分为并行方式和垂直方式。3.7质量式流量计76按测量管形状分类1）弯曲形

首先投入市场的仪表测量管弯成U字形，现已开发的弯曲形状有S字形、B字形、Ω形、圆环形、长圆环形等。弯曲形测量管的仪表系列比直形测量管的仪表多。设计成弯曲形状是为了降低刚性，因与直形相比可以采用较厚的管壁，仪表性能受磨蚀腐蚀影响较小；但易积存气体和残渣引起附加误差。此外，弯形测量管的CMF的流量传感器整机重量和尺寸要比直形的大。3.7质量式流量计773.7质量式流量计783.7质量式流量计792）直形

直形测量管的CMF不易积存气体及便于清洗。垂直安装测量浆液时，固体颗粒不易在暂停运行时沉积于测量管内。流量传感器尺寸小，重量轻。但刚性大，管壁相对较薄，测量值受磨蚀腐蚀影响大。

近年国外原主张并生产弯曲形测量管的CMF制造厂，亦竞相开发直形测量管CMF，它有日益增加的趋势。3.7质量式流量计803.7质量式流量计81科式质量流量计3.7质量式流量计823.7.3特点优点:CMF直接测量质量流量，有很高的测量精确度。可测量流体范围广泛，包括高粘度液的各种液体、含有固形物的浆液液体、有足够密度的中高压气体。测量管的振动幅小，可视作非活动件，测量管路内无阻碍件和活动件。对迎流流速分布不敏感，因而无上下游直管段要求。测量值对流体粘度不敏感，流体密度变化对测量值的影响微小。可作多参数测量，如同期测量密度，并由此派生出测量溶液中溶质所含的浓度。3.7质量式流量计83缺点:CMF零点不稳定，影响精确度的进一步提高。CMF不能用于测量低密度介质如低压气体；液体中含气量超过某一限值（按型号而异）会显著影响测量值。CMF对外界振动干扰较为敏感，为防止管道振动影响，大部分型号CMF的流量传感器安装固定要求较高。不能用于较大管径，目前尚局限于150（200）mm以下。测量管内壁磨损腐蚀或沉积结垢会影响测量精确度，尤其对薄壁管测量管的CMF更为显著。压力损失较大，与容积式仪表相当，有些型号CMF甚至比容积式仪表大100%。大部分型号CMF重量和体积较大。价格昂贵。3.7质量式流量计843.8.1基本原理从原理上讲，天然气能量计量是非常简单的，它是由流量和单位发热量计算而来。计算公式如下：

E=Q×HS

式中：E—一段时间内天然气能量，MJ；

Q—一段时间内天然气标准状态下的体积或质量，m3或kg;HS——天然气高位发热量，MJ/m3或MJ/kg。3.8能量计量853.8.2天然气热值计量(1)采用热值计量的必要性热值是指单位质量或体积的燃料完全燃烧产生的发热量。按热值计价可以体现优质优价，促进能源部门提高产品质量和提高经济效益。对用户来说，热值的合格和稳定可对生产、生活带来很多好处。一些发达国家的商品天然气流量计量目前大多采用热值计量。我国一些使用天然气作为燃气的城市，现在也已具备了对天然气进行热值计量的条件。因此，应在国内逐步实现商品天然气热值计量。3.8能量计量86(2)天然气热值的测定方法气体燃料的热值是指在标准状态下（0℃，0.101325MPa），1m3容积的可燃气体完全燃烧所释放的热量，常用单位为kJ/m3、MJ/m3，测算气体燃料热值的方法有两种：间接计算法和直接测定法。间接法间接计算法是用气相色谱仪测定气体各组分的浓度，再由各组分的热值通过公式计算出该混合气体的热值。直接测定法用气体量热计可直接测定气体燃料的热值，常用的气体量热计为水流型量热计，又叫容克式量热计。3.8能量计量874流量计检定机构88

在国内，天然气流量技术机构是由国家授权的专业计量站完成。专业计量站有国家原油大流量计量站及其成都和重庆天然气流量分站三个。国家原油大流量计量站位于大庆，主要是原油计量。在天然气流量方面有一套车载式临界流文丘利喷嘴标准装置，工作压力为1.6MPa,工况流量范围为1.2~4300m3/h。授权范围是全国。重庆天然气流量分站授权范围是重庆和贵州。4流量计检定机构89国内技术机构——成都天然气流量分站

成都天然气流量分站拥有世界水平的天然气实流原级标准、次级标准装置及其辅助设施和移动式气体超声的流量检测系统作为工作标准装置。是国内唯一一个开展天然气实流检定的技术机构。虽然授权范围只有四川和云南，但实际服务范围已经遍布全国。4流量计检定机构90成都天然气流量分站——原级标准装置

原级标准装置为质量—时间（mt）法天然气流量一级标准装置最大工作压力为4.0MPa，流量范围为0.005～2.4kg/s,流量综合不确定度为0.1%,检测管径为DN25～DN100。4流量计检定机构91成都天然气流量分站——次级标准装置

次级标准装置是引进美国科罗拉多工程实验站的临界流文丘利喷嘴，最大工作压力为4.0MPa，工况流量范围为5～5115m3/h，流量综合不确定度为0.25%。4流量计检定机构92成都天然气流量分站——检测管段

与站内标准装置配套使用的检测管段具有100D以上的直管段，能提供DN20～DN400流量计的检测。4流量计检定机构93天然气计量技术发展趋势智能式流量计的发展，微型、微功耗计算机在流量计二次仪表的使用，可利用校准技术提高流量计的准确度和拓宽量程。大流量计量将使用工作原理简单、受安装和环境条件影响小、准确度高的流量计。百花齐放，各种类型的流量计有其工作原理和计量特性，在不同工作条件下使用不同工作原理的流量计。在国内，超声、涡轮及孔板将在大中流量计量中成为主流流量计。小口径超声、腰轮等宽量程流量计将在用量波动大的民用气计量中发挥作用。4流量计检定机构945常用的压力及温度测量仪表955.1.1基本概念（1）压力及其单位在我国法定计量单位中，规定压力的基本单位为帕斯卡（简称帕），符号为Pa，它的定义为：1牛顿力垂直均匀作用在1平方米面积上所形成的压力。压力的导出单位有：千帕，符号为kPa；兆帕，符号为MPa；压力单位的换算：1MPa＝103kPa＝l06Pa。以前工程中经常使用的kgf/cm2、mmH2O、mmHg是非法定计量单位，现已不允许使用，而必须把它们统一到法定计量单位上来。5.1压力及差压测量仪表96图1压力术语的关系图

绝对压力pa

表压力pg

差压pd

负压pv

真空度V

5.1压力及差压测量仪表97（2）压力等级划分

在工业生产中，按介质工作压力大小的不同，划分为如下几个等级，即（1）微压：p＜0.01MPa；（2）低压：0.01MPa≤p＜0.25MPa；（3）中压：0.25MPa≤p＜100MPa：（4）高压：100MPa≤p＜1000MPa；（5）超高压：p≥1000MPa。5.1压力及差压测量仪表98（3）测压仪表的分类依其转换原理的不同，大致可分为四大类：液柱式压力计：将被测压力转换成液柱高度差进行测量。弹性式压力计：将被测压力转换成弹性元件的弹性变形的位移进行测量。活塞式压力计：将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的重量进行测量。电气式压力计：将被测压力转换成各种电量进行测量。5.1压力及差压测量仪表99（4）压力仪表的准确度等级活塞式：国家基准：±0.002%；工作基准：±0.005%；液柱式：国家基准：±0.002%～±0.005%；标准器：±0.05%～±0.2%；工业用：±0.5%，±1.0%，±2.5%；弹簧管式压力表：精密压力表：±0.1%，±0.16%，±0.25%，±0.4%；一般压力表：±1.0%，±1.6%，±2.5%，±4.0%；5.1压力及差压测量仪表1005.1.2液柱式压力计

液柱式压力计是以液体静力学原理为基础的。一般采用水银或水作为工作液，用于测量低压、负压或压力差。（1）U形液柱压力计5.1压力及差压测量仪表101（2）单管（杯形）液柱压力计如果杯形容器内截面很大，且测量精度要求不高的情况下，可以忽略杯中一面高度的变化，直接按管中液面位置的变化读取被测压力的大小。5.1压力及差压测量仪表102（4）液柱式压力计使用中应注意的问题

液柱式压力计的测量误差主要取决于液柱高度h和工作介质的重度γ的准确度。影响测量准确的主要因素有：温度、重力加速度、安装位置不垂直、工作液体的密度变化等。灌装工作液时，应注意缓慢，以减少工作液中的气泡；应注意灌装数量，使其正好对准零位；在引入压力或差压时，应注意缓慢，以免工作液冲出；读数应以弯月面中心为基准。5.1压力及差压测量仪表1035.1.3弹簧管式压力表弹簧管压力表的特点及测压原理

弹簧管式压力表是工业上应用最广泛的一种测压仪表，以单圈弹簧为最多。弹簧管式压力表可直接测量蒸汽、油、水和气体等介质的表压、负压和绝压．测量范围可以是-0.1～1500MPa。优点是结构简单、使用方便、操作安全可靠，缺点是测量准确度不高，不适于动态测试。5.1压力及差压测量仪表104弹簧管式压力表的测压原理是根据虎克定律，利用弹性敏感元件受压后产生的弹性形变，并将形变转换成位移放大后，用指针指示出被测的压力。

5.1压力及差压测量仪表1055.1.4活塞式压力计活塞式压力计的工作原理和分类活塞式压力计的作用原理是根据静力学平衡原理和帕斯卡定律，对于封闭体系，作用于该系统中各处的压力相等。在封闭系统中引入被测压力，用在已知面积上加重的方法与未知压力相平衡时，被测压力就可由有效作用面积与作用重力直接计算出来。5.1压力及差压测量仪表106测量原理：

P=G/S

所以G=P•S精确度高常用作标准仪表，检验其它压力计5.1压力及差压测量仪表1075.1.5电气式压力计

电气式压力测量仪表的原理是将被测压的变化转换成各种电量进行测量。电气式压力测量仪表的种类很多，国产的电气式压力计中最常用的是DDZ-Ⅱ型压力传感器（压力传感器亦称压力变送器）和DDZ-Ⅲ型压力传感器。5.1压力及差压测量仪表108DDZ-Ⅱ型压力传感器是将被测压力转换成0～10mADC电信号输出；DDZ-Ⅲ型压力传感器是将被测压力转换成4～20mA直流或1～5V直流的电信号输出。5.1压力及差压测量仪表109

DDZ-Ⅱ/Ⅲ型差压（压力）送器性能比较

5.1压力及差压测量仪表110工业压力变送器数字压力变送器5.1压力及差压测量仪表1115.2.1基本概念

在国际上，温标的种类很多，如摄氏温标、华氏温标、热力学温标等。其中热力学温标和摄氏温标是我国的法定温度计量单位。热力学温标用开尔文表示，其单位符号为K。它规定分子运功停止（即没有热存在）时的温度为绝对零度或称最低温度。摄氏温标用摄氏度表示，其单位符号为℃。它规定在标准大气压下冰的融点为零摄氏度（0℃），水的沸点为100摄氏度（100℃），在0℃到100℃之间分为一百等分．每一等分为1摄氏度。5.2温度测量仪表112113表5.1各种温度计的优缺点

5.2温度测量仪表114温度计的选定原则在选用温度计时，必须考虑以下几点被测物体的温度是否需要指示、记录和自动控制。便于读数和记录。测温范围和准确度应能满足要求。感温元件的大小适当与否。在被测物体温度随时间变化的场合，感温元件的滞后应能满足测温要求。被测物体和环境条件对感温元件是否有损害。仪表使用是否方便。仪表的寿命。5.2温度测量仪表1155.2.2膨胀式温度计根据物体热胀冷缩原理制成的温度计统称为膨胀式温度计。常见膨胀式温度计有玻璃液体温度计、压力式温度计和双金属温度计等。5.2温度测量仪表116（1）玻璃液体温度计1）结构及工作原理玻璃液体温度计的结构如图所示。测温原理是：当将温度计置于被测介质中，感温包中的感温液在受热后发生体积膨胀，感温液在毛细管中的高度便随被测温度的不同而异，从而可从到度标尺上读出被测温度的数值。5.2温度测量仪表1172）使用中应注意的问题玻璃液体温度计在测量温度时，必须注意下面几个问题零点位移标尺位移液柱断裂浸没深度变化读数方法5.2温度测量仪表118（2）压力式温度计

压力式温度计是基于液体受热膨胀和气体受热压力变化的原理制成的测温仪表，由于其检测部分均采用弹簧管式压力表，所以一般称为压力表式温度计。5.2温度测量仪表1191）结构及工作原理压力式温度计的构造如图所示。温包：传热、容纳膨胀介质；毛细管：传递压力；弹簧管：显示压力（温度）。温包毛细管弹簧管5.2温度测量仪表1202）使用中应注意的问题温包插入深度：需将温包全部浸入被测介质中。环境温度变化的影响：毛细管越长，环境温度的变化对测量误差的影响越大。安装高度：当压力表和温包不在同一高度时，充液式仪表以及量程高于室温的充低沸点液体式仪表，毛细管中液柱的高度会对示值产生影响。温包比压力表高时，示值比实际值偏大；温包比压力表低时，示值比实际值小。大气压力变化的影响：因为显示仪表为弹簧式压力表，而这种压力表所测的是内部压力与大气压力之差，所以大气压力的变化会对压力表的示值误差产生影响。5.2温度测量仪表121（3）双金属温度计

双金属温度计是根据金属长度随温度变化而变化的性质制造而成的。双全属温度计的感温元件是用两片线膨胀系数不同的金属叠焊在一起制成的。双金属片受热后，由于两个金属片的膨胀长度不同而产生弯曲。t=t0tt05.2温度测量仪表1225.2.3热电阻式温度计热电阻的测温原理及结构热电阻温度计是利用物体的电阻随温度变化而变化的性质测量温度的。将热电阻置于被测介质中，其敏感元件的电阻将随介质的温度而变化，并且有一个确定的数值。如果知道热电阻值与温度的对应关系，便可用电测仪表通过电阻值的测量，达到测量温度的目的。目前我国在测量温度-200～850℃范围内，用来制造热电阻丝选材有铂、铜和镍等。5.2温度测量仪表123图12.2.工业用热电阻结构1245.2.4热电偶温度计

热电偶测温原理将两种不同的导体A和B，组成闭合回路，如图4.25所示。当A和B相接的两个接点的温度不同时，回路中会产生一个电动势EAB（T，T0），这一电势称为热电势，它是由温差电势和接触电势组成的。导体A、B称为热电偶的热电极。5.2温度测量仪表125热电偶的材料对热电偶的材质和选用要求：温度测量范围广。在规定的温度测量范围内有较高的测量精度，有较大的热电势，温度与热电势的关系是单值函数，最好呈线性关系。性能稳定。在规定的温度测量范围内热电性能稳定，均匀性和复现性好。物理和化学性能好。在规定的温度测量范围内不产生明显的晶粒长大或蒸发现象；抗氧化性和抗还原性能好。尽可能少采用贵重金属材料。目前我国热电偶制造的常用选材为镍铬—康铜和铁—康铜。5.2温度测量仪表126温度计的安装5.2温度测量仪表127常用温度计的种类及适用温度1286天然气计量误差1296.1测量误差测量误差就是测量结果和待测量的真值（或约定真值）之差值。测量误差有大小，正负和单位。测量结果的真实值是指在某一时刻，某一位置或某一状态下，被测物理量的真正大小，一般把标准仪器所测量的结果视为真实值。6天然气计量误差130造成测量误差的主要原因测量方法不完善、计量工具不准确，外界环境条件的影响，被测量对象的不稳定，计量工作人员的观测能力和技术素质欠佳等，都是产生测量误差的主要原因。6天然气计量误差1316.2天然气输差可能是计量仪表不准确、计量方法(原理)不完善或者是存在对输送介质的漏计、漏损、漏报和人为放空等诸多方面的因素导致的输差的发生。输差与误差的区别输差就是指燃气在输送过程中出现的流量量值差异。6天然气计量误差1326.2.1输差产生的原因①量值是用仪表测量出来的，由于测量过程中存在一些不可避免的因素，有测量就会有误差。②天然气在管道中输送存在能量转换，天然气的量值会发生变化，所以输入、输出的量值就产生差值。③管线和井站仪表阀门漏失。④参数影响（气质、计算参数等）。⑤计量管段、计量仪表安装影响等。⑥计量管理影响（周检、参数、统计等）。6天然气计量误差133(一)天然气测量的附加误差按照标准、规程的要求安装、使用流量计，才能保证其测量误差在允许范围内。在实验室里标定流量计是在实验室特定条件的流动状态下标度的，应用于现场，流体的流动状态一般都达不到实验室特定条件，根据计量学的相同性和相似性原理可知，出现流动性状态条件的偏差，就会增加流量测量的附加误差。6天然气计量误差134(一)天然气测量的附加误差除容积式/科式流量计之外，其它所有流量计(包括差压式流量计、速度式流量计等)都受气体流态、外界干扰因素的影响。所有流量计的性能都受气流气质的影响，特别是气流中的杂质、污物不利于流量计的运行，不利于流量计量。天然气管路中流动状态复杂，现场影响因素众多。其中若流量计上下游管路阻力件和工艺设备的布置不符合标准要求，会对气流流态造成的不利影响，最终会导致流量计量的附加误差，且绝大部分因素会造成计量偏低。6天然气计量误差135(一)天然气测量的附加误差流量计受到气质改变、介质沾污的影响，其测量不准确度也会发生变化。在现场条件许可的情况下，尽可能改善气流洁净程度，且在满足标准的前提下尽可能改善气流流态(如：延长流量计上下游直管段的长度、加装整流器、脉冲衰减器等)，以改善流量计量系统的性能，降低附加误差，是保障企业合法利益的有效手段。6天然气计量误差136(二)相关测量参数多，经常更换参数易发生错误流量测量属于多参数间接测量，除了按其测量原理对主要关键参数的准确测量外，还应考虑其他影响主要参数（或流量测量值）的物理参数进行准确的测量，并按其相关关系式进行准确的计算。6天然气计量误差137

例如，差压式流量计，除了准确测量出主体参数差压外，还应准确测量出压力、温度、粘度、流体密度，对于天然气还应准确实时地测量出气体的组分，以便计算其压缩因子、等熵指数等相关参数。同理，速度式或容积式流量计，除了分别准确的测量出流体速度和流体体积外，也应准确的测量出流体的压力、温度、组份等相关参数。6天然气计量误差138天然气是一种成分复杂多变，在采集输配过程中压力和温度也在不断变化的一种流体物质，相关参数多，对流量测量的影响大，所以其流量测量较其他液体或组分稳定单质气体的流量测量更难测准。因为相关参数太多，计量过程中易发生差错，需要严格控制。其中有人工管理的参数，还有自动采集管理的参数。6天然气计量误差139(1)人工管理参数的更换，易发生差错。如，孔板流量计经常更换孔板，随之需要更换流量计中的孔板参数，在这一过程中易发生差错，需要加强复核管理，以避免差错。复核管理则需要详细的历史数据。6天然气计量误差140(2)自动采集的参数（如自动采集的差压）也有可能出现差错，可能因为采集器性能问题、外界干扰问题、系统内部通讯问题、程序逻辑问题造成自动采集的参数的发生差错。如：常见的自动检测系统中出现的流量数据的丢失，就属这类情况。这类差错的审核需要详细的历史数据。若没有详细的历史数据，这些问题则变得非常隐蔽而无法复核。6天然气计量误差141总之，定期或不定期地对历史数据的实施复核，是避免或减少差错的有效手段。这就是常说的“流量计量数据应具有可追溯性”。具有“可追溯性”的数据，才能保证其可靠性。6天然气计量误差1426.2.2输差的控制输差分析及控制应当从人、机、料、环、法五个方面进行综合考虑。依据标准，加强仪表的安装、使用、维护等管理，消除人为误差正确选用配套的仪表借鉴国外先进技术，加快新型流量计的开发6天然气计量误差1437天然气计量管理144主要内容7.1概述7.2天然气交接量7.3天然气的质量标准GB17820－19997.4天然气计量管理的依据7.5天然气计量的管理特征7.6天然气计量技术特征145前言计量技术是一种最前卫的技术，几乎所有技术的发展都离不开计量技术的发展。对企业来说，计量管理是一项基础工作，与安全、生产和经营密切相关，“计量就是计钱”这句老话充分体现了计量管理的重要性。计量管理不仅是计量管理部门的任务，企业各个专业的管理部门、管理人员对计量管理都十分关注、十分支持。天然气计量管理，其本身是一项复杂的系统工程。7.1概述按照计量管理工作的基本要素，常常将计量管理工作分为三个方面：1.计量人员管理；2.计量器具管理；3.计量资料管理。1477.1概述根据天然气生产、经营的需要，可以将天然气特定的量分为三大类：1.天然气的数量2.天然气的质量3.天然气的状态量1487.1概述1.天然气的数量用来衡量天然气的数量或多少的量有：体积量、质量(或重量)、能量(或热值量)。在天然气的贸易交接计量，以天然气流量计量为基础，常常使用一定时间段流过管道的天然气流量的累积值进行交接，而不是直接用流量值来进行交接。1497.1概述2.天然气的质量用来衡量天然气品质优劣程度的量主要有：组份含量(如烃烷含量、硫化氢含量、总硫含量、二氧化碳含量、水含量等)、单位发热量等，见GB17820-1999。与天然气性质有关的量，一般需要通过天然气取样及化验分析来获得。为了准确测量天然气的流量，也需要天然气性质有关的特性参数。3.天然气的状态量描述天然气状态的量主要包括：压力、温度等。1507.2天然气交接量依据：国家计委、国家经委、财政部、石油部联合发布的《天然气商品量管理暂行办法》（计燃[1987]2001号）；国家计委、能源部联合发布《原油、天然气和稳定轻烃销售交接计量管理规定》(能源油[1990]943号)GB/T19205-2003《天然气标准参比条件》1517.2天然气交接量《天然气商品量管理暂行办法》中规定：凡需要进行天然气流量计量标准测量的单位，必须制定科学的设备、要求、仪表的管理、操作、维护等制度和规程，并严格按制度和规程的要求，由计量部门对标准节流装置及计量仪器、仪表进行定期校核、以确保量值的准确性。

在气量结算时，以供气方的测量值为准。供用双方应定期对计量仪表进行检查校核。用户对供气方的气量测量值有疑议时，可及时提出，并共同查找原因。在未查出之前，仍按供方的测量值为准进行气量结算，用户不得拒付。若供气方的气量测量值确有错误，在查明原因并整改后，供方应根据校正值予以调整，并按调整后的气量结算。1527.2天然气交接量《原油、天然气和稳定轻烃销售交接计量管理规定中规定：交接计量方式由供方根据需要选择确定。计量器具由供方负责操作，买方监护。计量员(监护员)必须持有省、部级计量主管部门或其授权的计量技术机构颁发的操作证书。1537.3天然气的质量标准GB17820－1999GB17820－1999《天然气》国家标准由国家质量技术监督局于1999年8月20日发布，于2000年3月1日实施。该标准是在行业标准SY/7514-1988《天然气》基础上，总结了近10年的实践经验，参考ISO13686:1998《天然气质量标准》和国外有关天然气的管输规范，按硫和二氧化碳含量对天然气进行分类，提出了天然气的技术要求，以保证输气管道的安全运行和天然气的安全使用，有利于提高环境质量，适应我国天然气工业的发展需要。1547.3天然气的质量标准GB17820－1999GB17820－1999标准的主要内容如下：1.产品(天然气)分类和技术要求1.1天然气按硫和二氧化碳含量分为一类、二类和三类。1.2天然气的技术指标应符合表1的规定。1.3作为民用燃料的天然气，总硫和硫化氢含量应符合一类或二类气的技术指标。155天然气的技术指标项目一类二类三类高位发热量，MJ/m3＞31.4总硫(以硫计)，mg/m3≤100≤200≤460硫化氢，mg/m3≤6≤20≤460二氧化碳，％(V/V)≤3.0—水露点，℃在天然气交接点的压力和温度条件下，天然气的水露点应比最低环境温度低5℃注：1本标准中气体体积的标准参比条件是101.325kPa,20℃。2本标准实施之前建立的天然气输送管道，在天然气交接点的压力和温度条件下，天然气中应无游离水。无游离水是指天然气经机械分离设备分离不出游离水。7.3天然气的质量标准GB17820－19991567.3天然气的质量标准GB17820－19992.输送、储存和使用2.1在天然气交接点的压力和温度条件下，天然气中应不存在液态烃。2.2天然气中固体颗粒含量应不影响天然气的输送和利用。2.3天然气在输送、储存和使用的过程中，应符合GB50183《原油和天然气工程设计防火规范》和GB50251《输气管道工程设计规范》的有关规定。1577.4天然气计量管理的依据（一）计量法规文本法律法规规章和规范（二）天然气计量技术文件（三）管理制度（四）其他文件1587.4天然气计量管理的依据（一）、计量法规文本天然气计量管理应依据最新发布的、有效的各种计量法规文本，避免使用过时或者作废的有关文本。1.第一层次