天然气基础知识三 天然气计量

一、天然气计量概述（一）国际上天然气主流计量办法；对于贸易计量的流量计，统计显示，欧洲主要使用涡轮、罗茨流量计。荷兰涡轮、罗茨流量计的使用约占80%；加拿大涡轮流量计约占90%；美国使用孔板约占80%。从整体上看，二十世纪70年代形成孔板使用高潮，80年代形成涡轮流量计使用的高潮，90年代中后期形成超声流量计使用的高潮。超声流量计因具备流量方程简单清楚、宽范围度、高准确度、牢固可靠无压损，而受到人们对它寄以厚望，但因实际应用时间短暴露出一些问题如噪声影响、直管段长度影响、脏污影响等导致超差，再加上价格因素，用户在选型上还是偏重于应用成熟的涡轮、罗茨等。（二）几种主流流量计计量原理，计量条件以及优缺点概述。1、涡轮流量计（1）涡轮流量计的工作原理：当流体流经涡轮流量传感器时，在流体推力作用下涡轮受力旋转，其转速与管道平均流速成正比，涡轮转动周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，产生周期性的电脉冲信号。在一定的流量（雷诺数）范围内，该电脉冲信号与流经涡轮流量传感器处流体的体积流量成正比。涡轮流量计的理论流量方程为：n—Aqy+B-—斩式中n为涡轮转速；qv为体积流量；A为流体物性（密度、粘度等），涡轮结构参数（涡轮倾角、涡轮直径、流道截面积等）有关的参数；B为与涡轮顶隙、流体流速分布有关的系数；C为与摩擦力矩有关的系数。（2）涡轮流量计组成结构：涡轮流量计由涡轮、轴承、前置放大器、显示仪表组成。被测流体冲击涡轮叶片，使涡轮旋转，涡轮的转速随流量的变化而变化，即流量大，涡轮的转速也大，再经磁电转换装置把涡轮的转速转换为相应频率的电脉冲，经前置放大器放大后，送入显示仪表进行计数和显示，根据单位时间内的脉冲数和累计脉冲数即可求出瞬时流量和累积流量。涡轮变送器的工作原理是当流体沿着管道的轴线方向流动，并冲击涡轮叶片时，便有与流量qv、流速V和流体密度P乘积成比例的力作用在叶片上，推动涡轮旋转。在涡轮旋转的同时，叶片周期性地切割电磁铁产生的磁力线，改变线圈的磁通量。根据电磁感应原理，在线圈内将感应出脉动的电势信号，此脉动信号的频率与被测流体的流量成正比。涡轮变送器输出的脉冲信号，经前置于放大器放大后，送入显示仪表，就可以实现流量的测量。（3）涡轮流量计的优缺点：优点精度高,在所有流量计中,属于最精确的流量计;重复性好;数字信号输出;量程比宽;结构紧凑。缺点不能长期保持校准特性;流体物性对流量特性有较大影响（4）影响涡轮流量计计量准确度的因素以及提高准确度的方法：水击现象：气体在压力管道中流动时，当遇到阀门突然关闭或者开启，压缩机突然开机或者停机，流体流速会发生突然的极具变化，引起管道中流体压力发生反复的，急剧的周期性变化。结果：涡轮的轴被损坏或者叶片被损坏。解决办法：缓开缓闭。磨损：由于长期使用，气质存在杂质，于是造成了涡轮轴或者叶片的磨损。叶片由于污物变得厚重，轴承由于孔隙加大变得松动。结果：影响精度。解决办法：定期清洗，定期维护涡轮叶片。另外，要注意清洗和维护涡轮流量计前面的过滤器。过滤器能够极大地保护涡轮流量计不受损坏并减少磨损。气态影响：涡轮流量计收气态的影响较大，他对管道内流速分布畸变及旋转流是敏感的。结果：影响精度。解决办法：严格执行标准。满足前后直管段的要求，另外，加装整流器将起到更好的效果。安装影响：传感器应安装在便于维修、管道无振动、无强电磁干扰与热辐射影响的场所。结果：影响精度。解决办法：传感器安装时，应保证测量管道与工艺管道同轴，和传感器相连接的前后管道的内径应与传感器口径一致，流体方向一致。上游应有不少于传感器通径长度10倍的直管段，下游应有不少于传感器公称通径长度5倍的直管段。官道上温度计、压力表的安装部位，应设计在传感器上下游不会对传感器产生扰流影响的地方。振动：管道内的水击，压缩机的供气不足都会引起管线振动。会使叶轮均匀连续的转动变为跳跃性间断转动，影响了涡轮流量计输出脉冲频率f,形成不规律的脉冲型号，仪表显示误差变大。结果：影响精度。解决办法：规范安装及操作，减小人为引起的振动；加固管线，减少振动。2、孔板流量计。（1）孔板流量计的工作原理：孔板流量计为差压式流量计。是以伯努利方程和流体连续性方程为依据，根据节流原理，当流体流经节流件时（如标准孔板、标准喷嘴、长径喷嘴、经典文丘利嘴、文丘利喷嘴等），在其前后产生压差，此差压值与该流量的平方成正比。在差压式流量计中，因标准孔板节流装置差压流量计结构简单、制造成本低、研究最充分、已标准化而得到最广泛的应用。孔板流量计理论流量计算公式为：式中，qf为工况下的体积流量，m3/s；c为流出系数，无量纲；B=d/D,无量纲；d为工况下孔板内径，mm；D为工况下上游管道内径，mm；£为可膨胀系数，无量纲；Ap为孔板前后的差压值，Pa；P1为工况下流体的密度，kg/m3。对于天然气而言，在标准状态下天然气积流量的实用计算公式为：式中，qn为标准状态下天然气体积流量，m3/s；As为秒计量系数，视采用计量单位而定，此式As=3.1794X10-6；c为流出系数；E为渐近速度系数；d为工况下孔板内径，mm；FG为相对密度系数，£为可膨胀系数；FZ为超压缩因子；FT为流动湿度系数；pl为孔板上游侧取压孔气流绝对静压，MPa；Ap为气流流经孔板时产生的差压，Pa。（2）孔板流量计组成结构：差压式流量计一般由节流装置（节流件、测量管、直管段、流动调整器、取压管路）和差压计组成，对工况变化、准确度要求高的场合则需配置压力计（传感器或变送器）、温度计（传感器或变送器）流量计算机，组分不稳定时还需要配置在线密度计（或色谱仪）等。（3）孔板流量计的优缺点：优点：适用于较大口径管道的计量。无可动部件，耐用。标准节流件是全世界通用的，并得到了国际标准组织的认可，无需实流校准，即可投用，在流量计中亦是唯一的。结构易于复制，简单、牢固、性能稳定可靠、价格低廉；应用范围广，包括全部单相流体（液、气、蒸汽）、部分混相流，一般生产过程的管径、工作状态（温度、压力）皆有产品。检测件和差压显示仪表可分开不同厂家生产，便与专业化规模生产缺点：测量的重复性、精确度在流量计中属于中等水平，由于众多因素的影响错综复杂，精确度难于提高。范围度窄，由于流量系数与雷诺数有关,一般范围度仅3：1〜4：1。有较长的直管段长度要求，一般难于满足。尤其对较大管径，问题更加突出；压力损失大；通常为维持一台孔板流量计正常运行，孔板以内孔锐角线来保证精度，因此对腐蚀、磨损、结垢、脏污敏感，长期使用精度难以保证，需每年拆下强检一次。（4）影响孔板流量计计量准确度的因素以及提高准确度的方法：基本误差由测量装置本身准确度所决定的误差。由于孔板流量计测得的流量是根据差压信号间接求得的。从公式可以看出，影响测量准确度的主要因素是a、F、£等值。必须保持a、F、£均为恒定值，才能达到差压和流量之间有恒定的对应关系。但在实际生产中，a、F、£都与某些因素有关，特别是流量系数a,它是一个影响因素复杂，变化范围大的重要系数，如果在测量过程中不能保证a为恒定值，则测量误差将会较大。从资料和实验证明，流量系数a值与取压点位置、孔板的开孔截面积和管道截面积比（m=d2/D2）、雷诺数、管壁粗糙度、孔板入口边缘尖锐度有关。所以，标准孔板的选用应符合下列技术要求：标准孔板的技术要求1）孔板相对于开孔直径d的轴线中心对称；2）孔板上游端面A应于下游端面B平行，并且与开孔直径d的轴线垂直；3）孔板A面、B面应无可见的损伤；4）孔板开孔直径d的上游测直角入口边缘G应锐利，无毛刺和划痕。5）孔板开孔直径d的内圆柱表面长度e应符合：0.005DWeW0.02D；6）孔板的厚度应符合：eWFW0.005D；7）孔板下游侧出口边缘H和孔板开孔圆柱形下游侧出口边缘I应无毛刺、划痕和可见损伤；8）标准孔板在使用过程中，会由于天然气的侵蚀而产生变形，从而引起流量系数增大而产生测量误差。因此孔板的材质也是保证孔板工作可靠和测量准确的一个因素。用于天然气测量的孔板采制一般为：Cr17、1Cr18Ni9TiC以及其他耐酸钢。整套流量计的精确度还决定于差压变送器和流量显示仪的精确度。但是当其他参数的精确度不高时采用高精度差压变送器并不能起多大作用。流量显示仪的作用主要在监视运行参数的稳定性等方面，它的数据转换精度一般是无问题的。因此，要提高测量的精确度应有一个全面估计，这样才能作出技术经济性最佳方案的选择。差压仪表本身的精度也是造成基本误差的原因。如果差压仪表的零点漂移，会使测量结果与实际值相差较大。附加误差在流量计的安装和使用过程中，没有严格遵守技术要求和设计所提供的数据而找成的误差。这种误差的大小是无法估计的。但是通过对造成误差因素的分析，可以将误差降低。孔板流量测量系统安装使用时，必须符合下列技术要求：1）孔板安装时，他的开孔中心和管道中心轴线同心，而且它的端面与管道轴线垂直；2）孔板上、下游侧取压孔轴线符合距孔板上、下游端面的距离为25.4±0.8mm的要求；3）取压孔的轴线应与孔板上下游侧2D测量管长度的内圆柱的轴线垂直，取压孔的轴线与孔板两端面向外倾斜角的夹角不大于3度。取压孔直径不应大于0.08D；4）孔板安装需要前后直管段，直管段的长度与孔板上游侧局部阻力件的形式和直径比B有关。5）差压信号管路的安装差压信号管路是指节流装置与差压变送器（或差压计）的导压管路。它是孔板流量计的薄弱环节，据统计孔板流量计的故障中引压管路最多，如堵塞、腐蚀、泄漏、冻结、假信号等等，约占全部故障率的70％，因此对差压信号管路的配置和安装应引起重视。如何提高孔板的使用精度：管理上：1、给流量计的主路备路装上不同孔径的孔板，以便能够随时根据实际流量进行主备路的切换。2、定期清洗孔板，校验孔板，校准传感器数据，定期排污。3、更换孔板，气体组分发生改变的时候要及时在积算仪上改变。采集上（思路）：和中石化分输站的流量进行对比。按照孔板的大小，流量的大小，找出输差系数，在积算仪进行计算的时候，将系数带入。按照实际使用量，进行输差分摊。3、超声波流量计。（1）超声波流量计的工作原理：当超声波穿过流动的流体时，在同一传播距离内，其沿顺流方向和沿逆流方向的传播速度则不同。在较宽的流量（雷诺数）范围内，该时差与被测流体在管道中的体积流量（平均流速）成正比。超声波流量计的流量方程式为：xD2V灯火万工z%-人）『 4卫42Tx£2xzl式中，qf为工况下的体积流量，m3/s；V为流体通过超声换能器皿1、2之间传播途径上的声道长度，m；L为超声波在换能器1、2之间传播途径上的声道长度，m；X为传播途径上的轴向分量，m；t1为超声波顺流传播的时间，s；t2为超声波逆流传播的时间，s。（2）超声波流量计组成结构：速度式气体流量计一般由流量传感器和显示仪组成，对温度和压力变化的场合则需配置压力计（传感器或变送器）、温度计（传感器或变送器）、流量积算仪（温压补偿）或流量计算机（温压及压缩因子补偿）；对准确度要求更高的场合（如贸易天然气），则另配置在线色谱仪连续分析混合气体的组分或物性值计算压缩因子、密度、发热量等。（3）超声波流量计的优缺点：优点：可做非接触式测量为无流动阻挠测量,无压力损失可以测量强腐蚀性介质和非导电介质的流量；超声波流量计的测量范围大，管径范围从20mm〜5m；超声波流量计测量的体积流量不受被测流体的温度、压力、粘度及密度等热物性参数的影响。缺点:传播时间法只能用于清洁液体和气体;超声波流量计的温度测量范围不高，一般只能测量温度低于200℃的流体；抗干扰能力差。易受污物、结垢、及其它声源混入的超声杂音干扰、影响测量精度；直管段要求严格，为前20D,后5D。否则离散性差，测量精度低；安装的不确定性，会给流量测量带来较大误差；使用寿命短（一般精度只能保证一年）；超声波流量计是通过测量流体速度来确定体积流量，对气体应该测量它的质量流量，仪表测量质量流量是通过体积流量乘以人为设定的密度后得到的，当流体温度变化时，流体密度是变化的，人为设定密度值，不能保证质量流量的准确度。只能在测量流体速度的同时，又测量了流体密度，才能通过运算，得到真实质量流量值；价格较高。（4）影响超声波流量计计量准确度的因素以及提高准确度的方法：正确安装：换能器安装不合理是超声波流量计不能正常工作的主要原因。安装换能器需要考虑位置的确定和方式的选择两个问题。确定位置时应保证有足够的上、下游直管段。在安装方式上，主要有对贴安装方式和V方式、Z方式三种。多谱勒式超声波流量计采用对贴式安装方式，时差式超声波流量计采用V方式和Z方式，通常情况下，管径小于300mm时，采用V方式安装，管径大200mm时，采用Z方式安装。对于即可以用V方式安装又可以方式安装的换能器，尽量选用Z方式。实践表明，Z方式安装的换能器超声波信号强度高，测量的稳定性也好。避免干扰：避免在压缩机、大功率电台、变频，即有强磁场和震动干扰处安装机器；选择管材应均匀致密，易于超声波传输的管段；要有足够长的直管段，安装点上游直管段必须要大于10D（注：D=直径），下游要大于5D；及时核校对于现场安装固定式超声波流量计数量大、范围广的用户，可以配备一台同类型的便携式超声波流量计，用于核校现场仪表的情况。一是坚持一装一校，即对每一台新装超声波流量计在安装调试时进行核校，确保选位好、安装好、测量准；二是对在线运行的超声波流量计发生流量突变时，要利用便携式超声波流量计进行及时核校，查清流量突变的原因，弄清楚是仪表发生故障还是流量确实发生了变化。定期维护与其他流量仪表相比，超声波流量计的维护量是比较小的。对于外贴换能器超声波流量计，安装以后无气压损失，无潜在漏水，只需定期检查换能器是否松动，与管道之间的粘合剂是否良好即可；插入式超声波流量计，要定期清理探头上沉积的杂质、水垢等有无漏水现象；如果是一体式超声波流量计，要检查流量计与管道之间的法兰链接是否良好，并考虑现场温度和湿度对其电子部件的影响，等等。定期维护可以确保超声波流量计长期稳定地工作。二、龙禹压缩天然气有限计量工作经验分享（一）标准站和子站的计量；1、计量数据统计，输差分析。本月累计野进量5朔零售量CWih5）福溢生最匿率购•进量（岫3）零售量CWm3）投卷室损溢率1602000L602QDD0DLS621B4216阳加2Du3mgg-1D350-3.01M3859B7LL891072-32201-L73*360J74D.aa刀口㈤5.