天然气的流量计量（三)——天然气的流量计量与仪表的选用

1．天然气输气干线流量计及其校验装置

　　 天然气输气干线所需的流量计主要特点为高压（2MPa以上），大口径（DN150～DN600）， 高精度（0.5级以上），按照即将制定的国家标准"天然气计量系统技术要求"规定了配备的流量计量与仪表的技术要求，如表1、2所示：

表1 推荐的贸易交接计量站仪表配置设计准则

表2 不同准确度等级的计量回路所配套仪表的不确定度要求

　　 目前国内外采用的输气干线流量计有三种类型：孔板流量计，涡轮流量计和超声流量计。为着保证输气干线流量计的高精确度及稳定可靠，配备相应的校验装置成为必不可少的条件，无论国内外都非常重视校验装置的建设。

（一）孔板流量计

　　 孔板流量计在20世纪初即使用于天然气流量测量，经过一个世纪漫长的发展过程，它已成为全世界最主要的天然气流量计，据估计，目前在国外它约占60%，而在国内占90%以上。美国AGA（美国气体协会）3号报告（孔板流量计计量天然气及其它烃类流体）就是针对天然气计量的标准，从1955年发布起已经过多次修订（1955年第一版，1969年第一版修订，1985年第二版，1990-1992年第三版，2000年第四版），尤其是第三版有实质性的修订，它是在80年代国际上对孔板流量计进行大规模研究试验的基础上进行的，AGANO3总结了几十项针对天然气计量的专项研究，其中大部分的实验介质就是天然气，可以说用孔板流量计测量天然气流量已经进行过非常深入细致的研究试验，积累的实践经验亦很丰富，在量的基础上产生了质的飞跃，其标志就是标准化，即使用标准孔板流量计，可以无须实校准而确定信号（差压）与流量的关系，并估算其测量误差，目前在全部流量计中它亦是唯一达到此标准的。
　　 孔板流量计的主要特点为结构易于复制，简单牢固，性能稳定可靠，使用期限长，价格低廉等，整套流量计由节流装置，差压变送器和流量显示仪（或流量计算机）组成。它们可以分别由不同厂家生产，易于形成规模生产，经济效益高，各部分组合非常灵活，即使目前推出的一体化孔板流量计，亦可分开生产，再灵活组装。
　　 但是孔板流量计亦有一些重大缺点：输出信号为模拟信号，重复性不高，对整套流量计的精确度影响因素多且错综复杂，因此精确度提高的难度很大。其它缺点为范围度窄，压损大，现场安装条件要求高等。
　　 目前众多新型流量计的出现对孔板流量计形成了严峻的挑战，为着保持其主导地位，它亦在积极地完善着，现列举若干如下：
　　 l） 孔板流量计配套的二部分：差压变送器和流量计算机在微电子技术，计算机技术，新材料，新工艺的迅速发展下己大大提高其性能及可靠性，如宽量程差压变送器，补偿功能完善的流量计算机都使整套流量计焕然一新；
　　 2） 20世纪80年代欧洲和美国都进行了大规模的孔板流量计研究试验，刷新了基础数据，据统计参加试验的实验室达11个，用12种测量管，100多块标准孔板，4种流体（水、空气、油、天然气）进行试验，取得了高质量的数据库：共16376个数据点，其中水8616点，气体5871点，油1889点。试验参数如下：
　　 测量管内径：52mm≤D≤586mm
　　 孔板孔径：12. 5mm≤d≤448mm
　　 孔径比：0.1≤β≤0.75
　　 雷诺数范围：400≤ReD≤53×106
　　 3） 近年孔板流量计两大标准ISO5167和AGANO3都进行了修订，困扰国际流量界的二大标准的分歧得到解决，主要是现场安装条件的差异。二大标准的技术基础是建立在80年代试验基础上，与以前标准相比较，其内容有实质性变化。
　　 4） 定值节流件的采用
　　 定值节流件是指对每种通径测量管道配以有限数量的节流件。节流件的β值（直径比）则按优先数系选用，每种通径配3-5种β值。定值节流件的应用有许多优点；改变节流件应用对号入座的缺陷；节流件生产方式由小生产作业方式转变为大批量生产；对于廓形节流件（如喷嘴，文丘里管等）采用专用加工设备实现批量生产，降低生产成本，为扩大使用创造条件；给用户带来使用的方便；计量监督部门便于监督生产等等。
　　 5） 采用标准喷嘴
　　 标准孔板的一个缺点是入口直角锐利度使用时在流体冲刷下易发生钝化，据估计，钝化严重的可能使流出系数偏移1%～2%，钝化后其流出系数就稳定下来了。标准喷嘴的流出系数是很稳定的，另外，在同样流量和相同β值时喷嘴的损失只有孔板的30%亦就是说它是较低压损的。妨碍喷嘴推广使用有二个原因：喷嘴制造成本高，在标准中喷嘴的流出系数不确定度较大（约2%）。采用定值节流件可降低其制造成本，而个别校准则可得到高精确度的流出系数，在天然气流量测量中用喷嘴代替孔板优点是明显的。

（二）涡轮流量计

　　 在欧洲和美国气，体涡轮流量计是仅次于孔板流量计的天然气流量测量仪表，据说在荷兰天然气管线上采用了2600多台各种尺寸，压力从0.8Mpa到6.5Mpa的气体涡轮流量计，它己成为优良的天然气流量计。
　　 从20世纪60年代开始，国际上对涡轮流量计应用于天然气测量进行了大量的试验研究及实践检验，这些成果反映在国际标准、国际建议以及工业发达国家的标准规范上，它们有 ISO9951《Measurement of gas flow in closed conduits一turbine meter》1993，国际法制计量组织（OIML）OIMLR6《General provisions for gas volume meters》1989和OIML R32《Rotary piston gas meters and turbine gas meter》1989，AGA No7《Measurement of fuel gas by turbine meters》1981，JIS Z8765一80《タ-ヒシ "流量计"じよろ流量测定方法》和欧共体标准prEN（标准草案）12261《Turbine gas meters》等。
　　 气体涡轮流量计的主要特点为
● 高精确度 一般为±1%R～±l.5%R，特殊专用型±0.5 %R～±1%R；
● 高重复性 短期重复性可达0.05%～0.2%，正是由于具有良好重复性如经常校准或在线校准可得极高的　 精确度，在贸易结算中是优先选用的流量计；
● 输出为脉冲频率信号，适于总量计量及与计算机连接，无零点漂移，抗干扰能力强；
● 可获得很高的频率信号（3-4KHZ），信号分辨力强；
● 范围度宽，中大口径可达40：l～10：1，小口径为6：l或5：l；
● 结构紧凑轻巧，安装维护方便，流通能力大。
　　 涡轮流量计的这些特点要真正发挥作用，正确的选型和使用是关键，这点应特别引起重视。
　　 涡轮流量计的特性易受介质物性和流体流动特性的影响，愈是高精确度，其影响愈敏感，例如介质脏污、结垢使叶片及通道发生变化，流量计特性亦随之改变；轴承磨损使特性偏移等。流体流动特性有来流速度分布和流体脉动等的影响，要保持仪表校验时的参比流动条件，其仪表系数才保持不变，否则需进行相应的修正或实行在线校准，以获得现场实际的流量计特性。
　　 对于大流量贸易结算计量，流量计的精确度应是首要考虑的，通常应配备在线校验设备，当然亦可用移动式校验装置进行在线校验。
　　 以下列举一种典型的气体涡轮流量计的技术参数及其特点：
　　 荷兰Instromet SM-RI-X型高精度气体涡轮流量计 技术参数
● 额定压力范围：ND10Kpa-ND100Kpa和ANSI125Kpa-ANSI600Kpa或更高；
● 公称通径：50mm（2"）至600mm（24"）或更大口径；
● 流量测量范围：最高为25000m3/h（工况下）；
● 范围度：在标准压力（101.325Kpa）下，大于20：l（较小口径要小些）；
● 安装方式要求：口径200mm及200mm以下水平/垂直安装；大于200mm只能水平安装；
● 重复性：优于0.1%；
● 测量精确度：20%Qmax-Qmax时，±0.5%；Qmin-20%Qmax时，±1%；
● 直管段要求：上游2D，下游2D；
● 介质温度范围：-10oC至65oC或更大范围。
　　 SM-RI-X型气体涡轮流量计的特点
● 结构刚度和流道设计确保测量精度与工作压力（密度）无关；
● 一体化专利的X4X整流器确保上游2D条件下具有合格的测量精度；
● 结构设计确保气流不通过轴承，从而不受污物沉积影响，漂移很小；
● 采用独特的反推结构，确保轴承的长期寿命；
● 具有独特的双高频输出可以进行在线诊断；
● 通过了严格的动平衡测试。
　　 SM-RI-X型气体涡轮流量计适用于各种无腐蚀性气体的测量，如天然气，丙烷，燃料气和原料气等，特殊结构SM-RI-X型可用于测量腐蚀性气体．目前在加拿大TCC高压气体计量站上用它作为标准表。

（三）气体超声流量计

　　 气体超声流量计的应用始于20世纪90年代，由于它的一些突出优点：测量精确度高、范围度特宽、无压损、无可动部件、安装使用费低等，受到用户的欢迎。至今已有美国、荷兰、英国等12个国家政府机构批准它作为贸易结算的法定计量器具，它是继孔板流量计，涡轮流量计之后第三类适用于高压、大口径、高精度的天然气流量计。
　　 超声流量计的工业应用已有约40年历史，以前主要是在液体方面的应用，由于气体声能衰减较大，气体的应用遇到很大困难。80年代以来，由于高速数字信号处理技术和先进的压电陶瓷技术的发展，使气体超声流量计测量天然气技术有突破性进展，近年来，它的研发呈加速发展之势。国际标准化组织ISO发布ISO/TR12765《用时间传播法超声流量计测量封闭管道内的流体流量》，美国1998年颁布了AGAN09《用多声道超声流量计测量天然气流量》总结了阶段成果，目前澳大利亚和欧洲各国正在进行制定国家标准和国际标准的准备工作。
　　 与孔板、涡轮流量计相比，气体超声流量计确实还很年轻，至今尚未见有一部关于它的国家标准或国际标准发布，许多实用问题仍在探索中，但是它的潜力，后发优势却是明显的，近年建成的世界最大容量的天然气实流校验装置加拿大TCC装置甚至采用它作为辅助标准表。当然，它还仅是气体涡轮流量计的副手。
　　 气体超声流量计有以下几个特点引起人们的重视：

　　 l）提出解决流体流动特性对流量计特性影响的新方法

　　 推理式流量计的特性受流体流动特性的影响，是现场测量附加误差增加的一个主要原因，它是此类流量计试验研究的主题之一。但是由于现场阻流件类型的复杂性，流速廓形畸变，旋转流以及脉动流等类型千变万化，孔板流量计花了数十年时间，耗费大量人力、物力进行试验，其成果仍不能满足现场的需要，其它类型流量计的研究试验仍在大力进行中。近年出现的多声道气体超声流量计，它利用多声道构建层析网络，然后应用计算机技术进行实时补偿取得良好效果，这是一种应用软测量技术解决问题的方法，它与孔板流量计等采用对号入座式对阻流件逐个试验的方法无疑有较好的技术经济性。
　　 图3所示为 Instromet公司 5声道Q·sonic-5s声道布置图。它包括有两个二次反射的声道和三个单反射的声道，称为矩阵布置式。

图3 声道的矩阵布置

　　这种流量计在现场复杂阻流件干扰下只需很短的直管段配置（上游小于10D）可保证测量的精确度。

　　 2）流量计的干校技术

　　 流量计可实施干校（无须实流校验）是仪表先进性的标志，所有类型流量计都在追求实行干校，但是并非全部流量计皆可实现。干校给仪表制造厂和用户带来巨大的经济利益，尤其是用户可解除其后顾之忧，试想，一台高压大口径流量计需定期实行实流校验，其麻烦令人恼火。超声流量计由于其本身工作原理的特点，实行干校独具优势，初步研究表明，气体超声流量计实行干校是完全可能的，对于时间传播法，它可由时间和长度二个参数进行干校，求得流量计的仪表系数。

　　 3）流量计的计量溯源性

　　 由于流量参数的动态性质，仪表准确度存在较大问题之一是计量溯源性。至今国际上还没有公认的流量量值的实物标准，流量量值的统一采用装置比对实现。流量量值的原级标准是一座流量标准装置，在装置上把各基本量（长度、质量、时间及温度）综合为导出量一流量，然后把流量量值传递给一台或一组流量计，称为传递标准（流量量值的载体），藉助传递标准把量值传递到工作仪表。由此可见，原级标准是一种固定装置，其特点与流量计有较大差别，不仅标准没有移动性，它亦无法实际反映流量参数的动态性质。如果能够在一台流量计上把基本量综合为导出量，它将是一台原级标准。时间传播法超声流量计的流量方程主要由二个基本量组成：时间和长度。现在国际上有些专家已注意到这个特点，认为超声流量计存在成为原级标准的可能，如果这可能变为现实，则流量测量技术将产生革命性的变化。
　　 以下列举一种多声道气体超声流量计的技术参数及其特点

图4略

　　 荷兰Instromet公司Q.socic-5s型多声道气体超声流量计（图4）的主要技术参数：
气体压力范围 0-10MPa，最大可达45MPa
气体流速范围 -30到+30（米/秒）
管径 4"～64"（100-1600mm）
气体温度范围 -20oC～+60oC，可提供更高温度范围
重复性 ≤5mm/s
分辨率 ≤1mm/s
精确度 ≤0.5%
供电 DC24V；AC110，230V
功耗 7W
模拟输出 4～20mA
数字输出 RS-485，0-10KHZ，光电耦合脉冲输出
响应时间 1次更新/秒
建议的直管段 上游10D，下游3D
传感器安装位置 温度：上游或下游4D 压力：在表体上
防爆等级 Cenelec EExd ⅡT6（电子电路） Cenelec EExm Ⅱ T6（传感器）

主要特点：
● 无阻碍物，无可动部件，无压损，无示值漂移现象；
● 范围度特宽（40：1－200：1）；
● 不受气体压力、温度或组分变化的影响；
● 不受气体中固体颗粒和液滴的影响；
● 重复性好，精确度高，线性好（采用了分布合理的多反射并将声程加长的专利技术）；
● 有强大的自检测与自诊断功能（超声换能器发射功率自动增益控制，测量有效性及采样百分比监测功　 能）；
● 全数字式计量系统，易于实现数字通信；
● 超声换能器可正常工作在0.1MPa（表压）至15MPa（表压）的压力范围内；
● 采用单反射和双反射与普通传统声道的超声流量计相比声道长度大了6倍，使测量误差减少一半以上　 ；
● 专利的声道布置合理，可形成密闭的超声层析网络，相对于管轴线是绝对轴对称的，不受安装方位，　 速度分布和涡流的影响；
● 维护简单，可带压更换超声换能器，无须重新标定；
● 可精确测量双向流和脉动流；
● 通过了14个国家的型式批准。

Q．Sonic-5s气体超声流量计的应用场合：
● 贸易输送计量；
● 地下储气库（双向计量）；
● 气体压缩机控制，气体处理厂，计量和调压站，过程工业中高价值气体的计量和火电厂耗气量计量等一般流量计量或检测场合；
● 作为常规贸易计量仪表的检定表。