天然氣計量包括體積計量、質(zhì)量計量和能量計量三種形式。國際天然氣貿(mào)易或歐美日韓等工業(yè)發(fā)達廣泛采用能量計量, 而我國及周邊俄羅斯、中亞地區(qū)天然氣資源仍以體積計量為主。本文簡要介紹常見天然氣計量方式的工作原理、優(yōu)缺點及適用范圍, 供讀者參考。

體積計量

常見天然氣體積計量儀表包括孔板流量計、渦輪流量計、超聲波流量計、腰輪流量計、渦街流量計、旋進式旋渦流量計等。

孔板流量計

孔板流量計為壓差式流量計。工作原理:在管道內(nèi)部安裝孔板等節(jié)流裝置, 天然氣通過時, 流體截面積減小, 流速加快, 孔板后端壓力降低, 通過測量孔板前后壓力變化, 實現(xiàn)對天然氣流量的測量。

優(yōu)點:價格較低;結(jié)構(gòu)簡單, 便于安裝;性能穩(wěn)定;投用前無需實流校核。

缺點:測量精度一般, 且精度難以提高;測量范圍較窄, 滿足計量精度的前提下一般為3:1~5:1, 采用雙量程壓差計可達10:1;對上下游直管段長度要求較高, 一般要求上游30D (D為流量計內(nèi)徑) , 下游7D;通過節(jié)流裝置, 壓力損失較大;由于孔板流量計由法蘭連接, 易產(chǎn)生跑、冒、滴、漏問題, 維護工作量較大。

目前, 孔板流量計主要用于較早投產(chǎn)的天然氣管道, 在川渝地區(qū)天然氣管網(wǎng)占比高達85%, 在西部管道所屬管道占比約32.2%, 在北京天然氣管道公司所屬管道占比約7.2%, 而在西氣東輸所屬管道占比不足1%。早起投用的孔板流量計近幾年正

陸續(xù)升級改造為渦輪流量計或超聲波流量計。

渦輪流量計

渦輪流量計屬于速度式儀表。工作原理:由管道內(nèi)部渦輪和外部檢脈沖器組成, 天然氣進入渦輪后引起轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動, 形成相應(yīng)脈沖信號傳至檢脈沖器, 從而實現(xiàn)天然氣流量計量。

優(yōu)點:結(jié)構(gòu)簡單而牢固, 可靠性高;安裝方便, 便于維修;度高, 重復(fù)性好;測量范圍較可達25:1, 在高壓輸氣情況下, 還可進一步增大。

缺點:由于渦輪高速轉(zhuǎn)動引起的機械摩擦, 需注意潤滑;需在流量計上游配套過濾器, 避免較大固體顆粒損壞渦輪葉片;對上下游直管段長度有一定要求, 一般要求上游10D, 下游5D;上限流速受“氣蝕”現(xiàn)象限制, 一般為10米/秒。

目前, 渦輪流量計在長輸天然氣管道分輸站場較為常見, 在西氣東輸所屬管道中占比約28%, 在西部管道所屬管道占比約15%, 在北京天然氣管道公司所屬管道占比不足6%。

超聲波流量計

超聲波流量計屬于速差式流量計。工作原理:利用兩個具備發(fā)射和接收功能的傳感器相向收發(fā)超聲波, 聲脈沖能量通過管壁和流體以一定角度在兩個傳感器之間傳播, 受流體速度的影響, 從上游傳向下游的聲速由于疊加流體速度而增大, 從下游傳向上游的聲速由于逆向流體流動方向而減慢, 再通過測量兩個方向聲速之差可計算天然氣流速。

優(yōu)點:測量精度高;測量范圍大, 可達100:1;能實現(xiàn)雙向流量計量;無可動部件;無壓損;不受氣體壓力、溫度、組分變化的影響;有強大的自檢測與自診斷功能;全數(shù)字式計量系統(tǒng), 易于實現(xiàn)數(shù)字化通信;維護簡單, 可帶壓更換超聲換能器。

缺點:目前多為進口設(shè)備, 價格昂貴, 只適用于大、中口徑;對上下游直管段長度有一定要求, 一般要求上游10D, 下游5D;不適用于較小口徑 (小于DN100) 天然氣計量。

目前, 超聲波流量計是繼孔板流量計、渦輪流量計之后的第三類適用于高壓力、大口徑、高精度的天然氣流量計。在長輸天然氣管道分輸站場中占比***高, 其中在北京天然氣管道公司所屬管道中占比達87%, 在西氣東輸所屬天然氣管道占比約71%, 在西部管道所屬天然氣管道占比約53%。部分早起投用的孔板流量計也陸續(xù)升級改造為超聲波流量計。

腰輪流量計

腰輪流量計又稱羅茨流量計, 屬于旋轉(zhuǎn)式容積式流量計。工作原理:在流量計殼體封閉計量室內(nèi)安裝旋轉(zhuǎn)腰輪, 流量計前后壓差驅(qū)動腰輪轉(zhuǎn)動, 通過測量計量室空間的容積和腰輪轉(zhuǎn)動次數(shù)可計算天然氣體積流量。

優(yōu)點:流量計前后不需設(shè)直管段, 占地面積小;安裝條件要求低;適應(yīng)介質(zhì)粘度范圍廣, 不僅可用來計量干氣, 也可測量含有液滴的伴生氣;準(zhǔn)確度高, 可靠性強;起步流量小, 量程比大, 可達400:1;對流體脈動不敏感。

缺點:體積較大、笨重;安裝時殼體不能承受管線的各種應(yīng)力;對介質(zhì)清潔程度要求高, 需在流量計上游配套安裝過濾器, 并定期檢查和清洗過濾網(wǎng);腰輪高速轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的噪音較大。

目前, 腰輪流量計廣泛用于石化行業(yè)汽柴油等油品計量, 但僅適用于小口徑、小流量天然氣計量, 在長輸天然氣管道中使用較少。

渦街流量計

渦街流量計是一種流體振蕩型流量計。工作原理:在管道中插入非流線型旋渦發(fā)生體, 流體流動時在旋渦發(fā)生體兩側(cè)分離釋放出規(guī)則的交替排列的旋渦列 (即為“渦街”) , 在一定流量范圍內(nèi), 通過某點的渦街數(shù)量與流體的流速成正比, 通過測量渦街數(shù)量來實現(xiàn)流體流量的計量。

優(yōu)點:測量范圍寬, 可達30:1, 密度越大流量比越高;壓力損失較小, 約為孔板的1/2~1/4;儀表主體可采用不銹鋼材料制造, 抗腐蝕性較強;儀表無可動部件, 安裝維護簡單;現(xiàn)場液晶顯示, 可與工業(yè)自動化系統(tǒng)相連接。

缺點:對管道震動和電磁干擾較為敏感, 不適合在有震動干擾的管網(wǎng)中使用;對測量臟污介質(zhì)適應(yīng)性差, 極易被截止贓物纏繞;在低流速、小口徑情況下應(yīng)用受到限制;對上下游直管段長度有較高要求, 一般要求上游40D, 下游20D。

目前, 渦街流量計一般用于玻璃廠、建材廠等企業(yè)內(nèi)部流量監(jiān)視、考核和能耗計量, 在長輸天然氣管道基本沒有使用。

旋進旋渦流量計

旋進旋渦流量計屬于新型氣體流量儀表。工作原理:旋進旋渦流量計由起旋器和傳感器兩部分組成, 當(dāng)流體通過螺旋形導(dǎo)流葉片組成的起旋器時, 將圍繞中心線強烈地旋轉(zhuǎn)形成旋渦流, 單位時間內(nèi)旋渦流的進動頻率與流經(jīng)傳感器的流體體積流量成正比, 通過測量旋渦流頻率計算流體流量。

優(yōu)點:測量范圍大, 可達20:1;一般不受氣體溫度、壓力和黏度影響, 適用性強;體積小、重量輕, 離線標(biāo)定較為方便;除含有較大顆?；蜉^長纖維雜質(zhì)外, 一般不需安裝過濾器;對上下游直管段要求較低, 一般上游4D、下游2D。

缺點:壓損較大, 一般為渦街流量計的3倍~4倍;對管道震動和電磁干擾較為敏感。

目前, 旋進旋渦流量計主要用于油田內(nèi)部和城市燃氣小型配氣站, 在長輸天然氣管道中使用較少。

質(zhì)量計量

天然氣質(zhì)量計量儀表一般指科氏質(zhì)量流量計, 是一種直接式質(zhì)量流量儀表。工作原理:流體在振動管中流動時, 產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的“科里奧利力”, 是科里奧利于1832年研究輪機時發(fā)現(xiàn)的, 所以叫“科里奧利力”?？剖腺|(zhì)量流量計是根據(jù)該原理制成的一種直接式質(zhì)量流量儀表。

優(yōu)點:測量范圍廣, 可達50:1;上下游不要求直管段;可直接測量流體質(zhì)量;測量精度較高, 穩(wěn)定性好;對介質(zhì)的適應(yīng)性較廣, 可適用于濕氣或臟氣的計量, 也能適用于氣體組分和密度變化較大的氣體。

缺點:價格昂貴;不能測量低壓氣體;壓力損失較大;對安裝固定要求較高;不能用于較大口徑 (DN200以上) 管道天然氣。

目前, 科氏質(zhì)量流量計在小口徑計量、臟污天然氣計量、燃驅(qū)壓氣站自耗氣計量、天然氣生產(chǎn)井以及城市車用CNG加氣機計量等相關(guān)領(lǐng)域有所應(yīng)用。

能量計量

天然氣能量計量是體積計量或質(zhì)量計量的延伸, 可通過體積計量、質(zhì)量計量與單位流量天然氣的發(fā)熱值乘積計算獲得。與體積計量、質(zhì)量計量方式相比, 能量計量更能科學(xué)體現(xiàn)天然氣作為燃料的商品價值。天然氣的發(fā)熱值可通過直接燃燒法測量, 也可通過分析氣體組分計算而得。

對于規(guī)模較大的計量站, 需配套安裝在線氣相色譜儀實時測量天然氣發(fā)熱值;對于規(guī)模較小的計量站, 可采用離線氣相色譜分析方法計算熱值, 再根據(jù)對應(yīng)氣源的種類以及氣源熱值的穩(wěn)定性, 選擇固定賦值或可變賦值的方法確定對應(yīng)計量站天然氣的發(fā)熱值。

天然氣能量計量在國際天然氣貿(mào)易或歐美日韓等工業(yè)發(fā)達已廣泛應(yīng)用, 而在我國及周邊俄羅斯、中亞地區(qū)等天然氣資源應(yīng)用較少。目前, 我國主要天然氣管道站場已基本具備能量計量技術(shù)條件, 并已制訂天然氣能量計量相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。隨著國內(nèi)天然氣市場化改革步伐的加快, 以及對天然氣資源精細化管理要求的提高, 我國也需適時出臺鼓勵政策、制定法律法規(guī)、完善價格體系, 著力推進天然氣能量計量工作的開展。