天然氣計量包括體積計量、質量計量和能量計量三種形式。國際天然氣貿易或歐美日韓等工業發達廣泛采用能量計量, 而我國及周邊俄羅斯、中亞地區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:在管道內部安裝孔板等節流裝置, 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, 實現對天然氣流量的測量。

優點:價格較低;結構簡單, 便于安裝;性能穩定;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為流量計內徑) , 下游7D;通過節流裝置, 壓力損失較大;由于孔板流量計由法蘭連接, 易產生跑、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的天然氣管道, 在川渝地區天然氣管網占比高達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:由管道內部渦輪和外部檢脈沖器組成, 天然氣進入渦輪后引起轉子轉動, 形成相應脈沖信號傳至檢脈沖器, 從而實現天然氣流量計量。

優點:結構簡單而牢固, 可靠性高;安裝方便, 便于維修;度高, 重復性好;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:利用兩個具備發射和接收功能的傳感器相向收發超聲波, 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。

優點:測量精度高;測量范圍大, 可達100:1;能實現雙向流量計量;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;全數字式計量系統, 易于實現數字化通信;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, 屬于旋轉式容積式流量計。工作原理:在流量計殼體封閉計量室內安裝旋轉腰輪, 流量計前后壓差驅動腰輪轉動, 通過測量計量室空間的容積和腰輪轉動次數可計算天然氣體積流量。

優點:流量計前后不需設直管段, 占地面積小;安裝條件要求低;適應介質粘度范圍廣, 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力;對介質清潔程度要求高, 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;腰輪高速轉動時產生的噪音較大。

目前, 腰輪流量計廣泛用于石化行業汽柴油等油品計量, 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生體, 流體流動時在旋渦發生體兩側分離釋放出規則的交替排列的旋渦列 (即為“渦街”) , 在一定流量范圍內, 通過某點的渦街數量與流體的流速成正比, 通過測量渦街數量來實現流體流量的計量。

優點: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;現場液晶顯示, 可與工業自動化系統相連接。

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中使用;對測量臟污介質適應性差, 極易被截止贓物纏繞;在低流速、小口徑情況下應用受到限制;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、建材廠等企業內部流量監視、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, 當流體通過螺旋形導流葉片組成的起旋器時, 將圍繞中心線強烈地旋轉形成旋渦流, 單位時間內旋渦流的進動頻率與流經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, 離線標定較為方便;除含有較大顆粒或較長纖維雜質外, 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。

質量計量

天然氣質量計量儀表一般指科氏質量流量計, 是一種直接式質量流量儀表。工作原理:流體在振動管中流動時, 產生與質量流量成正比的“科里奧利力”, 是科里奧利于1832年研究輪機時發現的, 所以叫“科里奧利力”。科氏質量流量計是根據該原理制成的一種直接式質量流量儀表。

優點:測量范圍廣, 可達50:1;上下游不要求直管段;可直接測量流體質量;測量精度較高, 穩定性好;對介質的適應性較廣, 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, 科氏質量流量計在小口徑計量、臟污天然氣計量、燃驅壓氣站自耗氣計量、天然氣生產井以及城市車用CNG加氣機計量等相關領域有所應用。

能量計量

天然氣能量計量是體積計量或質量計量的延伸, 可通過體積計量、質量計量與單位流量天然氣的發熱值乘積計算獲得。與體積計量、質量計量方式相比, 能量計量更能科學體現天然氣作為燃料的商品價值。天然氣的發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熱值;對于規模較小的計量站, 可采用離線氣相色譜分析方法計算熱值, 再根據對應氣源的種類以及氣源熱值的穩定性, 選擇固定賦值或可變賦值的方法確定對應計量站天然氣的發熱值。

天然氣能量計量在國際天然氣貿易或歐美日韓等工業發達已廣泛應用, 而在我國及周邊俄羅斯、中亞地區等天然氣資源應用較少。目前, 我國主要天然氣管道站場已基本具備能量計量技術條件, 并已制訂天然氣能量計量相關技術標準。隨著國內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、完善價格體系, 著力推進天然氣能量計量工作的開展。