天然氣流量計量現狀與發展

自上世紀90年代以來，我國的天然氣工業得到了迅猛發展。隨著油氣田改制的完成和經營理念的轉變．天然氣生產和輸送部門之間那種傳統的管理調度關系發生了根本變革．雙方之間逐步建立了追求各自大商業利益的供求關系。這種變革使人們對商品天然氣計量技術的研究和發展更加重視。天然氣流量計量已經成為天然氣工業發展的重要制約因素，是企業進行貿易交接、經濟分析和降低運行成本的主要因素，直接影響到企業的經濟效益和用戶利益。

因此，對天然氣進行精確、實時、經濟地計量變得更加重要。這主要體現在：

（1）精確計量。能保證在輸氣監測站上進行公平公正的交易，有效地管理天然氣的供給和消費，控制天然氣的庫存量。大限度地降低輸差，避免輸氣監測的爭端，提高服務質量。
（2）實時計量。有助于輸氣公司優化管線的運營，大限度地提高系統的生產能力。對市場變化作出快速反應。
（3）經濟計量。符合效益DA化的經營理念的要求。天然氣計量系統的投資和運行維護費用決定了天然氣計量的成本。采用先進的計量技術是降低天然氣計量成本的重要途徑。

我國三大石油公司都制定了面向21世紀的天然氣發展戰略。隨著天然氣市場和業務的拓展，各公司之間的競爭將日益加劇，這種局面目前已經在山東、湖北等天然氣新興市場出現。很顯然，快速、經濟地獲取、處理和分析天然氣計量信息將有效地降低輸氣公司的成本，提高服務質量，從而在市場競爭中獲得更大的*。因此，對天然氣計量技術的發展進行預測和研究具有非常重要的現實意義。

天然氣流計量技術現狀

我國天然氣計量起步較晚，氣藏主要分布在四川、長慶、新疆。多年來我國天然氣流量計量一直以體積流量為結算依據，國家石油行業標準已明確規定以溫度293.15K（20℃），壓力101.325kPa時的狀態為天然氣計量標準狀態。從20世紀70年代以來，我國參照國外系列標準，結合自己的實際情況。進行了新型計量儀表的研制，提高了儀表的測量精度、可靠性，并且在天然氣儀表的選型、使用、安裝、維護、管理、氣質分析等方面作了相應的工作。得出一些較重要的結論。同時對現場阻力件、復雜工況的影響，摸索出了一些成熟的經驗。制定了SY/T 6143-2004《天然氣流量的標準孔板計量方法》以及GB/T 11062-1998《天然氣發熱量、密度、相對密度和沃泊指數的計算方法》等一系列天然氣計量標準。盡管如此，我國天然氣計量總體水平與同際先進水平間仍然存在顯著差距。總體上講，設計、安裝不符合SY/T 6143-2004標準；計量儀表合格率低；儀表缺少通用性、互換性好的智能型二次儀表；計量系統在線檢定溯源性差。

1 計量標準

天然氣計量實際上是天然氣流量的測量，是在天然氣流動過程中間接測量的，測量的準確度取決于整套測量系統的合理設計、建設、操作和維護等全過程的質量。為了保證計量系統按統一的技術要求進行全面質量管理，保證天然氣汁量的準確度，制定科學合理的天然氣計量標準是非常必要的。

在天然氣計量的相關標準中，流量計量標準是主要的。另外它還應包括天然氣密度、組成、發熱量、壓縮因子等相關參數的測量和計算標準，還有儀器儀表、設計及安全等標準。天然氣計量涉及到設計、建設、投產、操作、維修、檢驗、檢定以及安全環保等各個方面。因此，其相關標準是很廣泛的。

（1）北美天然氣計量相關標準的情況

美國石油工業發達，天然氣計量技術先進．有嚴格完善的法規、標準和先進的計量設備。

1978年美國通過了天然氣法，統一各州和聯邦政府之間的天然氣價格，規定了以每立方英尺實際的能量含量作為天然氣買賣的基礎，改變了天然氣傳統的計量方式。這種新的計量方式是結合天然氣的質量測量和發熱量測量兩種獨立的測量系統而產生一個新的天然氣能量測量系統。

美國和加拿大的主要輸氣公司（NOVA）所采用的容積式流量標準主要有：

——AGA NO2容積式流量計（Displacement Metering）標準為大容量氣體體積測量的模式容積式流量計的使用方法：

——AGA NO3/ANSI/API 2530天然氣孔板流量計（Orific Metering of Natural gas）標準規定了用孔板流量計測量天然氣，烴類和其它氣體的方法：

——AGA NO5燃氣的能量測量（Fuel gas Energy Metering）標準提供將氣體質量單位換算成能量單位的方法．是AGA NO3和其它體積或質量測量的補充：

——AGA NO7渦輪流量計測量燃氣（Measurement of Fuel Gas by Turbine Meters）標準提供軸向渦輪流量計測量的操作規范：

——AGA NO9（草案）用多聲道超聲波流量計測量氣體的流量（Measurment of Gas by Multipath Ultrasonic Meters）標準規定了超聲波氣體流量計的使用方法。

（2）歐共體天然氣計量相關標準的情況

歐洲標準委員會（CEN）于1998年發布一項天然氣計量站基本技術要求的標準NEN1776（Gas Supply systems-Natural Gas measuring Stations-Functional requirement）。標準反映了歐共體天然氣計量系統的標準要求的XIN情況．它包括的引用標準比較全面地給出歐共體天然氣計量相關標準的概況。EN1776主要包括天然氣輸氣計量站的設計、建設、投用、操作和維修方面的基本要求。計量站的容量為流量大于500m3/h（標準狀態），工作壓力不小于1bar（表壓）。標準包括以能量單位結算的內容，它提供發熱量的測量方法。由于計量站由多種設備組成，標準假設每一種設備要滿足CEN或ISO標準。

另外，制定天然氣流量計量標準的化標準組織（ISO）技術委員會也制定了一系列有關天然氣計量的標準和建議。

（3）我同天然氣計量相關標準的情況

我國尚未形成天然氣計量的系統標準。國內目前在天然氣計量中采用“天然氣流量的標準孔板計量方法”（SY/T 6143-2004），“天然氣發熱量、密度、相對密度和沃泊指數的計算方法”（GB/T 11062-1998）等計量標準。但這些標準尚沒有覆蓋天然氣計量的各個方面，特別是在天然氣貿易計量中缺乏天然氣計量系統統一的、系統的技術標準。為了適應我國天然氣日益化的需要，必須加快我同天然氣計量標準的接軌。

2 計量儀表

（1）孔板流量計

——原理。是以流量守恒定律和流動連續性方程為基礎．當氣體流經節流裝置時。流束在孔板處形成局部收縮。從而使流速增加，靜壓力降低，在孔板前后產生靜壓力差（差壓），氣流的流速越大，孔板前后產生的差壓也越大。從而可通過測量孔板前后差壓來計量天然氣流量。

——優點。適用于較大口徑管道的計量；結構簡單。安裝容易：無可動部件，性能可靠，耐用；應用歷史悠久，標準規定QUAN；按標準制造的孔板不需要標定；價格便宜。

——缺點。壓損大時不適宜長輸管線計量；量程比小；前后直管段要求長，占地面積大；輸出信號為模擬信號，重復性不高；對整套流量計的精度影響因素多且錯綜復雜，很難提高測量精度。

據調查，石油天然氣行業采用孔板流量計作貿易計量的約占95%以上。盡管孔板流量計計量已經是一項成熟的技術，但對于如何確定和減少天然氣計量誤差仍然需要進行革新和改進。在實際生產中通常采用流量調節器來減少孔板上游管線安裝質量對計量精度的影響。XIN研究結果表明，不同類型的流量調節器對計量精度的影響也不同。目前，已經開始將數據采集、儲存和監控系統引入孔板流量計計量中。該系統可以通過對壓力、溫度等參數的監測實現對流量進行時時修正，從而大大提高了孔板的計量精度。

（2）渦輪流量計

——原理。利用氣體推動流量計轉子轉動。通過測轉子轉動次數來計量氣體流量。

——優點。測量精度高，一般渦輪不確定度為0.5%~1.0%。精選渦輪可達到0.25%；測量范圍寬，量程比可達1：30；輸出為脈沖頻率信號，便于和計算機配套：結構緊湊輕巧、安裝維護方便。

——缺點。有可動部件，易于損壞：抗臟污能力差．對介質的干凈程度要求高。

與孔板流量計一樣，渦輪流量計也是一項比較成熟的技術。其技術發展主要體現在以下幾個方面：通過改變轉子的幾何形狀擴大流量計的使用流量范圍：改善旋轉部件的耐磨性。以增加其使用壽命；通過機載微處理器等電子元件隨時監測流量計的使用情況。

（3）超聲波流量計

——原理。超聲波流量計由超聲波轉換器將電能轉換為超聲波能量，以一定的方式發射并穿過被測流體，接收器接收到超聲波信號，供顯示積算儀顯示和積算，實現流量的檢測顯示。

——優點。工作原理簡單，有望成為基準流量計；測量精度高，可達0.5% ：量程比大，一般為1：20，甚至可達1：100；能實現雙向流量計量；可精確測量脈動流；適應性強，占地少；無可動部件，堅固耐用。可直接進行清管作業；不受壓力、溫度、相對分子質量、氣體組分變化的影響。

——缺點。價格昂貴，只適合于大、中口徑：對上下游直管段長度等有要求。

超聲波流量計是繼孔板流量計。渦輪流量計之后第三類適用于高壓、大口徑、高精度的天然氣流量計。在美國等發達國家得到廣泛應用。國內*在大口徑輸氣管道使用超聲波流量計是在西氣東輸管道的天然氣貿易交接中。標準化組織ISO發布ISO/TR 12 765《用時間傳播法超聲流量計測量封閉管道內的流體流量》以及美國1998年頒布的AGA NO9《用多聲道超聲流量計測量天然氣流量》是上用于超聲波氣體流量計的主要參考性標準文獻。目前，我國計量部門批準了超聲流量計作為流量計量器具，國家標準《用氣體超聲流量計測量天然氣流量》已審查通過，為使用氣體超聲流量計提供了依據。隨著天然氣在我國能源體系中地位的日趨重要和以西氣東輸為代表的輸氣管道的增加，超聲波流量計以其非接觸式測量的*優點必將獲得更廣泛的應用。

（4）其它新型流量計量技術

互補式氣體流量計作為一種可替換的計量技術已逐步引起了人們的注意。這種流量計在液體流量測定方面已經用了很長時間，而且用得十分成功，但在輸氣管線的流量測定方面的使用經驗還甚少。這種流量計的基本構型有兩種，即直管式和曲管式，主要適用于高壓、低容量的輸氣管場合，目前尚處于實驗階段。在輸氣管線中的實際應用并不多。1999年5月AGA輸氣計量委員會已決定開始制定一個互補式氣體流量計計量工業標準。

還有幾項可供選擇的氣體流量測定技術也正處在不同的開發階段如使用激光技術的光測法等，在這里不再詳細論述。

天然氣流量計量技術發展趨勢

隨著中國加入WTO，外資企業不斷進人我國天然氣市場以及引進國外天然氣的可能性，天然氣計量與接軌已經成為一種必然趨勢。

綜合分析表明，天然氣計量技術的發展將體現在以下幾個方面：

（1）計量方式由體積計量向能量方式轉變

天然氣的能量計量是在體積測量的基礎上，再配備天然氣發熱量的測量裝置。在天然氣貿易計量中，以能量的方式進行結算是公平的方法。隨著社會主義市場經濟的完善和我國加人WTO，在我國天然氣貿易計量中實行能量計量勢在必行。

我國已有一些天然氣計量站配備天然氣在線分析系統，它可提供天然氣組成和發熱量的數據，如中國海洋石油總公司于1996年投產了南海涯13-1氣田，該氣田90%的商品天然氣經跨底管道輸送香港，用作中華電力公司的燃料，此天然氣按IS05 167和AGA NO8報告進行流量計算，采用自動取樣器定時定量取得天然氣氣樣，南化驗室的氣相色譜儀分析天然氣組成，氣相色譜儀每次使用前用標準氣體進行校準，后以能量計量方式進行天然氣的計量交接。

（2）計量技術的自動化、智能化和遠程化

對于整個天然氣計量系統。流量計只是提供氣體測量數據系統的一部分，除此之外，還有能提供補充測量數據的輔助儀表系統（如壓力傳感器、溫度傳感器、氣體密度計、氣相色譜儀等），以及能按標準程序記錄、儲存和傳輸測量數據的計算數據收集和傳輸系統，甚至計算機網絡。

隨著電子技術、計算機及互聯網技術的迅猛發展，天然氣計量已逐步向在線、實時、智能、實流檢定發展，同時依靠網絡技術實現遠程化通訊、控制和管理，如SCADA系統的應用和智能渦輪流量計系統。為了提高測量精度，加快測量數據的傳遞發送，擴大測量設備的自我診斷的能力，預計在測量系統巾會更多地采用內置式微處理機。

（3）檢定方式、量值溯源從靜態單參數向動態多參數溯源發展

過去流量計檢定方式通常采用檢定靜態單參數方法， 由于流量參數的動態性質。儀表準確度存在較大問題之一是計量溯源性。至今上還沒有*的流量量值的實物標準，流量量值的統一采用裝置比對實。其原級標準是一座流量標準裝置，在裝置上把各基本量（長度、質量、時間及溫度）綜合為導出量—流量。然后把流量量值傳遞給一臺或一組流量計，稱為傳遞標準（流量量值的載體）。借助傳遞標準把量值傳遞到工作儀表。由此可見，原級標準是一種同定裝置，其特點與流量計有較大差別，無法實際反映流量參數的動態性質。隨著國內外實流檢定技術的成熟．天然氣流量量值溯源正逐步向實流檢定方向發展，即以實際天然氣介質、在接近實際現場工況等條件下對流的分參數如壓力、溫度、氣質組分和流量總量進行動態量值溯源。