3.2.3  天然气流量的测量

随着全球环保实业的发展，天然气的开发和利用越来越被人们所重视。天然气作为清洁能源，在世界一次能源结构中的比重逐年上升。发达国家一般已达到30％～40％，而我国起步较晚，目前这一比例还不高。

我国是天然气资源较丰富的国家之一，但天然气的利用却严重滞后，天然气工业发展有着很大潜力，尤其是西气东输工程的建设，必将为我国经济、社会很环境的协调发展产生强大的推动力。

（1）我国是天然气计量的发展趋势和主要方法 目前，国际天然气贸易计量分为体积计量、质量计量和能量计量三种。工业发达国家质量计量和能量计量两种方法都在使用。我国天然气贸易计量是在法定要求的质量指标下以体积或能量的方法进行交接计量，目前基本上以体积计量为主。

按有关标准规定[10],天然气的标准状态体积流量q_n以Nm³/s为单位，工作状态体积流量q^f以m³/s为单位；质量流量qm以kg/s为单位；能量流量以MJ/s为单位。

①天然气标准体积流量计算。标准状态体积流量qn计算式为

                qvn=qnf                     (3.38)

或               qvn=qm/ n                    (3.39)

式中  qvn――标准状态体积流量，Nm3/s；

      qvf――工作状态体积流量，m3/s，体积流量计实测值；

      qm――质量流量，kg/s，质量流量计实测值；

      ρf――工作状态下的密度，kg/m3，实测或计算；

ρn――标准状态下的密度,kg/m3,实测或计算。

天然气在工作状态下的密度ρf若用天然气气流绝对静压pf、热力学温度Tf和压缩系数Zf进行计算，其公式为

                                 （3.40）

式中 Mm――天然气的摩尔质量，kg/kmol，参照标准GB/T11062计算；

     Ra――通用气体常数，MJ/(kmol·K),其值为0.000831448。

天然气在工作状态下的密度ρn的实用公式与式（3.40）相似，其中pf、Tf、Zf用标准状态的 pn、Tn、Zn替代即可。

因此，天然气标准体积流量qn的计算式还可写成

                         qm=qvf         (3.41)

式中 qvf――含义同式（3.38）；

      pf――工作状态绝对压力，MPa，压力实测值；

      Tf――工作状态热力学温度，K，温度实测值；

      Zf――工作状态下天然气的压缩系数，按SY/T6143标准A1.4条及公式（A8）计算（或按GB/T17747.1～3标准计算）；

Pn――标准状态绝对压力，Mpa，其值为0.101325；

Tn――标准状态热力学温度，K，其值为293.15；

Zn――标准状态下天然气的压缩系数，按SY/T6143-1996标准公式（A8）计算或按GB/T17747.1～3标准计算）。

②天然气质量流量计算。天然气的质量流量计算式为

           qm＝qvfрf                       (3.42)

式中  qm――天然气的质量流量，kg/s，除由式（3.42）计算外，也可由质量流量计直接测量；

qvf――含义同式（3.38）；

рf――含义同式（3.38）。

工作状态下的天然气密度рf可用气体密度计在线进行天然气气流密度的实测，用实测值参与流量计算。如果用式（3.40）计算рf值，应有工作状态下的绝对静压pf，热力学温度Tf和天然气组分分析数据yi（组分摩尔分数），按相应的标准计算天然气的摩尔质量Mm和压缩系数Zf，最后才能计算出рf的值来。

③天然气能量流量计算。天然气的能量流量可以由标准体积流量或质量流量乘以发热量Hs来计算。

以标准体积流量计算能量流量的计算式为

       En=qvnHsnv                         (3.43)

式中  En――天然气的能量流量，MJ/s；

       qvn――天然气的标准体积流量，由式（3.38）或式（3.41）所得结果；

       Hsnv――单位标准体积的高位发热量，MJ/m3，实测或计算。

以质量流量计算能量流量的计算式为

                              En=qmHsnm          (3.44)

式中 En――含义同式（3.43）；

      qm――天然气的质量流量，由式（3.42）所得结果；

      Hsnm――单位质量的高位发热量，MJ/s，实测或计算。

④发热量测量。天然气发热量可采用直接或间接的测量方法获得。对于管网系统，当使用直接测量不经济时，其结算用的发热量也可以用计算方法获得。两种方法都有在线和离线两种方式。

a.直接测量法。直接测量法可按GB12206标准的要求进行。是采用水流式热量计，由水流量稳定调节、天然气流量稳定调节和测量、水温气温测量、气体燃烧和水计量五部分组成。仪器的具体操作方法修正系数计算请参阅GB12206－1998《天然气发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法》。

b.间接测量法。间接测量法是采用GB/T11062标准规定的方法测量天然气的发热量，它是基于对天然气组分进行全分析，然后进行计算，各组分含量同各自发热量的乘机之代数和即为天然气的发热量。组分分析一般采用气相色谱法，具体操作方法请参阅GB/T13610－1992《天然气的组成分析——气相色谱法》。

⑤ 密度测量。天然气密度可以用天然气密度计在线直接测量，也可离线间接测量。

a.在线密度测量。在线密度测量是为了求得流过流量计的天然气质量流量。如果要求得到天然气的标准体积流量，还需得到标准状态下的天然气密度。

对于孔板流量计而言，若在密度计的样气从上游取压孔取出，样气流入在线密度计，它应以特别低的流速流入，并保证对压力和差压的测量没有影响。

除旋转式容积流量计以外的其他流量计，在线密度计宜安装在流量计下游，以避免流量计入口速度分布被干扰。

从取样口到在线密度计之间的连接管线应尽量短、连接件、管线应绝热保温，以减小环境温度对取样气的影响。

为确保在线密度计所测密度值与流经流量计的密度值相同，应将密度传感器的露出部分和流量计的上、下游适当长度的管路进行隔热。

在线密度计应有样气温度测量，当样气温度同主管道中天然气温度有差异时，应该用修正值进行补偿。

b.离线密度计算。在计量站取样口取出有代表性的样气，采用气相色谱仪分析出天然气的全组分分析数据，测量出主管道内天然气静压力和流体温度，然后按式（3.40）计算工作状态下的流体密度。其中摩尔质量Mm按标准GB/T11602计算得到；工作状态下压缩系数Zf按标准SY/T6143－1996A1.4条及公式（A8）计算。

⑥几种天然气常用流量计选型指南。不同的准确度要求和不同的使用条件，天然气流量测量可有多种仪表可选，应综合考虑其准确性、可靠性、安全性及经济性等因素后确定，过分追求高准确度会增加不合理的费用。表3.5所列是几种天然气常用流量计选型指南。

表3.5天然气常用流量计选型指南

注：1.流量计最初用的型号过大会影响小流量的测量准确度。

    2.D为流量计内径。

（2）标准孔板差压式流量计方法  标准孔板差压式流量计已经成为全世界最主要的天然气流量计，目前在国外约占60％，在国内占90％。几十年来AGA Report No.8总结了几十项针对天然气计量的专项研究和实践应用，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，可以无须实流校准而确定信号（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是惟一达到此标准的。为了消除自身存在的输出信号为模拟信号、重复性不高、范围度窄、压损大等重大缺点，采用了微电子技术、计算机技术、定值节流件和标准喷嘴等技术装置，使其技术水平有了进一步提高。

① 流量计计算方法。用来测量天然气流量的标准孔板流量计，就其结构和基本计算公式来说，同测量一般气体的孔板流量计并无二致，有差异的仅仅是计算基本公式中的关键变量工作状态下流体密度ρ时，针对天然气的特性有一些专用的方法。AGA Report No.3 (1990~1992年第3版)《天然气流体计量同心直角边孔板流量计》提供了实用方法。1992年11乐美国煤气协会出版了AGA Peport No.8《天然气及其他烴类气体的压缩因子》（第2版），提供了确定压缩因子的详细方法。我国在GB/T2624－1993的基础上，参考了这两个报告制订了行业标准SY/T6143-1996《天然气流量的标准孔板计量方法》。

GB/T2624-1993中给出的质量流量同差压的关系如式（3.1）所示，由于标准孔板计量方法中规定，采用标准状态的体积流量qvn计量天然气，其计算式为

qvn=                                  (3.45)

式中  n——天然气在标准状态下的密度，kg/m3。

将式（3.45）整理后代入式（3.1）得出标准体积流量qvn计算的基本公式为

  qvn=             (3.46)

式中 ρ1——天然气在流动状态下上游取压口处的密度，kg/m3。

 根据^[10]

                                 （3.47）

                                      （3.48）

式中  Gr——标准状态下的天然气真实相对密度；

      Za——干空气在标准状态下的压缩因子；

      Zn——天然气在标准状态下的压缩因子；

      Ma——干空气的相对分子质量；

      R——通用气体常数。

联解式（3.46）、式（3.47）和式（3.48），整理得到天然气标准体积流量计算的实用公式：

            qvn=AsCEd²F_G                  (3.49)

式中  qvn——标准状态下天然气体积流量，m³/s；

      As——秒计量系数，视计量单位而定，此式As=3.1794 10^-6；

      C——流出系数；

       E——渐进速度系数，E=1/ ；

       d——孔板开孔直径，mm；

        FG——相对密度系数；

       1——可膨胀性系数；

        FZ——超压缩因子；

        FT——流动温度系数；

        P1——孔板上游取压口流体绝对静压Mpa；

        p——气体流经孔板时产生的差压，Pa；

② 系数参数确定

  a. 相对密度系数FG。该系数是在天然气流量实用方程推导过程中定义的一个系数，其值按下式计算：

           FG＝                              （3.50）

其实相对密度Gr按SY /T6143A1.4确定。

b.天然气超压缩因子FZ。天然气超压缩因子是因天然气特性偏离理想气体定律而导出的修正系数，其定义式为

         FZ=                                （3.51）

式中   Zn——天然气在标准状态下的压缩因子；

       Zf——天然气在流动状态下的压缩因子。

FZ值按SY/T6143A1.4确定。

c.流动温度系数FT。流动温度系数FT是因天然气流经节流装置时，气流的平均热力学温度T偏离标准状态热力学温度（293.15K）而导出的修正系数，其值按下式计算：

            FT＝                              （3.52）

式中  T＝t+273.15；

t——为天然气流过节流装置时实测的气流温度，℃。

③ 天然气流量计算实例（孔板开孔直径设计计算）详见本章3.8节。

（3）气体涡轮流量计方法  气体涡轮流量计是仅次于孔板流量计的被广泛用于天然气流量测量的仪表，在美国、欧洲等地区已广泛使用。荷兰在天然气管道上采用2600多台各种尺寸、压力从0.8～6.5Mpa的气体涡轮流量计，其试验研究成果已列入国际标准或国家的技术标准规范中。

气体涡轮流量计的优点是结构简单，安装方便；外形尺寸相对较小；精确度高‘重复性好；范围度宽可达到15∶1～25∶1，在高压输气的情况下，范围度还可增大；其输出为脉冲频率信号，因此在同可编程流量显示表配用时，容易得到较低的系统不确定度。近几年来，国内已有不少仪表厂生产这种仪表，并在油气田推广应用。

其不足之处是涡轮高速转动，轴承与轴之间机械摩擦，寿命不很长，因此应注意润滑，可利用制造厂所提供的润滑手段，定期补给润滑油。

另外，高速流动的气体中如果含有较大的固体颗粒，很容易将涡轮叶片打坏，因此，涡轮流量计前的管道上应加装过滤器。

仪表投运步骤：如果计量回路装有旁通阀，应先开足旁通阀，然后开足上游切断阀，在缓慢开启下游切断阀，最后缓慢关闭旁通阀；如果计量回路没有安装旁通阀，则应先开足上游切断阀，然后缓慢开启下游切断阀，防止涡轮受高速气流冲击而损坏。

（4）气体超声流量计方法  用声学测量技术测量流体流量已有约40年的历史，特别是20世纪90年代以来，随着高速数字信号处理技术和先进的压电陶瓷技术的发展，用气体超声流量计策联国天然气流量的技术取得了突破性发展。由于具有高技术的气体超声流量计具有测量范围宽、测量准确度高、无压损及可动部件、安装使用费用低等诸多优点，它以被欧美等国几百家用户用于天然气贸易计量。至今已有美国、荷兰、英国、德国等12个国家的政府批准气体超声流量计作为法定计量器具。美国煤气协会已于1998年6月发布了AGA Re-port No.9《用多声道超声流量计测量天然气流量》。我国主要参考了该报告，并参考了ISO/TR 12765《用时间传播法超声流量计测量封闭管道内的流体流量》，制订了相应的标准GB/T18604－2001《用气体超声流量计测量天然气流量》。

① 基本原理。用来测量天然气流量的超声流量计一般是自带测量管段的由超声换能器等构成的时差法流量计量器具，换能器一般沿管壁安装，且直接同流体接触，由一个换能器发射的超声波脉冲被另一个换能器所接收，反之亦然。图3.22所示为Txl和Tx2两个换能器的简化几何关系，声道与管道线间的夹角为， ，管径为D。某些仪表中采用了反射声道，此时声波脉冲在管壁上经一次或多次反射。

图3.22气体超声流量测量的简化几何关系

  超声脉冲穿过管道如同渡船河流。如果没有流动，声波将以相同速度向两个方向传播，当管道中的气体流速不为零时，沿气流方向顺流传播的脉冲将加快速度，而逆流传播的脉冲速度缓慢。因此,相对于没有气流的情况，顺流传播的时间tD将缩短，逆流传播的时间tU会增长，根据这两个传播时间，就可以计算测得流速。这就是时差法超声流量的基本原理。

  在图3.22中，有下面的关系式成立，即

                 tD=                                (3.53)

                 tU=                                (3.54)

将式（3.53）和式（3.54）联立并解之得

                      vm=                       (3.55)

式中  L——超声在换能器之间传播路径长度，m；

      X——声道长度在管轴线的平行线上的投影长度，m；

tD、tU——超声顺流传播时间和逆流传播时间，s；

       c——超声在静止流体中的传播速度，m/s；

       vm——流体通过换能器之间声道上平均流速，m/s；

其实，式（3.55）计算得到的流速还只是沿声道方向流体速度的平均值。而用户想知道的是管道横截面上的平均流速v，由vm计算v一般引入一个速度分布校准系数kc，即

         v=kcvm

式中 v——管道横截面上的平均流速；

     kc——流速分布校准系数；

     vm——含义同式（3.55）

kc的数值主要取决于流体的雷诺数。如果声道在通过管道轴线的平面内，则由下式给出kc的一个近似值[11]，即

                    kc                  (3.57)

对于充分发展的紊流，如果声道不在通过管道轴线的平面内（即倾斜的弦线），则kc系数及它与雷诺数的关系都将不同。在多声道流量计中，这种情况是常见的，因为换能器有多种布置形式，声道可以相互平行，也可能是其他取向。流量计可以沿两个或多个倾斜弦线直接传播声波和经反射传播声波。用于将各个声道的测量值合成为平均流速的方法也随流量计的特定结构而变化。

②流量测量准确度

a.气体超声流量计的测量准确度受下列诸因素的影响：流量计壳体几何尺寸和超声传感器位置的参数的准确性；流量计所采用的积分计算；速度分布剖面的质量、气流的脉动程度和气体的均匀性；传播时间测量的准确度。传播时间测量的准确度又取决于电子时钟的稳定性、对声脉冲波参考位置检测的一致性及对电子元件和传感器信号滞后的适当补偿。

对于每一尺寸结构的气体超声流量计，制造厂家应规定流量界限值，即最小流量qmin、转换点流量qt和最大流量qmax，而且在不同的流量区间进行任何校准系数调整之前，测量性能应满足下列要求。

重复性： 0.2％                qt≤q≤qmax   (q为被测流量，下同。)

        0.4％                qmin≤q≤qt

分辨率：0.001m/s

速率采样间隔：≤1s

最大峰间误差（见图3.23）：0.7％，qt≤q≤qmax

零流量读数（对于每一声道）：<12mm/s

气体超声流量计的准确度不仅同流速有关，而且同仪表口径有关。对于小口径仪表，由于声道长度较短，在紊流气体中测量声波传播时间比较困难，因此小口径气体超声流量计的准确度较难提高。 

b.大口径流量计的准确度。在进行任何校准系数调整之前,口径等于或大于300mm的多声道气体超声流量计应当满足下列测量准确度要求（见图3.23）。

最大误差： 0.7％                      qt≤q≤qmax

         1.4％                       qmin≤q≤qt

c.小口径流量计的准确度。在进行任何校准系数调整之前，口径小于300mm的多声道气体超声流量计应满足下列测量准确度要求（见图3.23）。

图3.23多声道气体超声流量计测量性能要求汇总

最大误差： 1.0％         qt≤q≤qmax

           1.4％         qmin≤q≤qt

d.双向测量的准确度。气体超声流量计具有双向测量能力，而且双向测量的准确度相同。

③ 仪表的使用

a.适用范围。气体超声流量计适用于DN≥100mm、p≥0.3MPa（表压）的生产装置、输气管线、储藏设施、配气系统和大用户终端计量站中的天然气计量。

b.天然气气质要求。流量计所测量的天然气组分一般应在GB/T17747和GB17820所规定的范围内；天然气的真实相对密度为0.55～0.8。

在可衰减声波的CO2含量超过10％，或在接近天然气混合物临界密度的条件下工作，或总含硫超过460mg/m3（包括硫醇、H2S和元素硫）的情况下，用户应向制造厂提出相应的专门要求。

c.测量管内附着物的处理。正常输气工况下在流量计测量管内的附着物（如凝析液或带有加工杂质的油品残留物、灰和砂等）会减少流量计的流通面积，影响计量准确度。同时附着物还会阻碍或衰减超声传感器发射和接收超声信号，或者影响超声信号在流量计测量管内壁的发射，因此流量计测量管应定期检查、清洗。

④ 仪表的安装

a.避开振动环境。气体超声流量计的安装应尽可能避开振动环境，特别要避开可能引起信号处理单元、超声换能器等部件发生共振的环境。

b.避免声学噪声干扰。来自被测介质内部的噪声可能会对气体超声流量计的准确测量带来不利影响。在设计及安装过程中应让气体超声流量计尽可能远离噪声源或采取措施消除噪声干扰。

c.气体过滤。在气质较脏的场合，可在流量计的上游安装效果良好的气体过滤器。过滤器的结构和尺寸应能够保证在最大流量下产生尽可能小的压力损失和流态改变。在使用过程中，应监测过滤器的差压，定期进行污物排放和清洗，确保过滤器在良好的状态下工作。

d.双向应用的配管。如果所使用的气体超声流量计具有双向流测量功能，并且也准备将其应用于这种测量场合，那么在设计安装时，流量计的两端都应视为上游，即下游的管道配置形式及相关技术要求应与上游一致，并符合直管段等要求。

⑤ 组态和维护软件。流量计应具有对信号处理单元（转换器）进行就地和遥控组态及监控流量计运行的能力，该软件至少应当显示和记录下列数据：瞬时流量？轴向平均流速、平均声速、沿每一声道的声速和每一超声换能器所接受的声波信号的质量。

⑥ 报警功能。流量计应能以失效安全型、干继电器接点或与地隔离的无源固态开关的形式提供下述报警状态输出，以便及时采取应急措施。

a.     输出失效：当在管输条件下指示的流量无效时。

b.       故障状态：当若干个监视参数中的任一个在相当的一段时间内超出了正常工作范围。

c.部分失效：当多路声道的一个或多个无法使用时。

⑦ 零流量检验测试。每台流量计都应进行零流量检验测试，并遵循以下步骤，

a.在流量计两端装上盲板后，用抽吸或置换的方法将流量测量管内的所有空气排出，压进声速已知的纯气体（通常为氮气）或混合气体，在这个测量腔内保持零流量。

b.从测试开始，气体的压力和温度应保持稳定。在零流量时，信号的顺流传播时间tD和逆流传播时间tU应是相等的，即

            tD＝tU=                    （3.58）

⑧ 实流校准

a.       校准应测试下列流量点：qmin、0.10qmax、0.25qmax、0.40qmax、0.70qmax和qmax。

b.       实流校准应在用户平均操作条件的气体温度、压力和密度下进行。校准时应考虑标准装置的不确定度对测试结果不确定度的合成。

c.       在实流校准测试时，每个流量点至少测试3次，每次数据采集时间不得小于100s，一般为200s，并取3次平均值，在流量下限部分，测试可增加到5～10次。

d.       校准完毕，可根据各流量实验点的误差计算校正值，并采用合适的误差修正方法予以修正。

⑨ 现场验证测试要求。气体超声流量计一般都有丰富的的自诊断功能，在仪表工作异常时，调阅诊断信息，可获得重要线索。除此之外，还可通过下面的测试和分析，对仪表工作情况作出判断。

a.       零流量测试。在无流动介质的情况下，检查流量计的读数是否为零或在流量计本身规定的允许范围内。

b.       声速测试及分析。首先测出某一工况条件下的实际声速，再计算出相同条件下的理论声速，两者之间的差值应在仪表本身规定的允许范围内。

c.       声道长度测试及分析。首先测量出实际实际声道长度，然后在零流量条件下，由理论声速和测量出的传播时间计算出声道长度，两者之间的差值应在仪表本身规定的允许范围内。

d.       声道间读数差异检查。对于多声道超声流量计，应检查不同声道在零流量条件下的读数，其读书差异应在仪表本身规定的允许范围内。

（5）城市天然气流量计的选型  城市是天然气使用的最终用户，城市普遍使用天然气是现代化的标志之一。面对系统繁杂、需求多样的用户群体，要处理许多同输气计量站不同的问题，其显著的特点是：流体压力较低（1.6MPa以下）；口径较小（DN300以下）；安装条件差（直管长度不足）;管道维修力量薄弱；要求计量仪表功能简明易懂、操作方便、免维修、价格适中等。在作计量仪表选型时，不仅要考虑用户的经济承受能力，还要兼顾用户单位仪表选型的传统习惯。在众多的流量计类型中，除了上面三种，常见的还有下面几种。

①旋转式容积流量计。用作天然气计量的旋转式容积流量计主要是气体腰轮流量计，不仅可用来计量干气，也可以来计量湿气（即伴生气）。由于孔板流量计和涡轮流量计不适应测量含有液滴的伴生气，气体腰轮流量计因没有严格要求，所以相对具有一定的优越性。容积式流量计的另一优点是对流动脉动不敏感。

 气体腰轮流量计在使用中应注意以下几个问题。

a.       为防卡、堵，流量计前应加装目数恰到好处的过滤器，并注意排污、检查和清洗过滤网。

b.       仪表投运前应先走旁通，并确保仪表前、过滤器后的管段内没有焊渣等垃圾。投运步骤与前面所述的气体涡轮流量计相同。防止腰轮在超速条件下运行。

c.       应防止计量腔积液，为此，仪表应垂直安装，流量计应高出工艺管线，以便定期排出积液。

d.       容积式流量计运行出现问题时，其上下游差压可能产生相应变化，因此维修人员应经常留心观察此差压，从而对故障是否存在作出判断。

e.       冲洗管道的蒸汽禁止通过流量计。

容积式流量计的不足之处是高速转动时噪声较大。转动部分一旦被垃圾卡死就会影响天然气的供应。其另一个特殊的地方是有降压脉动。根据测量原理，腰轮转动时会产生小的压力脉动。通常情况下，此脉动对自身测量无影响，但在用标准表同腰轮流量计串联起来校准时，就有可能对标准流量计的准确度产生影响。

② 旋进旋涡流量计

a.       仪表结构与工作原理。旋进旋涡流量计的结构如图3.24所示，它由壳体、旋涡发生器、检测和转换系统组成。旋涡发生器使气流旋转应产生漩涡流，壳体内的文丘里管及扩散段使涡流发生进动，检测元件将进动频率检测出来。转换和显示系统将检测到的信号放大和转换后经运算在显示器上显示并将信号送二次表处理。

b.       仪表的特点：工作温度范围宽；范围度大；雷诺数在一定范围内，不受流体温度、压力、密度和黏度影响；适当性强，除含有较大颗粒或较长纤维杂质外，一般不需装过滤器；对上下游直管段要求较低，取上游4D和下游2D直管段即可；输出频率同体积流量成线性关系。

图3.24旋进漩涡流量计结构

   其不足之处是压损较大，其次，旋进旋涡流量计属流体振动式流量计，对于管道振动和电磁干扰较敏感，所以只能在振动较小、无电磁干扰的环境中使用。

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