國外天然氣的計量與檢定技術(shù)

2005年計量技術(shù)國外天然氣的計量與粒定技立錢(qián)成文王惠智(中國石油管道公司管道科技中心)(中國石油管道公司沈陽(yáng)調度中心)錢(qián)成文王惠智:國外天然氣的計量與檢定技術(shù),油氣儲運,2005,24(6)38~42。摘要介紹了國外天然氣管道測量技術(shù)、天然氣流量計量與檢定技術(shù)的應用現狀、發(fā)展動(dòng)態(tài)以及天然氣計量標準的最新進(jìn)展情況,提出了目前天然氣管道流量計量技術(shù)的發(fā)展方向,重點(diǎn)介紹了天然氣物性參數及分析測試的標準、孔板流量計的計量標準、渦輪流量計的計量標準、氣體超聲流量計的計量標準,以及天然氣能量計量標準等。主題詞天然氣計量檢定為結算依據的計量方式有質(zhì)量計量、體積計量和能?chē)馓烊粴夤艿罍y量技術(shù)量計量,其中體積計量和能量計量在北美和西歐地區的大規模交接計量中普遍使用。從流量計的選型1、應用現狀來(lái)看,主要有孔板壓差式流量計、腰輪流量計、渦輪歐美工業(yè)發(fā)達國家對天然氣計量技術(shù)研究較流量計和氣體超聲流量計等。其中渦輪流量計腰早,從20世紀70年代開(kāi)始,形成了孔板流量計渦輪流量計和孔板流量計在荷蘭加拿大、美國等國的輪流量計使用高潮,到90年代中后期掀起超聲流量使用率已占到了80%~90%。各種流量計的性能計應用熱潮三個(gè)階段。目前,國際上商品天然氣作對比見(jiàn)表1。表1不同類(lèi)型流量計的性能對比(2)流量計量程比壓損對渦流對流速分測脈動(dòng)流測雙向流測濕氣體清洗管路類(lèi)型敏感度布敏感度孔板1:3(4)很大很敏感不適合不能不能不能渦街較小很敏感很敏感不適合不能不能不能渦輪較小不敏感不敏感不適合不能不能超聲波1:40~1:160無(wú)不敏感不敏感適合可以可以可以2、發(fā)展動(dòng)態(tài)功能可進(jìn)行在線(xiàn)故障診斷組態(tài)和校驗,大大提高了(1)隨著(zhù)電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的迅測量結果的精確度和穩定性。猛發(fā)展,天然氣計量正向著(zhù)在線(xiàn)、實(shí)時(shí)、智能化方向(2)近幾年,通過(guò)對各種新型流量計的研究和開(kāi)發(fā)展,同時(shí)依靠管道 SCADA系統可以實(shí)現遠程通發(fā),使流量計的性能和適應范圍不斷提高,可供選擇信、計量數據采集、控制和動(dòng)態(tài)管理。近幾年通過(guò)對的流量計類(lèi)型日益增多。如在中小流量和中低壓情傳統孔板流量計二次儀表的改進(jìn),現場(chǎng)逐步采用智況下,可選擇各種智能型速度式流量計;在高壓大能壓力變送器、溫度變送器和補償功能完善的流量流量情況下可選擇氣體超聲流量計。最近又出現第24卷第6期錢(qián)成文等:國外天然氣的計量與檢定技術(shù)39流量變化范圍大的中低流量工況。用水流式直接測量天然氣發(fā)熱值,80年代后采用準(3)氣體超聲流量計具有測量精度高、范圍寬、確度和靈敏度更高的氣流式取代了水流式。無(wú)壓損、無(wú)可動(dòng)部件、安裝使用方便和維修費用低等(5)天然氣計量管理工作從單一數據管理向計優(yōu)點(diǎn),能實(shí)現雙向測量(可測正輸和反輸氣流,且兩量系統管理方向發(fā)展,并從影響測量結果的各個(gè)方個(gè)方向的精度相同)。據國外的分析測算表明,使面、各個(gè)環(huán)節進(jìn)行全程、動(dòng)態(tài)、科學(xué)的管理既對現場(chǎng)用超聲流量計系統要比使用高級孔板測量系統節約計量器具的使用及相應人員進(jìn)行管理,又從事后計次投資30%~50%,節省占地50%~70%。氣量糾紛解釋向加強事前儀表的采購選型、安裝使用、體超聲流量計,特別是多聲道氣體超聲流量計,在歐質(zhì)量監督、過(guò)程控制、數據管理、實(shí)流檢定的管理轉美天然氣貿易輸送計量中已被越來(lái)越多的國家所接變和發(fā)展。受。近幾年,在北美地區新建設的幾條大型輸氣管道工程中,如 Alliance管道、 Vector管道和北疆管二、國外天然氣流量計量道工程中,已開(kāi)始采用氣體超聲流量計作為貿易計量,其應用效果已得到證實(shí)。檢定技術(shù)現狀氣體超聲流量計有單聲道與多聲道之分,都是利用時(shí)間傳播法原理來(lái)測量天然氣流量,目前國外近幾年,國外天然氣流量計的檢定從重視干標聲道最多的可達6個(gè)。但是,單聲道與多聲道超聲法逐步過(guò)渡到實(shí)流檢定,即重視量值溯源與量值傳流量計速度分布修正系數的不確定度差別很大。這遞工作。以管輸的實(shí)際天然氣介質(zhì)及在接近實(shí)際運是因為超聲流量計在測量氣體流量(流速)時(shí),沿流行工況等條件下對流量的分參數,如壓力溫度、氣動(dòng)方向速度分布的不均勻性會(huì )引入一個(gè)非常關(guān)鍵的質(zhì)組分和流量總量進(jìn)行動(dòng)態(tài)量值溯源。相繼出現許雷諾修正系數。由荷蘭 Instromet公司的研究發(fā)多實(shí)流檢定實(shí)驗室,如荷蘭國家計量研究院現,多聲道流量計的數據通過(guò)使用積分技術(shù)可以提NMI加拿大輸氣校準公司(TCC)、德國(Pig高速度分布修正系數的精確度,該公司根據試驗數sar)美國科羅拉多工程實(shí)驗室( CEESI)、美國西南據庫的大量數據建立起的曲線(xiàn)表明(,單聲道超聲研究院(SWRI)的氣體研究所(GRI)、英國國家工程流量計雷諾修正系數的不確定度為±1.0%,三聲道實(shí)驗室(NEL)、法國燃氣公司(GOF)等。國內外天超聲流量計的不確定度為士0.4%,而五聲道超聲流然氣流量主要檢定機構的原級標準裝置水平見(jiàn)量計雷諾修正系數的不確定度為士0.3%,正是由于表2。這個(gè)原因,在大口徑于線(xiàn)天然氣貿易輸送中越來(lái)越天然氣高壓大流量檢定裝置一般都建在天然氣多地采用多聲道超聲流量計。最近,一些專(zhuān)家研究管道上,并有一個(gè)大的用戶(hù)(如發(fā)電廠(chǎng)),工作標準裝認為,時(shí)間傳播法超聲流量計的流量方程主要由時(shí)置大多為渦輪流量計。目前世界著(zhù)名的天然氣流量間和長(cháng)度兩個(gè)基本量組成,理論上可以把這兩個(gè)基計檢定機構如下本量綜合為導出量,即流量,這樣超聲流量計存在成1、荷蘭主要的天然氣流量檢定裝置為原級標準的可能性,如果這種可能變?yōu)楝F實(shí),不僅荷蘭國家計量研究院(NMI)是負責荷蘭國家節約大量的人力物力,而且流量測量技術(shù)將會(huì )產(chǎn)生量值溯源等任務(wù)的機構,該院與德國國家物理技術(shù)革命性的變化。目前,一些著(zhù)名的天然氣實(shí)流校驗研究院(PTB)同屬歐洲兩個(gè)最大的天然氣流量檢測裝置,如加拿大輸氣校準公司(TCC)開(kāi)始采用氣體技術(shù)機構歐洲各國的天然氣工作標準都在這兩個(gè)超聲流量計作為工作標準的核查流量計。機構進(jìn)行校準。NMI的低壓動(dòng)態(tài)置換氣體原級標(4)目前在美國加拿大、英國法國、德國、意大準裝置是荷蘭的國家基準,雖然只提供1~4m3h利等國家的天然氣貿易交接計量中普遍采用能量計的流量,但由于小流量易于控制,不確定度可達量的方式,這些國家都制定了比較完備的天然氣能士0.01%NM通過(guò)傳遞標準裝置把量值傳至建于量計量的法規、政策和標準體系。在確定天然氣發(fā)向大用戶(hù)輸送天然氣的管道旁邊的高壓大流量工作油氣儲運2005年bork)三個(gè)地方,統一由NMI歸口管理。其中最高檢定流量為標準狀況下88000m3/h,2.1~5.1Groningen的檢定裝置主要用于高壓測試裝置的量MPa間最大檢定能力為13.2×10m3/h。待檢流值傳遞時(shí)工作標準的檢定,對荷蘭其他高壓檢測裝量計管徑范圍是50~600mm。不確定度為置的溯源起重要作用。它采用標準表法,配有兩套士0.23%~士0.30%。該裝置可通過(guò)傳遞標準溯源標準氣體流量計,一套由10臺平行的容積式氣體流至 groningen檢定站的主標準,也可內部溯源。量計(CVM)組成,每臺CVM的最大流量為400 Westerbork伯努利實(shí)驗室的高壓檢定裝置位于從m3/h,屬于主標準。另一套由一臺400m3/hCVM氣井到聯(lián)合站的兩條大型氣體管道之間(管徑分別流量計和4臺氣體渦輪流量計組成,為次級標準。為1050mm和1200mm)。該檢定裝置采用標準整套裝置可檢定的最大流量為45~36000m3/h,壓表法,由10臺量程為4000m3/h的氣體渦輪流量力為0.9~4.1MPa,不確定度為±0.18%~計組成標準表,工作壓力最高為6.2MPa,在該壓力±0.19%在 Bergum的高壓氣體檢定裝置主要用下最大檢定流量為標準狀況下2.4×10°m3/h,不于檢定氣體流量計,該檢定裝置也是采用標準表法,確定度為士0.30%該裝置有兩條檢定管路,一條可它由4臺量程為4000m3/h的氣體渦輪流量計安裝口徑為400mm的流量計,另一條用于口徑大臺量程為1000m3/h的氣體渦輪流量計、兩臺量程于500mm的流量計,在該管段上可串行校驗2~3分別為1000m3/h和400m3/h的容積式流量計組臺氣體流量計。成,工作壓力為0.9~5.1MPa;在2.1MPa條件下表2國內外天然氣流量主要原級標準裝置機構名稱(chēng)國家最大體積流量最大質(zhì)量流量工作壓力不確定度(m3/h)(kg/s)(MPa)%備注NMI荷蘭常壓±0.01動(dòng)態(tài)轉換,空氣GRI美國43.00010.0±0.10mt,天然氣或氮氣美國4.600±0.10mt,天然氣或氮氣CE美國4.55012.40.10體積法,空氣CEESI美國0.09012.4士0.10mt,非可燃氣CEESI美國0.46510.3±0.10體積法,非可燃氣isar(PTB)德國4800±0.10HPPP,天然氣法國6.0±0.23PVTt,天然氣NEI英國3.500±0.10mt,空氣CVB中國2.4504±0.10mt,天然氣注CVB一成都天然氣流量分站;mt-質(zhì)量時(shí)間法;HPP高壓體積管法PVTt一壓力容積溫度時(shí)間法、加拿大輸氣校準公司的天然氣流量檢定裝TCC裝置的工作壓力為6.5MPa,溫度為1置38℃,流量為50~50000m3/h,裝置總不確定度小加拿大輸氣校準公司(TC)是目前世界上天然于士0.3%。標準表采用荷蘭 Instromet公司的氣流量?jì)x表檢定能力最強、壓力最高的實(shí)流檢定站。 SM-RI-X型氣體渦輪流量計和Q. sonIc5S、Q.son它是由6臺直徑為400mm與2臺直徑為200mmic3S氣體超聲流量計,傳遞標準為 IRM-DUC型腰氣體渦輪流量計組成其主要標準表,每臺渦輪流量輪流量計,裝置溯源至NM和PTB標準。計的上游串聯(lián)一1超聲流量計作為次要標準表,以該站位于一座氣體壓縮機站下游,管道壓力在10臺腰輪流量計標準(傳遞標準),并定7.0MPa范圍內,氣體輸送時(shí)的流量大于2.4第24卷第6期錢(qián)成文等:國外天然氣的計量與檢定技術(shù)41·3、德國 Pigsar檢測站氣體協(xié)會(huì )(AGA)報告、美國材料與實(shí)驗協(xié)會(huì )Pigsar檢測站建于20世紀90年代末,是德國ASTM)、美國儀器協(xié)會(huì )(ISA)歐洲標準化委員會(huì )最大的天然氣流量檢測技術(shù)機構,其天然氣流量檢(CEN)等。近幾年,國外天然氣計量標準的主要發(fā)測和校準由德國國家物理技術(shù)研究院(PTB)授權并展趨勢如下。監督。它是目前唯一一家使用高壓體積管作為原級1、天然氣物性參數及分析測試的標準6標準裝置的技術(shù)機構,工作標準裝置為4臺G1000ISO的TC193委員會(huì )圍繞天然氣熱值計算和氣體渦輪流量計和一臺G100渦輪流量計,工作壓能量計量的要求,先后制訂出版了26項天然氣物性力在1.6~5.0MPa內,對用戶(hù)工況下測量的體積分析測試標準,主要有ISO1343《天然氣標準參比流量在8~6500m3/h范圍,不確定度為士0.15%。條件》、lSO6976《天然氣發(fā)熱量、密度、相對密度和4、美國GRI沃泊指數的計算》、ISO6975《天然氣延伸分析氣相美國西南研究院(SWRI所屬的氣體研究所色譜法》、1SO10715《天然氣取樣導則》、IsO12213(GRI)是世界著(zhù)名的流量檢測和研究技術(shù)機構,它《天然氣壓縮因子計算》等。此外,美國ASTM也制擁有高低壓兩套環(huán)路原級標準和民用氣測試標準訂了類(lèi)似的相關(guān)標準,如 ASTM D1945-91《用氣DTS。檢測方法標準是稱(chēng)重法,介質(zhì)為天然氣或氮相色譜法的天然氣分析方法》、 ASTM D3588-89氣,DTS也可用空氣,不確定度為±0.1%~《計算氣體燃料發(fā)熱量及比重的試驗方法》等±0.25%。GRI與 CEESI的量值溯源方法簡(jiǎn)單明2、孔板流量計的計量標準6了,其原級標準裝置的量值直接溯源至NIST。GRI近幾年,隨著(zhù)差壓變送器、流量計算機、定值節標準裝置的技術(shù)指標見(jiàn)表3流件和標準噴嘴等在孔板流量計上的配套使用,其表3GRI的檢測能力量程、精度、壓損等主要技術(shù)性能得到了極大的改善。在此基礎上,美國和歐洲都進(jìn)行了大規模的孔標準裝置最大流量壓力范圍溫度范圍管徑范圍(m/h)(MPa)(℃)板流量計研究試驗,刷新了基礎數據,建立了高質(zhì)量的數據庫?？装辶髁坑嬛饕袃纱髽藴?即高壓環(huán)路23791.0~8.34.44~48.8950~500ISO5167《用差壓裝置測量流體流量》和美國AGA低壓環(huán)路9060.14~1.4525~200No.3/ANSI/AP2530報告《孔板流量計測量天然民用氣檢測標準710~0.28常溫≤100氣及其它烴類(lèi)流體》。近年來(lái),又對這兩大標準各自條款中規定的現場(chǎng)安裝條件進(jìn)行了實(shí)質(zhì)性的修正。特別是對 AGA NO.3號報告中,使用標準孔板流量三國外天然氣計量標準計,大量利用天然氣做實(shí)驗介質(zhì),可以無(wú)須實(shí)流校準的發(fā)展趨勢(干校)而確定差壓與流量的關(guān)系等相關(guān)問(wèn)題,進(jìn)行了深入細致的試驗研究。通過(guò)對幾十項研究成果的總結和對 AGA No.3報告的多次修訂,已使得該標天然氣計量涉及到管道設計、施工、投產(chǎn)運行、準更趨完善維修、檢驗、檢定及安全環(huán)保等各個(gè)方面,在天然氣3、渦輪流量計的計量標準計量的相關(guān)標準中,流量計量標準尤為重要。近幾在歐洲和北美(如加拿大和美國),氣體渦輪流年,隨著(zhù)質(zhì)量計量和能量計量方法的逐步推廣,有關(guān)量計是僅次于孔板流量計的天然氣流量測量?jì)x表天然氣密度、組分發(fā)熱值、壓縮因子等相關(guān)參數的從20世紀60年代開(kāi)始,國際上對渦輪流量計應用測量和計算標準也包括在計量標準體系中。于天然氣測量進(jìn)行了大量的試驗研究及實(shí)踐檢驗,目前制訂天然氣計量標準的組織主要有,國際制訂了國際標準、國際建議和工業(yè)發(fā)達國家的標準標準化組織(ISO)的TC30《封閉管道流體流量測量規范,主要有1SO9951:1993《閉管道中氣體流量技術(shù)委員會(huì )》、TC93《天然氣技術(shù)委員會(huì )》和TC28測量一渦輪流量計》, OIML R6《氣體體積流量計一《石油與潤滑油技術(shù)委員會(huì )》、國際法制計量組織般規范》和OMLR32《旋轉活塞式氣體流量計和渦4油氣儲運2005年氣》,歐共體標準(CEN)prEN(標準草案)渦輪氣體發(fā)熱量與其總流量的乘積,即:流量計等。Q=V×H(1)4、氣體超聲流量計的計量標準式中Q——交接的總能量;氣體超聲流量計在天然氣管道上的應用始于V—總流量20世紀90年代,它是繼孔板流量計、渦輪流量計之H—單位發(fā)熱量。后第三類(lèi)適用于高壓、大口徑天然氣管道的高精度從式(1)中可以看出,除流量測量外,天然氣單天然氣流量計,至今,已有美國、荷蘭加拿大英國、位發(fā)熱量的測定是一個(gè)關(guān)鍵。美國在能量計量的實(shí)德國等12個(gè)國家的政府機構批準將它作為貿易結施過(guò)程中提出了供出能量原則,即式(1)中的H是算的法定計量器具。近年來(lái)隨著(zhù)高速數字信號處指單位量的天然氣在燃燒過(guò)程中實(shí)際釋放的能量,理技術(shù)和先進(jìn)的壓電陶瓷技術(shù)的發(fā)展使氣體超聲而不是以其中可燃組分含量在規定條件下計算的能流量計測量天然氣的技術(shù)有了突破性進(jìn)展,其研發(fā)量。目前,SO標準規定了兩類(lèi)確定天然氣發(fā)熱量呈加速發(fā)展之勢。但由于氣體超聲流量計的發(fā)展歷的方法,一類(lèi)是使用熱量計的直接燃燒測定法(簡(jiǎn)稱(chēng)史較短,有許多實(shí)用問(wèn)題仍在探索中,因此,歐美各直接法),另一類(lèi)是利用氣相色譜儀得到的組成分析國都在加快有關(guān)氣體超聲流量計的國家標準研究制數據進(jìn)行計算的方法(簡(jiǎn)稱(chēng)間接法)定工作。目前,已頒布的氣體超聲流量計測量標準由于天然氣是一種混合氣體,組分含量各有差主要有ISO/TR12765《封閉管道中流體流量測量異,即使同樣體積的天然氣,其燃燒產(chǎn)生的能量也是用傳播時(shí)間法超聲流量計》和美國AGA在總結不同的,因此,從計量學(xué)的角度來(lái)看,能量計量從能階段研究成果的基礎上發(fā)布的N.9號草案《用多源的利用效率和經(jīng)濟價(jià)值上更準確地反映出了天然聲道超聲流量計測量氣體的流量》等標準氣的優(yōu)越性,比體積計量(或質(zhì)量計量)更科學(xué)。5、天然氣能量計量的標準天然氣計量由體積計量轉變?yōu)槟芰坑嬃坎⒎侵粎⒖嘉墨I是計量技術(shù)的進(jìn)步,它與一個(gè)國家能源開(kāi)發(fā)政策和1,張紅兵等;天然氣流量計的選型和發(fā)展方向,天然氣與石油工業(yè),2003,21(2)。價(jià)格政策有密切的關(guān)系,同時(shí)還涉及一系列技術(shù)標2,陳松等:用于天然氣流量計量的超聲流量計,油氣儲運,2002,準,如ISO/CD15112和ISO/WD15112等有關(guān)能量計量基本要求及其實(shí)施方式的標準。ISO5167、3,EN776: Gas Supply Systems- Natural Gas Measuring StaISO9951和ISO/TR12765等有關(guān)天然氣體積(或tions- Functional Requirement, 1998郭緒明等:淺談建立天然氣量值動(dòng)態(tài)溯源體系,天然氣工業(yè)質(zhì)量)計量的標準,ISO10715、ISO6974、ISO6976003,22(3)ISO/DIS15971-1、 ASTM D588等有關(guān)天然氣組5,高軍:大流量天然氣的計量和儀表檢定,油氣田地面工程,分、發(fā)熱量、相對密度、壓縮因子等物性參數直接測2001,20(6)。定和計算的標準。此外,還有一些通用基礎標準,如6,孫準清:天然氣的流量計量,計學(xué)2017,陳庚良:天然氣能量計量的有關(guān)法制問(wèn)題,城市燃氣,2003,取樣準則、確定PVT關(guān)系的參比條件、確定發(fā)熱量的燃燒參比條件、不同儀器的溯源性準則和操作評價(jià)準則等。(收稿日期:200408-06)美國是世界上在交接計量中實(shí)施能量計量最早編輯:孟凡強的國家,20世紀80年代,美國天然氣加工者協(xié)會(huì )(NGPA)就提出了天然氣交接計量和結算的發(fā)熱量準則( BTU Rule),其基本點(diǎn)是,在井口氣銷(xiāo)售和其他“第一次銷(xiāo)售”中應以天然氣的發(fā)熱量為基準進(jìn)行迎訂朗計價(jià)。由于天然氣的能量計量是通過(guò)兩個(gè)不相于的測量來(lái)完成的,即流量和發(fā)熱量的測量,因此,國際標準化組織天然氣技術(shù)委員會(huì )(SOTC193)將這兩《間型》