城市天然氣門站計(jì)量系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘 要

摘要：提出了城市天然氣門站計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)中流量計(jì)量儀表的優(yōu)化選擇以及計(jì)量工藝方案的優(yōu)化。關(guān)鍵詞：門站計(jì)量；流量計(jì)；核查流量計(jì)；渦輪流量計(jì)；標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)；超聲流量計(jì)Optimized De
摘要：提出了城市天然氣門站計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)中流量計(jì)量儀表的優(yōu)化選擇以及計(jì)量工藝方案的優(yōu)化。
關(guān)鍵詞：門站計(jì)量；流量計(jì)；核查流量計(jì)；渦輪流量計(jì)；標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)；超聲流量計(jì)
Optimized Design of Metering System at City Natural Gas Gate Station
WU Shenglei，SUN Hao
Abstract：The optimized selection of flow metering instrument in design of metering system in city natural gas gate station as well as the optimization of metering process scheme are proposed.
Key words：metering at gate station；flowmeter；reference flowmeter；turbme fiowmeter；standard orifice flowmeter；ultrasonic flowmeter
   天然氣流量的計(jì)量，特別是城市門站的天然氣流量計(jì)量對(duì)天然氣管理部門的經(jīng)濟(jì)效益、運(yùn)行安全都十分重要。提高城市門站計(jì)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度、可靠性成為門站計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的關(guān)鍵[1～3]。
1 門站計(jì)量儀表選型優(yōu)化
1.1 城市天然氣門站計(jì)量儀表特點(diǎn)
    綜合考慮各種流量計(jì)量儀表的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)和貿(mào)易計(jì)量的法制性要求，氣體渦輪流量計(jì)[4～5]、標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)[6～7]和氣體超聲流量計(jì)[8～11]成為城市天然氣門站計(jì)量儀表的首選。
   ① 氣體渦輪流量計(jì)
   氣體渦輪流量計(jì)的主要特點(diǎn)是高準(zhǔn)確度、高重復(fù)性。準(zhǔn)確度一般為±1%～±1.5%，特殊要求下可以達(dá)到±0.5%。重復(fù)性最高可達(dá)到0.05%～0.2%。因此，在正確安裝使用的前提下，保證經(jīng)常校準(zhǔn)，或者是在線校準(zhǔn)，將會(huì)得到很高的精度。用于天然氣門站計(jì)量的氣體渦輪流量計(jì)，一般配有機(jī)械計(jì)數(shù)器和體積修正儀，有各種氣體狀態(tài)的顯示和各種信號(hào)輸出接口。中大口徑產(chǎn)品的測(cè)量范圍一般為20：1～40：1，小口徑產(chǎn)品的測(cè)量范圍一般為10：1。產(chǎn)品整體性好，安裝使用方便。
    但是，氣體渦輪流量計(jì)也是一種易受現(xiàn)場條件干擾的流量計(jì)。流體物理性質(zhì)的變化將直接影響氣體渦輪流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度。天然氣密度發(fā)生變化會(huì)影響到渦輪流量計(jì)的測(cè)量下限，密度變大時(shí)測(cè)量下限值將變小，反之測(cè)量下限值將變大。在選擇氣體渦輪流量計(jì)作為門站計(jì)量儀表時(shí)，應(yīng)根據(jù)所測(cè)量天然氣的溫度和壓力對(duì)密度的影響，重新?lián)Q算流量計(jì)的測(cè)量下限值。臟污、結(jié)垢、粉塵等流體性狀的變化，將會(huì)改變管道粗糙度、流通面積、葉輪輪廓，使流量計(jì)的計(jì)量性能受到嚴(yán)重影響。旋轉(zhuǎn)、脈動(dòng)、畸變等流體流動(dòng)特性的影響也會(huì)使流量計(jì)的計(jì)量結(jié)果發(fā)生偏移。
    作為門站貿(mào)易計(jì)量的流量計(jì)，氣體渦輪流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)是比較完善的。GB/T 18940—2003《封閉管道中氣體流量的測(cè)量 渦輪流量計(jì)》規(guī)定了渦輪流量計(jì)的尺寸、范圍、結(jié)構(gòu)、性能校準(zhǔn)和輸出等特性。GB/T 21391—2008《用氣體渦輪流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》結(jié)合天然氣測(cè)量現(xiàn)場的實(shí)際使用情況，提出了許多有針對(duì)性的技術(shù)規(guī)定。JJG 1037—2008《渦輪流量計(jì)》為產(chǎn)品的型式評(píng)價(jià)和使用中檢定提供了依據(jù)。
   ② 標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)
   標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)的主要特點(diǎn)是檢測(cè)部件標(biāo)準(zhǔn)化，可以準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單，無可動(dòng)部件，性能穩(wěn)定，使用壽命長，性價(jià)比很高。由于孔板流量計(jì)悠久的發(fā)展歷史和深厚的理論基礎(chǔ)，孔板流量計(jì)的標(biāo)定可以采用干標(biāo)的方法，即流量計(jì)無需實(shí)流標(biāo)定，配合高級(jí)可換孔板閥的使用，使得高壓力、大流量在線使用的孔板流量計(jì)周期檢定成為可能，進(jìn)一步滿足了作為貿(mào)易結(jié)算用天然氣流量計(jì)量儀表的法制性要求，因此具有很強(qiáng)的可操作性。
    隨著電子電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，二次儀表的性能有了質(zhì)的飛躍，寬量程智能差壓變送器的出現(xiàn)解決了差壓信號(hào)寬范圍測(cè)量的精度問題，流量計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)解決了流出系數(shù)和可膨脹性系數(shù)在線實(shí)時(shí)修正計(jì)算的問題，這樣的組合使孔板流量計(jì)的范圍度很容易達(dá)到10：1以上。研究表明，使用多臺(tái)高性能智能差壓變送器的組合，可以使孔板流量計(jì)的范圍度達(dá)到120：1，而且此項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在工程實(shí)踐中開始應(yīng)用。
    雖然具有上述公認(rèn)的優(yōu)點(diǎn)，但是標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)還有很多不足?？装邃J角鈍化帶來流出系數(shù)偏離標(biāo)準(zhǔn)值的問題是本質(zhì)的缺陷，只能采用系數(shù)修正和定期檢測(cè)更換的方法加以解決。另外，標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)壓損相對(duì)較大是它的另外一個(gè)本質(zhì)缺陷。對(duì)于安裝要求前后直管段較長的問題，應(yīng)該認(rèn)真分析并通過科學(xué)的計(jì)算加以應(yīng)對(duì)，例如通過計(jì)算，控制直徑比β值在0.6以內(nèi)，可以有效縮短直管段的長度。選擇合理的計(jì)量系統(tǒng)精度也是縮短直管段長度的手段之一。
    從1930年的美國AGA N0.1報(bào)告到現(xiàn)代的ISO 5167—2003E，國際上很多學(xué)術(shù)組織和研究機(jī)構(gòu)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)的研究不斷深入完善，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)涉及到產(chǎn)品的生產(chǎn)制造、安裝使用和檢定校準(zhǔn)等方面。我國為適應(yīng)天然氣工業(yè)的實(shí)際發(fā)展需要，也制定了天然氣流量測(cè)量的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6143—2004《用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》，并于2008年由中國石油天然氣集團(tuán)公司提出并編制國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21446—2008《用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》，標(biāo)準(zhǔn)采用國際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容并充分考慮我國天然氣計(jì)量工作長期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
   ③ 氣體超聲流量計(jì)
   20世紀(jì)90年代，氣體超聲流量計(jì)的出現(xiàn)引起了人們的強(qiáng)烈反響。它突出的優(yōu)點(diǎn)在于：流量方程簡單可靠；測(cè)量范圍很寬，可達(dá)到100：1；準(zhǔn)確度高，作為貿(mào)易計(jì)量的四聲道以上產(chǎn)品，準(zhǔn)確度一般為±0.5%～±0.2%；無可動(dòng)部件；無壓力損失。高度智能化的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理單元在測(cè)量流量的同時(shí)還能同時(shí)監(jiān)測(cè)流體流動(dòng)特性的變化(流場畸變、旋轉(zhuǎn)流等)、流體物性(密度)的變化等，并對(duì)流量測(cè)量的結(jié)果隨時(shí)進(jìn)行修正。氣體超聲流量計(jì)由于其本身的工作原理及特點(diǎn)，決定了它是繼孔板流量計(jì)之后有可能實(shí)現(xiàn)干標(biāo)的另外一種流量計(jì)，這對(duì)于該產(chǎn)品日后的推廣和使用有著非常積極的影響。
    我國近年來隨著氣體超聲流量計(jì)使用量的增加，現(xiàn)場實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)日趨豐富，科技工作者也加大對(duì)其現(xiàn)場影響因素的研究，并且已經(jīng)暴露出許多深入的問題，具體如下：
    噪聲的影響。噪聲是此類流量計(jì)特有的影響因素，超聲流量計(jì)是基于換能器發(fā)射和檢測(cè)聲脈沖進(jìn)行計(jì)量的，而在計(jì)量現(xiàn)場的工藝管道中存在大量的噪聲源，流體通過閥門、整流器、各類管件時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的噪聲，并且由于流量、溫度、壓力等工況的變化，噪聲也是隨時(shí)變化的。如果噪聲的頻率和流量計(jì)的工作頻率范圍一致，就會(huì)產(chǎn)生較大的干擾。
    臟污對(duì)流量計(jì)性能的影響。天然氣中含有水分、硫化鐵粉末及其他臟污雜質(zhì)，它們對(duì)管道內(nèi)壁、超聲探頭產(chǎn)生影響。內(nèi)壁粗糙度改變會(huì)使速度分布發(fā)生變化，測(cè)量的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性都會(huì)降低；臟污雜質(zhì)腐蝕管壁使管道截面積增大，則流速相應(yīng)降低；探頭的污染造成聲波傳輸障礙。目前部分廠家提供先進(jìn)的自診斷軟件，可對(duì)上述變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但效果還有待觀察。
    標(biāo)定手段的影響。按照我國貿(mào)易交接用流量計(jì)量儀表的法制性要求和國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18604—2001《用氣體超聲流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》的要求，“氣體超聲流量計(jì)在出廠使用前、修理后和使用達(dá)到檢定周期時(shí)應(yīng)進(jìn)行實(shí)流校準(zhǔn)”。但就目前國內(nèi)的實(shí)際情況來看，具備檢測(cè)能力的檢測(cè)機(jī)構(gòu)少之又少，其設(shè)備檢測(cè)能力遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)有氣體超聲流量計(jì)的實(shí)流校準(zhǔn)需求，造成許多在用的氣體超聲流量計(jì)無法定期進(jìn)行實(shí)流校準(zhǔn)，其計(jì)量性能狀態(tài)不得而知。
   我國參照AGA No.9報(bào)告制定了氣體超聲流量計(jì)的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18604—2001《用氣體超聲流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》。制定了檢定規(guī)程JJG 1030—2007《超聲流量計(jì)》，用于以時(shí)間差法為原理的封閉管道用超聲流量計(jì)的型式評(píng)價(jià)、首次檢定、后續(xù)檢定和使用中的檢驗(yàn)。
1.2 流量計(jì)量儀表選型的重要因素
   必須了解天然氣門站的各種工藝條件和工藝參數(shù)。對(duì)于天然氣門站的使用場所，在一組特定的工藝條件和工藝參數(shù)下某種流量計(jì)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，通常就是初選時(shí)的依據(jù)。以下是在正確選擇流量計(jì)之前必須明確的重要因素：
   ① 被測(cè)介質(zhì)的物理性質(zhì)：指被測(cè)天然氣的組成、密度、黏度、臟污、結(jié)垢、粉塵等情況。
   ② 門站計(jì)量工藝點(diǎn)處的操作條件：被測(cè)天然氣的溫度變化范圍和壓力變化范圍。
   ③ 流量計(jì)的安裝條件：管道的內(nèi)徑；工作狀態(tài)下流體的雷諾數(shù)；工藝預(yù)留直管段長度和上游阻流件形式；流動(dòng)調(diào)整器安裝的必要性和可行性；工藝管道的振動(dòng)情況；流體是否存在脈動(dòng)；流量計(jì)工作環(huán)境的溫濕度和電磁、噪聲等干擾的情況。
   ④ 對(duì)流量計(jì)性能的要求：計(jì)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度等級(jí)和對(duì)應(yīng)的范圍度要求；常用流量點(diǎn)、最大流量點(diǎn)、最小流量點(diǎn)。
   ⑤ 對(duì)流量計(jì)量儀表的經(jīng)濟(jì)性要求：一次儀表、二次儀表和附屬裝置的購置費(fèi)用；儀表的安裝調(diào)試費(fèi)用；相關(guān)備件和售后服務(wù)的費(fèi)用；儀表運(yùn)行后的維護(hù)及周期檢定費(fèi)用。
1.3 流量計(jì)量儀表選型的基本要求
    城市燃?xì)忾T站計(jì)量系統(tǒng)流量計(jì)選擇應(yīng)以GB/T 18603—2001《天然氣計(jì)量系統(tǒng)技術(shù)要求》為技術(shù)依據(jù)，結(jié)合各種流量儀表的特點(diǎn)，盡可能滿足如下基本要求：
    ① 可采用不同物理原理的流量計(jì)測(cè)量天然氣體積流量或質(zhì)量流量，但必須保證所用方法的溯源性和可靠性。
    ② 流量計(jì)準(zhǔn)確度應(yīng)符合表1的規(guī)定。同時(shí)必須注意，過分準(zhǔn)確度的要求會(huì)增加不合理的費(fèi)用。
    ③ 流量測(cè)量的量程比要盡量寬(至少10：1)。
    ④ 流量計(jì)性能要長期穩(wěn)定，可靠耐用。
    ⑤ 流量計(jì)故障率要低，維護(hù)與修理費(fèi)用要少。
    ⑥ 流量計(jì)的購置費(fèi)與校準(zhǔn)費(fèi)要適中，安裝與運(yùn)行費(fèi)用要少。
    ⑦ 作為城市燃?xì)忾T站計(jì)量系統(tǒng)的流量計(jì)，一般屬于貿(mào)易計(jì)量，還必須符合法制性要求。
 

2 門站計(jì)量系統(tǒng)工藝管路設(shè)計(jì)優(yōu)化
2.1 計(jì)量管路多管并聯(lián)
    計(jì)量管路的多管并聯(lián)方案雖然在儀表、設(shè)備的購置費(fèi)用上有所增加，但對(duì)系統(tǒng)計(jì)量準(zhǔn)確度的保證、流量測(cè)量范圍的擴(kuò)展、日后的維護(hù)維修、儀表的周期檢定都會(huì)帶來很多的益處。
    圖1、2為某城市天然氣門站計(jì)量系統(tǒng)工藝管路方案一和方案二。兩個(gè)方案相比較，方案一結(jié)構(gòu)簡單，工程造價(jià)較低，方案二則相反。但是，采用兩管并聯(lián)的方案二，可以使整個(gè)計(jì)量系統(tǒng)的測(cè)量范圍從130～2500m3/h(量程比20：1)擴(kuò)展到80～3200m3/h(量程比40：1)。在門站運(yùn)行過程中，如果遇到流量波動(dòng)較大時(shí)，方案二可以隨時(shí)打開或關(guān)閉兩臺(tái)流量計(jì)中的一臺(tái)，使流量計(jì)量儀表始終工作在0.2qmax到0.8qmax這一計(jì)量性能最優(yōu)的范圍段(qmax為最大流量)，從而保證整個(gè)計(jì)量系統(tǒng)的計(jì)量性能最優(yōu)。另外在流量計(jì)1或流量計(jì)2中的某一臺(tái)出現(xiàn)故障或進(jìn)行周期檢定時(shí)，可以使用單臺(tái)流量計(jì)供氣運(yùn)行的方式，避免城市門站供氣中斷的情況發(fā)生。

    方案二中的跨接管用于流量計(jì)1和流量計(jì)2之間的計(jì)量性能核查比對(duì)。計(jì)量儀表在日常需要進(jìn)行核查比對(duì)時(shí)，運(yùn)行人員在制定周密可行的供氣方案后，可以先將供氣流量限制在單臺(tái)儀表供氣能力1600m3/h以內(nèi)，打開跨接管路閥門5，關(guān)閉閥門1-2和閥門2-1，將計(jì)量系統(tǒng)切換成流量計(jì)1和流量計(jì)2串聯(lián)的運(yùn)行方式。在這種運(yùn)行狀態(tài)下，可以核查比對(duì)兩臺(tái)流量計(jì)的計(jì)量性能是否存在異常。
2.2 設(shè)立核查流量計(jì)
上述方案二中的流量計(jì)1和流量計(jì)2可以串聯(lián)達(dá)到互相核查的目的，但在更多流量計(jì)并聯(lián)組成的計(jì)量系統(tǒng)中就需要考慮設(shè)立單獨(dú)的核查流量計(jì)。如圖3，方案三中有工作流量計(jì)n臺(tái)，每臺(tái)流量計(jì)的測(cè)量范圍是80～1600m3/h，系統(tǒng)的測(cè)量范圍是(80～1600)n m3/h。核查流量計(jì)是一臺(tái)80～1600m3/h的流量計(jì)。正常工作時(shí)，工作流量計(jì)根據(jù)供氣量，可以運(yùn)行在不同的開備組合下，核查流量計(jì)前后閥門1和閥門2關(guān)閉，閥門3和閥門4開啟，核查流量計(jì)不投入運(yùn)行。需要對(duì)工作流量計(jì)進(jìn)行核查比對(duì)時(shí)，閥門1和閥門2開啟，閥門3和閥門4關(guān)閉，核查流量計(jì)投入運(yùn)行。通過閥門開閉，任何一臺(tái)工作流量計(jì)都可以和核查流量計(jì)形成串聯(lián)運(yùn)行，進(jìn)行核查比對(duì)。
 

   這里需要說明的是：
   ① 核查流量計(jì)的測(cè)量范圍選擇不一定要和工作流量計(jì)完全相同，但必須覆蓋工作流量計(jì)的常用工作點(diǎn)。
   ② 核查流量計(jì)的物理原理最好選擇不同于工作流量計(jì)。這是因?yàn)楣に嚄l件或工作環(huán)境的影響對(duì)同一物理原理的流量計(jì)往往是相同的，這些因素造成對(duì)流量計(jì)計(jì)量性能的影響很容易被掩蓋。而采用不同物理原理的流量計(jì)進(jìn)行核查，其核查結(jié)果的真實(shí)性會(huì)大大提高。例如，方案三中的工作流量計(jì)如果是渦輪流量計(jì)，核查流量計(jì)就應(yīng)該考慮選用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)或超聲流量計(jì)。核查流量計(jì)也應(yīng)該按照相應(yīng)的檢定規(guī)程進(jìn)行周期檢定，以保證其準(zhǔn)確可靠。
    ③ 城市天然氣門站計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案還要充分考慮城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)天然氣供氣設(shè)備擴(kuò)容的需求。如果選用渦輪流量計(jì)或超聲流量計(jì)作為工作流量計(jì)，則應(yīng)該考慮在圖3方案三的工作流量計(jì)組中預(yù)留擴(kuò)展旁路。如果選用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)作為工作流量計(jì)，這種流量計(jì)在雷諾數(shù)符合要求的前提下，可以通過擴(kuò)大開孔直徑、調(diào)整差壓上限等方法，在一定范圍內(nèi)解決擴(kuò)容的問題。
參考文獻(xiàn)：
[1] 姬建成，趙明.城市天然氣門站流量計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤氣與熱力，2007，27(9)：5-8.
[2] 吳筱峰.城市天然氣廠站中調(diào)壓計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].煤氣與熱力，2010，30(7)：A21-A24.
[3] 張芷華，高秀民.肖強(qiáng).燃?xì)饬髁坑?jì)的精度分析與選用[J].煤氣與熱力，2003，23(6)：376-378.
[4] 張濤.氣體渦輪流量計(jì)的精度分析[J].煤氣與熱力，2001，21(3)：229-232.
[5] 梁素維.氣體渦輪流量計(jì)在人工煤氣的應(yīng)用[J].煤氣與熱力，2003，23(6)：372-375.
[6] 錢信培.孔板流量計(jì)在燃?xì)庥?jì)量中的應(yīng)用[J].煤氣與熱力，1990，10(4)：18-22.
[7] 于立新.孔板流量計(jì)的改裝[J].煤氣與熱力，1992，12(5)：27-29.
[8] 周偉國，胡海軍，金穎.超聲波流量計(jì)的應(yīng)用與誤差分析[J].煤氣與熱力，2001，21(4)：337-339.
[9] 鄧峪泉，黃勃淼.天然氣超聲波流量計(jì)的應(yīng)用及檢定[J].煤氣與熱力，2005，25(5)：44-46.
[10] 馮寶庭，唐所臣.天然氣超聲波流量計(jì)的應(yīng)用[J].煤氣與熱力，2006，26(1)：8-10.
[11] 郝長富，韓潔.超聲波流量計(jì)在天然氣貿(mào)易結(jié)算的應(yīng)用[J].煤氣與熱力，2010，30(8)：A31-A33.
 
(本文作者：吳勝雷1 孫浩2 1.天津市燃?xì)鉄崃σ?guī)劃設(shè)計(jì)院 天津 300191；2.天津市計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)科學(xué)研究院 天津 300192)