城市天然氣門站計量系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

摘 要

摘要：提出了城市天然氣門站計量系統(tǒng)設(shè)計中流量計量儀表的優(yōu)化選擇以及計量工藝方案的優(yōu)化。關(guān)鍵詞：門站計量；流量計；核查流量計；渦輪流量計；標準孔板流量計；超聲流量計Optimized De
摘要：提出了城市天然氣門站計量系統(tǒng)設(shè)計中流量計量儀表的優(yōu)化選擇以及計量工藝方案的優(yōu)化。
關(guān)鍵詞：門站計量；流量計；核查流量計；渦輪流量計；標準孔板流量計；超聲流量計
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
   天然氣流量的計量，特別是城市門站的天然氣流量計量對天然氣管理部門的經(jīng)濟效益、運行安全都十分重要。提高城市門站計量系統(tǒng)的準確度、可靠性成為門站計量系統(tǒng)設(shè)計方案的關(guān)鍵[1～3]。
1 門站計量儀表選型優(yōu)化
1.1 城市天然氣門站計量儀表特點
    綜合考慮各種流量計量儀表的優(yōu)點、缺點和貿(mào)易計量的法制性要求，氣體渦輪流量計[4～5]、標準孔板流量計[6～7]和氣體超聲流量計[8～11]成為城市天然氣門站計量儀表的首選。
   ① 氣體渦輪流量計
   氣體渦輪流量計的主要特點是高準確度、高重復性。準確度一般為±1%～±1.5%，特殊要求下可以達到±0.5%。重復性最高可達到0.05%～0.2%。因此，在正確安裝使用的前提下，保證經(jīng)常校準，或者是在線校準，將會得到很高的精度。用于天然氣門站計量的氣體渦輪流量計，一般配有機械計數(shù)器和體積修正儀，有各種氣體狀態(tài)的顯示和各種信號輸出接口。中大口徑產(chǎn)品的測量范圍一般為20：1～40：1，小口徑產(chǎn)品的測量范圍一般為10：1。產(chǎn)品整體性好，安裝使用方便。
    但是，氣體渦輪流量計也是一種易受現(xiàn)場條件干擾的流量計。流體物理性質(zhì)的變化將直接影響氣體渦輪流量計的測量準確度。天然氣密度發(fā)生變化會影響到渦輪流量計的測量下限，密度變大時測量下限值將變小，反之測量下限值將變大。在選擇氣體渦輪流量計作為門站計量儀表時，應根據(jù)所測量天然氣的溫度和壓力對密度的影響，重新?lián)Q算流量計的測量下限值。臟污、結(jié)垢、粉塵等流體性狀的變化，將會改變管道粗糙度、流通面積、葉輪輪廓，使流量計的計量性能受到嚴重影響。旋轉(zhuǎn)、脈動、畸變等流體流動特性的影響也會使流量計的計量結(jié)果發(fā)生偏移。
    作為門站貿(mào)易計量的流量計，氣體渦輪流量計的標準是比較完善的。GB/T 18940—2003《封閉管道中氣體流量的測量 渦輪流量計》規(guī)定了渦輪流量計的尺寸、范圍、結(jié)構(gòu)、性能校準和輸出等特性。GB/T 21391—2008《用氣體渦輪流量計測量天然氣流量》結(jié)合天然氣測量現(xiàn)場的實際使用情況，提出了許多有針對性的技術(shù)規(guī)定。JJG 1037—2008《渦輪流量計》為產(chǎn)品的型式評價和使用中檢定提供了依據(jù)。
   ② 標準孔板流量計
   標準孔板流量計的主要特點是檢測部件標準化，可以準確復現(xiàn)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單，無可動部件，性能穩(wěn)定，使用壽命長，性價比很高。由于孔板流量計悠久的發(fā)展歷史和深厚的理論基礎(chǔ)，孔板流量計的標定可以采用干標的方法，即流量計無需實流標定，配合高級可換孔板閥的使用，使得高壓力、大流量在線使用的孔板流量計周期檢定成為可能，進一步滿足了作為貿(mào)易結(jié)算用天然氣流量計量儀表的法制性要求，因此具有很強的可操作性。
    隨著電子電路和計算機技術(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)解決了差壓信號寬范圍測量的精度問題，流量計算機的出現(xiàn)解決了流出系數(shù)和可膨脹性系數(shù)在線實時修正計算的問題，這樣的組合使孔板流量計的范圍度很容易達到10：1以上。研究表明，使用多臺高性能智能差壓變送器的組合，可以使孔板流量計的范圍度達到120：1，而且此項技術(shù)已經(jīng)在工程實踐中開始應用。
    雖然具有上述公認的優(yōu)點，但是標準孔板流量計還有很多不足?？装邃J角鈍化帶來流出系數(shù)偏離標準值的問題是本質(zhì)的缺陷，只能采用系數(shù)修正和定期檢測更換的方法加以解決。另外，標準孔板流量計壓損相對較大是它的另外一個本質(zhì)缺陷。對于安裝要求前后直管段較長的問題，應該認真分析并通過科學的計算加以應對，例如通過計算，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報告到現(xiàn)代的ISO 5167—2003E，國際上很多學術(shù)組織和研究機構(gòu)對標準孔板流量計的研究不斷深入完善，技術(shù)標準涉及到產(chǎn)品的生產(chǎn)制造、安裝使用和檢定校準等方面。我國為適應天然氣工業(yè)的實際發(fā)展需要，也制定了天然氣流量測量的行業(yè)標準SY/T 6143—2004《用標準孔板流量計測量天然氣流量》，并于2008年由中國石油天然氣集團公司提出并編制國家標準GB/T 21446—2008《用標準孔板流量計測量天然氣流量》，標準采用國際先進標準內(nèi)容并充分考慮我國天然氣計量工作長期的實踐經(jīng)驗。
   ③ 氣體超聲流量計
   20世紀90年代，氣體超聲流量計的出現(xiàn)引起了人們的強烈反響。它突出的優(yōu)點在于：流量方程簡單可靠；測量范圍很寬，可達到100：1；準確度高，作為貿(mào)易計量的四聲道以上產(chǎn)品，準確度一般為±0.5%～±0.2%；無可動部件；無壓力損失。高度智能化的強大數(shù)據(jù)處理單元在測量流量的同時還能同時監(jiān)測流體流動特性的變化(流場畸變、旋轉(zhuǎn)流等)、流體物性(密度)的變化等，并對流量測量的結(jié)果隨時進行修正。氣體超聲流量計由于其本身的工作原理及特點，決定了它是繼孔板流量計之后有可能實現(xiàn)干標的另外一種流量計，這對于該產(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使用量的增加，現(xiàn)場實踐經(jīng)驗日趨豐富，科技工作者也加大對其現(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。噪聲是此類流量計特有的影響因素，超聲流量計是基于換能器發(fā)射和檢測聲脈沖進行計量的，而在計量現(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、各類管件時會產(chǎn)生一定的噪聲，并且由于流量、溫度、壓力等工況的變化，噪聲也是隨時變化的。如果噪聲的頻率和流量計的工作頻率范圍一致，就會產(chǎn)生較大的干擾。
    臟污對流量計性能的影響。天然氣中含有水分、硫化鐵粉末及其他臟污雜質(zhì)，它們對管道內(nèi)壁、超聲探頭產(chǎn)生影響。內(nèi)壁粗糙度改變會使速度分布發(fā)生變化，測量的準確度和穩(wěn)定性都會降低；臟污雜質(zhì)腐蝕管壁使管道截面積增大，則流速相應降低；探頭的污染造成聲波傳輸障礙。目前部分廠家提供先進的自診斷軟件，可對上述變化進行監(jiān)測，但效果還有待觀察。
    標定手段的影響。按照我國貿(mào)易交接用流量計量儀表的法制性要求和國家標準GB/T 18604—2001《用氣體超聲流量計測量天然氣流量》的要求，“氣體超聲流量計在出廠使用前、修理后和使用達到檢定周期時應進行實流校準”。但就目前國內(nèi)的實際情況來看，具備檢測能力的檢測機構(gòu)少之又少，其設(shè)備檢測能力遠不能滿足現(xiàn)有氣體超聲流量計的實流校準需求，造成許多在用的氣體超聲流量計無法定期進行實流校準，其計量性能狀態(tài)不得而知。
   我國參照AGA No.9報告制定了氣體超聲流量計的應用標準GB/T 18604—2001《用氣體超聲流量計測量天然氣流量》。制定了檢定規(guī)程JJG 1030—2007《超聲流量計》，用于以時間差法為原理的封閉管道用超聲流量計的型式評價、首次檢定、后續(xù)檢定和使用中的檢驗。
1.2 流量計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)下某種流量計的技術(shù)優(yōu)勢，通常就是初選時的依據(jù)。以下是在正確選擇流量計之前必須明確的重要因素：
   ① 被測介質(zhì)的物理性質(zhì)：指被測天然氣的組成、密度、黏度、臟污、結(jié)垢、粉塵等情況。
   ② 門站計量工藝點處的操作條件：被測天然氣的溫度變化范圍和壓力變化范圍。
   ③ 流量計的安裝條件：管道的內(nèi)徑；工作狀態(tài)下流體的雷諾數(shù)；工藝預留直管段長度和上游阻流件形式；流動調(diào)整器安裝的必要性和可行性；工藝管道的振動情況；流體是否存在脈動；流量計工作環(huán)境的溫濕度和電磁、噪聲等干擾的情況。
   ④ 對流量計性能的要求：計量系統(tǒng)的準確度等級和對應的范圍度要求；常用流量點、最大流量點、最小流量點。
   ⑤ 對流量計量儀表的經(jīng)濟性要求：一次儀表、二次儀表和附屬裝置的購置費用；儀表的安裝調(diào)試費用；相關(guān)備件和售后服務的費用；儀表運行后的維護及周期檢定費用。
1.3 流量計量儀表選型的基本要求
    城市燃氣門站計量系統(tǒng)流量計選擇應以GB/T 18603—2001《天然氣計量系統(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，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測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 流量計準確度應符合表1的規(guī)定。同時必須注意，過分準確度的要求會增加不合理的費用。
    ③ 流量測量的量程比要盡量寬(至少10：1)。
    ④ 流量計性能要長期穩(wěn)定，可靠耐用。
    ⑤ 流量計故障率要低，維護與修理費用要少。
    ⑥ 流量計的購置費與校準費要適中，安裝與運行費用要少。
    ⑦ 作為城市燃氣門站計量系統(tǒng)的流量計，一般屬于貿(mào)易計量，還必須符合法制性要求。
 

2 門站計量系統(tǒng)工藝管路設(shè)計優(yōu)化
2.1 計量管路多管并聯(lián)
    計量管路的多管并聯(lián)方案雖然在儀表、設(shè)備的購置費用上有所增加，但對系統(tǒng)計量準確度的保證、流量測量范圍的擴展、日后的維護維修、儀表的周期檢定都會帶來很多的益處。
    圖1、2為某城市天然氣門站計量系統(tǒng)工藝管路方案一和方案二。兩個方案相比較，方案一結(jié)構(gòu)簡單，工程造價較低，方案二則相反。但是，采用兩管并聯(lián)的方案二，可以使整個計量系統(tǒng)的測量范圍從130～2500m3/h(量程比20：1)擴展到80～3200m3/h(量程比40：1)。在門站運行過程中，如果遇到流量波動較大時，方案二可以隨時打開或關(guān)閉兩臺流量計中的一臺，使流量計量儀表始終工作在0.2qmax到0.8qmax這一計量性能最優(yōu)的范圍段(qmax為最大流量)，從而保證整個計量系統(tǒng)的計量性能最優(yōu)。另外在流量計1或流量計2中的某一臺出現(xiàn)故障或進行周期檢定時，可以使用單臺流量計供氣運行的方式，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1和流量計2之間的計量性能核查比對。計量儀表在日常需要進行核查比對時，運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，將計量系統(tǒng)切換成流量計1和流量計2串聯(lián)的運行方式。在這種運行狀態(tài)下，可以核查比對兩臺流量計的計量性能是否存在異常。
2.2 設(shè)立核查流量計
上述方案二中的流量計1和流量計2可以串聯(lián)達到互相核查的目的，但在更多流量計并聯(lián)組成的計量系統(tǒng)中就需要考慮設(shè)立單獨的核查流量計。如圖3，方案三中有工作流量計n臺，每臺流量計的測量范圍是80～1600m3/h，系統(tǒng)的測量范圍是(80～1600)n m3/h。核查流量計是一臺80～1600m3/h的流量計。正常工作時，工作流量計根據(jù)供氣量，可以運行在不同的開備組合下，核查流量計前后閥門1和閥門2關(guān)閉，閥門3和閥門4開啟，核查流量計不投入運行。需要對工作流量計進行核查比對時，閥門1和閥門2開啟，閥門3和閥門4關(guān)閉，核查流量計投入運行。通過閥門開閉，任何一臺工作流量計都可以和核查流量計形成串聯(lián)運行，進行核查比對。
 

   這里需要說明的是：
   ① 核查流量計的測量范圍選擇不一定要和工作流量計完全相同，但必須覆蓋工作流量計的常用工作點。
   ② 核查流量計的物理原理最好選擇不同于工作流量計。這是因為工藝條件或工作環(huán)境的影響對同一物理原理的流量計往往是相同的，這些因素造成對流量計計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進行核查，其核查結(jié)果的真實性會大大提高。例如，方案三中的工作流量計如果是渦輪流量計，核查流量計就應該考慮選用標準孔板流量計或超聲流量計。核查流量計也應該按照相應的檢定規(guī)程進行周期檢定，以保證其準確可靠。
    ③ 城市天然氣門站計量系統(tǒng)的設(shè)計方案還要充分考慮城市經(jīng)濟發(fā)展對天然氣供氣設(shè)備擴容的需求。如果選用渦輪流量計或超聲流量計作為工作流量計，則應該考慮在圖3方案三的工作流量計組中預留擴展旁路。如果選用標準孔板流量計作為工作流量計，這種流量計在雷諾數(shù)符合要求的前提下，可以通過擴大開孔直徑、調(diào)整差壓上限等方法，在一定范圍內(nèi)解決擴容的問題。
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(本文作者：吳勝雷1 孫浩2 1.天津市燃氣熱力規(guī)劃設(shè)計院 天津 300191；2.天津市計量監(jiān)督檢測科學研究院 天津 300192)