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      技術文章

      計量儀表及分析儀系統在天然氣管線中的應用

      發布日期:2022-03-07  來源:中石油華東設計院有限公司  作者:周新宇,姬玲君  瀏覽次數:
      【導讀】:介紹了在天然氣計量中體積計量及能量計量兩種不同的計量方式,以及在能量計量方式中流量及分析儀系統的作用、組成等內容,同時對天然氣流量計的實流標定做了介紹。......

       摘 要 :介紹了在天然氣計量中體積計量及能量計量兩種不同的計量方式,以及在能量計量方式中流量及分析儀系統的作用、組成等內容,同時對天然氣流量計的實流標定做了介紹。

       
      引言
      近年來,隨著中國工業化水平的不斷提高,天然氣已成為國內重要的能源組成部分。天然氣計量作為天然氣貿易交接中的重要環節,科學規范的計量方式是保證精準計量,減少貿易摩擦及糾紛的重要保證手段。但因國內過去天然氣產量低、規模小,傳統的體積計量方式已不能適應天然氣高質量發展的內在需求,更加規范科學的能量計量方式改革已成為當務之急。
       
      天然氣計量有體積計量、質量計量和能量計量 3 種方式,目前國內以體積計量方式為主 ;歐美等大多數國家普遍采用能量計量(即以天然氣熱值發熱量作為計量計價依據)。質量計量在天然氣計量中的應用較少,在此不展開說明。
       
      1 體積計量方式
      流量計是天然氣體積計量中非常重要的設備,根據天然氣流量計工作原理,主要包括以下幾類 :
      1)差壓式流量計,主要包括孔板流量計、文丘里流量計、阿牛巴流量計等。
       
      孔板流量計結構簡單,是目前天然氣中測量中非常成熟、非常常用的方法之一。但存在精度不高、量程比較小,上、下游直管段長度要求較高等缺點。阿牛巴流量計可用于大口徑的天然氣計量,壓損小,但價格比較昂貴。
       
      2)容積式流量計,主要包括腰輪流量計、雙轉子流量計等。
      腰輪流量計、雙轉子流量計精度較高,無上、下游直管段長度要求,適用于小口徑、小流量的天然氣計量。
       
      3)速度式流量計,主要包括渦輪流量計、旋進旋渦流量計、超聲波流量計等。
      渦輪流量計的結構簡單,可靠性高,精度及量程比較高,但對流速及上、下游直管段長度有要求。
       
      旋進旋渦流量計不受壓力、溫度、組分變化的影響,且精度一般,量程比較小,在長輸天然氣管道中使用較少。
       
      超聲波流量計不受氣體壓力、溫度、組分變化的影響,測量精度高,測量范圍大(非常高可達 100:1),可實現雙向流量計量。但目前多為進口設備,價格昂貴,只適用于大、中口徑,不適用于較小口徑(小于 DN100)天然氣計量。
       
      4)質量流量計質量流量計無上、下游直管段要求,且精度較高,穩定性好,適用于小口徑、小流量的天然氣計量。
       
      2 能量計量方式
      天然氣能量計量是體積計量的擴展與延伸,通過體積計量數值與天然氣的熱值乘積計算獲得。與體積計量方式相較,能量計量更能科學地體現天然氣作為燃料的商品價值。通過計量及分析儀系統,可科學規范地進行天然氣的能量計量。
       
      2.1 計量及分析儀系統
      計量及分析儀系統主要由流量計量部分、分析儀部分、工藝設備部分和控制系統部分組成 [1]。
       
      2.1.1 流量計量部分
      流量計量部分主要由流量計、流量計算機、溫度和壓力變送器等組成。
       
      1)流量計
      流量計用于對天然氣體積 / 質量流量的測量,流量計類型可參考體積計量中的選用原則。隨著大口徑、高壓力輸送管線的不斷建設,超聲波流量計已經廣泛地應用于天然氣貿易計量中,以前經常使用的孔板流量計、渦輪流量計等已經越來越不能滿足要求。以土耳其某輸氣管道項目為例,工藝管線為 20",管道設計壓力為 86bar(G),貿易計量用流量計精度要求不低于0.35%,在此工況條件選用三暢超聲波流量計可以滿足以上要求。
       
      2)流量計算機
      流量計算機用于流量和能量的計算,并與流量計配套使用。流量計算機具有根據流量參數和氣體組分參數直接計算標準體積、能量的功能。流量計算機對流量計、溫度 / 壓力變送器、分析儀等數據進行復雜的運算后,能夠提供出準確的計量數據,并以此作為非常終貿易交接中法律認可的標準數據 [2]。流量計算機可通過簡單的組態或選項進行計量標準選擇,正常計算時,不受其它計量標準的影響。流量計算機天然氣壓縮因子的計算方法滿足 GB/T 17747[3] 或 AGA Report NO.8[4] 的 要 求, 天 然 氣 密度、組成、發熱量、相對密度、沃泊指數的計算方法應滿足 GB/T 11062[5] 或 ISO6976[6] 標準要求。
       
      3)溫度變送器和壓力變送器
      溫度 / 壓力變送器用于溫度和壓力的補償計算。為保證計量系統的整體精度要求,溫度和壓力變送器的精度應優于計量系統精度的非常低要求,其安裝位置也應按照流量計的相關國家標準規范來執行。
       
      2.1.2 分析儀部分
      分析儀部分主要由氣相色譜分析儀、氧含量分析儀、烴露點分析儀、水露點分析儀、硫化氫分析儀等組成。此部分分析儀一般在分析小屋內安裝,由分析儀系統集成商負責。
       
      1)氣相色譜分析儀
      天然氣的發熱值可通過分析氣體組分計算而得,而計算天然氣的氣體組分一般使用氣相色譜分析儀 [7]。通過氣相色譜分析儀實時取樣分析,得到天然氣的組成、密度、熱值等物理參數,并將結果輸入到流量計算機中,實現對天然氣流量和熱值的及時修正,保證天然氣計量的精度。
       
      2)氧含量分析儀、烴露點分析儀、水露點分析儀、硫化氫分析儀
      氧含量、烴露點、水露點、硫化氫含量等結果用于計量系統的數據指示與報警,一般不用于貿易交接。測量氧含量的目的是從安全或防腐的角度考慮,避免惡意摻混空氣 ;測量烴露點的目的是因為天然氣管道中出現冷凝物會引起測量、自控和過濾裝置發生故障,影響管道安全運行 ;測量水露點的目的是防止液相水的產生 [8,9] ;測量硫化氫的目的是有效減少對環境和人身健康的危害,以及對管道和設備的腐蝕 [10]。
       
      2.1.3 工藝設備部分
      工藝設備部分主要由流量計上、下游切斷閥,上、下游直管段,整流器等組成。
      1)流量計上、下游切斷閥
      一般選用密封良好、零泄漏的全通徑閥門,并配帶氣動或電動執行機構,由計量及分析儀系統負責控制。
      2)上、下游直管段及整流器
      上、下游直管段需與流量計同心、同徑,且符合上、下游直管段長度要求,整流器的類型、安裝位置和加工制造等應遵循相關標準要求。以土耳其某輸氣管道項目為例,超聲波流量計的前后都需要設置直管段和整流器,需符合 AGA Report NO.9[11] 標 準, 上、 下 游 直 管 段 需 取 得PED 認證,整流器樣式需取得國際法制計量組織(OIML)的形式認證等要求。以三暢超聲波流量計為例,單向計量的流量計上、下游直管段及整流器配置方案如圖1。
      單向計量的流量計上、下游直管段及整流器配置方案
      以超聲波流量計為例,雙向計量的流量計上、下游直管段及整流器配置方案如圖 2。
      雙向計量的流量計上、下游直管段及整流器配置方案
      2.1.4 控制系統部分
      計量及分析儀系統可獨立配置一套控制系統,用于數據采集及處理,電動 / 氣動閥門的控制和流程切換等功能。計量及分析儀系統通過數據通信方式,將計量數據、控制數據和狀態報警信息上傳至站控系統。如無特殊要求,計量及分析儀系統亦可依托站控系統,完成上述描述功能。
       
      3 流量計實流標定方式
      由于流量計直接關系到貿易計量的準確性,流量計精度就顯得尤為重要。一般來說,流量計廠家會在國際知名認證機構(如中國的 PAC、歐洲的 MID、國際上的 OIML等)中獲得流量計的精度認證。但由于流量計產品在取得精度證書認證時,一般是采用空氣下進行標定,當流量計用在壓縮天然氣計量時,尤其在高壓條件下,標定條件與實際工況存在顯著差異,會造成很大的計量誤差。這就要求高壓天然氣計量時,應盡量在實際工況下標定后再進行測量。
       
      所以,即使流量計產品在出廠時取得了精度認證證書,為保證測量精度,流量計用在天然氣貿易計量時還需在國際認可的第三方標定中心(世界知名的標定中心有美國CEESI 標 定 中 心、 美 國 SWRI 標 定 中 心、 德 國 Pigsar 標定中心、荷蘭 NMI 標定中心,加拿大 TCC 標定中心等)進行實流標定,并取得標定中心出具的標定認證證書。由于不同的標定中心標定裝置存在差異,導致各實驗室能夠標定流量計的非常大壓力和非常大流量都不一樣,因而需要根據流量計的類型、尺寸、壓力等級等方面,再結合業主要求選擇合適的標定中心。以土耳其某輸氣管道項目為例,業主方只認可在歐洲標定中心出具的標定證書。以下為一般需與標定中心明確的標定內容 :
      1)標定的壓力等級。標定中心一般都只有幾個壓力等級可以選擇。以土耳其某輸氣管道項目為例 :管道的設計壓力為管道設計壓力為 86bar(G),由于標定中心均無法達到此標定壓力,業主方要求在不低于 60bar(G) 標定壓力下進行標定。當業主方沒有要求時,標定的壓力等級不宜小于非常大操作壓力的 50%。
       
      2)標定的流量。流量計的流量標定方式不盡相同,以土 耳 其 某 輸 氣 管 道 項 目 為 例 :當 流 速 在 0.3m/s ~ 0.9m/s 之間時采用 3 點標定,分別在非常小流量、50% 非常大流量、非常大流量點設置 ;當流速在 0.9m/s 至非常大流速之間時采用 5 點標定,分別在非常小流量、25% 非常大流量、50% 非常大流量、75% 非常大流量、非常大流量 5 個點設置。得到上述標定數據后,標定中心根據標定數據做出精度誤差曲線并出具標定認證證書。
      3)對于有雙向計量要求的流量計應進行雙向標定。
       
      4、 結束語
      天然氣作為一種優質能源和化工原料,其計量方式越來越受到國內及國際的重視。隨著中國市場經濟的發展,天然氣貿易變得愈發頻繁,計量及分析儀系統是保證貿易交接過程規范、合理、公正的重要手段。隨著中國市場經濟的不斷完善,國內的天然氣貿易交接方式也將與國際接軌,從傳統的體積計量向能量計量不斷發展。

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