天然气长输管道计量系统设计

第23卷第1期仪器仪表用户EIC Vol 232016年1月INSTRUMENTATION2016No.1天然气长输管道计量系统设计刘朋(中石化石油工程设计有限公司,山东东营257026)摘要:计量系统是天然气长输管道中的重要组成部分,介绍了长输管道计量系统中常用流量计特点,给出了计量系统仪表选型及设计的一般过程,详细说眀了精度考虑、口径考虑、流速计算及回路配置等冋题的设计原则及计算方法。给出了以气体超声流量计、在线气体色谱分析仪、流量计算机等构建的体积流量和能量流量的计量系统的典型配置关键词:长输管道;计量系统;超声波流量计;典型配置中图分类号:TE978;TP211文献标识码:B章编号:1671-1041(2016)01-0012-03Design of Metering System in Long-Distance Natural Gas Transportation PipelineLiu PengSinopec Petroleum Engineering Corporation, Shandong Dongying, 257026, ChinaAbstract: Flow measurement system is an important component in long-distance natural gas transportation pipe; flowmetersusually used in gas metering are introduced and compared in this paper. Meter selection and general design procedure are alsogiven out including accuracy consideration. diameter consideration, velocity calculation, loop configration, etc. A typical meteringsystem based on ultrasonic meter, online chromatographic analyzer, flow computer is construeKeywords: long-distance transportation pipe; metering system; ultrasonic flowmeter; typical configuration0概述超声波流量计是最常用的天然气计量仪表。下面对孔板流随着国内普光气田、大湾气田等大型气田的开发,西量计和涡轮流量计做简要介绍,并详细介绍超声流量计吲。气东输、陕京线、川气东送、榆济管道等大型管道纷纷建1.1.1孔板流量计孔板流量计是一种差压式流量计,通过测量孔板前后成,各省地方管网等发展迅猛,新疆煤制气输气管道、中差压来计量天然气流量。孔板的计量精度理论上可以达到俄输气管道等超大型输气管道也均在不断推进中。天然气1%,但由于对整套流量计的精度影响因素多且错综复杂能源的使用在我国呈现出强劲的增长势头。近些年煤制气现场精度最高能达到2%,一般情况下在3%左右。孔板流页岩气也得到快速发展,也将推动天然气长输管道的建设。量计是规范最全,使用最早,数量最多的一种流量计。其在天然气长输管线中,计量系统关系着管线上、中、下游优点是结构简单牢固、性能稳定可靠、按标准制造的孔板各方的经济利益,天然气生产、输送、交易和使用的过程中不需要标定、价格低廉等。同时其缺点同样十分明显:压首先需要解决的一个问题就是计量,长输管线本身的特点损大、精度低、量程比小、所需直管段长等。又对计量系统提出了特定的要求。在工程设计中,如何构1.1.2涡轮流量计建一个精准、可靠、易于维护的计量系统是一个十分重要气体涡轮流量计利用气体推动流量计转子转动,通过和有意义的课题。测转子转动次数来计量气体流量。它具备完备的规范,性能1天然气长输管道流量仪表选型优良,其特点是:测量精度高,精确度可以为0.5%-1.0%测量范围宽,量程比可达1:30;输出为脉冲频率信号,无21常用天然气计量仪表简介及比较零点漂移、抗干扰能力强;结构紧凑轻巧、安装维护方便。目前国内用于天然气计量的仪表种类繁多,主要有孔但与此同时由于涡轮本身结构的特点,也带来了缺点:有板、涡轮、腰轮、匀速管、涡街、超声波流量计等。各类可动部件,易于损坏;要求气体洁净度较高,颗粒杂质容仪表性能不一,适用场合上存在差异。其中孔板、涡轮、易损坏涡轮。中国煤化工收稿日期:2015-114CNMHG作者简介:刘朋(1984-),男,山东邹城人,工学硕士,工程师,研究方向:工业自动化系统设计。第1期刘朋·天然气长输管道计量系统设计131.1.3超声波流量计量系统。如在长输管道中设置大量孔板,会因孔板产生大气体超声流量计是20世纪0年代中后期被广泛采用量压损,造成下游管道需增加压缩机进行增压;同时孔板的高精度的流量测量仪表,它已成为继孔板、涡轮之后最本身精度低,不适合作为交接计量使用,目前新建管道中有发展前途的一种高精度气体流量仪表。目前天然气计量只用于临时投产或生产计量场合。而超声波流量计由于其领域使用的超声波流量计均是基于时差法原理国。自身的优越性,广泛应用于DN80及以上管道。DN80口径根据声道的数量,超声波流量计可分为单声道和多声以下,由于管道口径小,导致基于时差法的超声波流量计道两种。在天然气站场中,由于流量计上下游阻力件(如测量精度降低,而涡轮在DN80孔径下精度更高,且更具阀门、汇管、分离器等)的存在,对气体的流动状态产生价格优势,DN80以下管道计量选用涡轮。影响,可能导致涡流等情况,造成速度分布的畸变。单声道的测量结果就不能精确地反映管道中的气体的轴向流2天然气长输管道流量计量系统设计速,测量精度较低。多声道对管道内流速的分布进行了更一套计量系统通常采用一用一备或多用一备的配置方为全面的测量,在很大程度上消除了涡流等干扰因素对测式。考虑到占地面积、经济性及维护工作量,计量回路尽量量结果的影响,测量精度大大提高。为保证测量精度,天采用一用一备的配置;当气量特别大时,采用多用一备的配然气长输管线中应用的超声波流量计要求具有不少于4声置方式。如各站场分输支路的一般采用一用一备配置方式,道的配置。整条管线的气源下载点通常采用多用一备的配置方式多声道超声波流量计的优点是:准确度等级优于0.5%,量程比最高可达1:30,无压损,坚固耐用、维护量少,活2.1计量系统设计合于中、大口径应用等;缺点是:价位高、对噪声比较敏感2.1.1综合考虑长输管线天然气计量系统的体积计量准确度一般要管道、阀、节流元件布置等都会在一定程度上影响超声波求为05%,但无论是超声波流量计还是涡轮流量计,都测量精度。但通过合理的设计措施可以将噪声、元件布置存在一个分界流量的问题,当流量值小于分界流量时,等影响降低到最小程度。超声波流量计已成为天然气长输流量计的计量准确度降低,不能保证全流量范围的测量管道工程中大口径计量系统设计首选。精度均为0.5级,此时需考虑进行分段计量。中大口径1.1.4性能比较表1列出了孔板、涡轮、超声波流量计的各项性能,大流量时选用超声波流量计,如出现小流量值小于超声通过表1可以看出,涡轮、超声波流量计的性能远高于孔波流量计的分界流量的情况,则考虑用一路小口径的涡板流量计,而超声波流量计又优于涡轮流量计,尤其是适轮或超声流量计计量该小流量,使全流量范围测量准确合中大口径应用场合。度都能达到0.5级。流量计的分界流量定义为仪表最大流量的表1孔板、涡轮、超声波流量计性能比较设计计算时通常将工艺给定的流量上限作为仪表最大流Table 1 Performance comparisonorifice plate, turbine and量。如果工艺最小流量小于最大流量的10%,则认为不ultrasonic flowmeter能保证全量程内的精度均为0.5级,需设置一路小口径流孔板涡轮超声波量计。就目前天然气计量发展趋势来看,用气量高低峰量程比差距一般不会特别大,设置小流量计量回路的方式越来精度0.5%0.5%越少。实际上,如仅是短期小流量或小流量与分界流量很大较小的值相差不大,从经济、占地面积等方面考虑设置小流对涡流量计量也无必要。敏感度很敏感(加整流器)不敏感对流速分2.1.2口径考虑布敏感度很敏感不敏感(加整流器)不敏感天然气长输管线的口径一般较大,如川气东送干线管测脉动流不适合不适合适合道口径为Φl016,虽然超声波流量计可以做到该口径,但测双向流不能不能可以目前国内流量计标定口径在DN400及以下,为方便用户定测湿气体不能不能可以期对流量计的标定,工程设计中,选取流量计的最大口径为清洗管路不能不能可以DN400;另一方面,DN8O以下管径目前无可用超声波流量计,直管段要求上游4D上游10D上游10D因此超声波流量计的口径通常选取在DN8O-DN400之间,即游下游5D下游5DDN80、DN100、DN150、DN200、DN250、DN300、DN40适用口径中大口径中小口径中大口径7种选择。1.2天然气长输管道流量仪表选型2.1.3口径RYH中国煤化工超声波流速法,该法天然气长输管线具有设计压力高、距离长,管线口径的核心是限定CNMHG许流速和最小流量大,沿线站场、阀室多等特点,多数站场均需设置计仪器仪表用户 INSTRUMENTATION第23卷允许流速。算天然气能量,长输管道分输站、计量站通常配置一套在GBˆ18604-2014规定闪,天然气流速一般在03~30m线色谱分析系统,实现对天然气的组分分析,并将信号传范围内,根据实际工程经验,对于超声波流量计,一般将递给流量计算机;流量计算机接收计量回路的流量、压力最高允许流速限制到25m/s,大于此上限流速后,管道内温度以及色谱分析仪的信号,通过规定的算法可以计算出可能产生不利因素,如噪声、震动、冲击等,且影响计量天然气标况下的体积流量、质量流量和能量流量;流量计精度。算机的信号可上传至站控系统,并可接受站控系统命令,限定最大允许流速是为了使天然气流速不超过管道天进行远程组态和维护。一套典型的天然气能量计量系统配然气允许流速,并保护流量计;限定最小流速是为了得到置如图2所示。最经济合理的口径。天然气流速计算可根据工艺给定的流量值(标况)和操作温度、压力,结合气体的物理学方程推导。真实气体的流速计算相当复杂,对于工程计算来说,根据理想气体状态方程对流速进行估算完全可以满足工程需要。2.1.4计量系统配置通过上述分析和计算,可以确定计量系统口径和路数。为了增加计量系统的可用性和可维护性,计量系统中一般设置一路备用回路,在计量系统中某一回路发生故障时系统可以开启备用计量回路维持系统正常工作。典型流量计量系统回路配置(一用一备)如图1所示。kg2图2天然气能量计量系统配置图Fig 2 Configuration of gas energy metering systen3结论本文对气体流量计量仪表进行了简要介绍和对比,给图1天然气计量系统计量回路典型配置Fig. 1 Typical configuration of metering system出了涡轮流量计和超声波流量计是长输管线计量系统中优通常计量回路的人口设置强制密封球阀作为回路切断先选用的计量仪表的原因。在工艺参数确定后,确定计量及切换用;计量回路的下游通常是调压支路,两者之间使系统结构、配置计量系统是系统设计中的一个重要过程,用τ型弯做降噪用。每一计量回路配置一台流量计算机,合理的配置结果不仅能保证精度,还可以使投资最优化本文给出了详细的系统设计过程,并给出了以流量计、色流量计算机盘装于机柜间计量机柜上谱分析仪、流量计算机等为基础实现的体积流量和能量流22天然气能量计量系统量计量系统。作为一种燃料气,天然气的商品价值是其所含的能量,基于优质优价的原则,天然气能量计量是最公平合理的计参考文献量方式,也是当前国际通行的贸易计量方法。能量E0可以甘霞,天然气流量计量技术现状及发展趋势D油气田地面工通过体积或质量与发热量H的乘积计算得到。按体积计算程,2004,23(8:31-32的公式为2]熊光德,新型天然气超声波流量计量技术团天然气与石油2002,20(2):57-603]陈松,黄坤,马国光,等.用于天然气流量计量的超声流量计E0=g×H2油气储运,202.21(5:37-40式中:E天然气的能量,MJ;[4]孙金明,魏巍,闫峰.噪声对超声波流量计的影响及案例分Q天然气的体积,m析,测量与设备U2006119-115国家质量监督GR/T18604-014用气体超声H5一天然气的发热量,M/m3。波流量计测量中国煤化工出版社,014随着我国天然气市场与国际的接轨,由体积流量计量CNMHG转向能量计量是我国天然气法制计量的必然趋势。为了计