国外天然气的计量与检定技术

2005年计量技术国外天然气的计量与粒定技立钱成文王惠智(中国石油管道公司管道科技中心)(中国石油管道公司沈阳调度中心)钱成文王惠智:国外天然气的计量与检定技术,油气储运,2005,24(6)38~42。摘要介绍了国外天然气管道测量技术、天然气流量计量与检定技术的应用现状、发展动态以及天然气计量标准的最新进展情况,提出了目前天然气管道流量计量技术的发展方向,重点介绍了天然气物性参数及分析测试的标准、孔板流量计的计量标准、涡轮流量计的计量标准、气体超声流量计的计量标准,以及天然气能量计量标准等。主题词天然气计量检定为结算依据的计量方式有质量计量、体积计量和能国外天然气管道测量技术量计量,其中体积计量和能量计量在北美和西欧地区的大规模交接计量中普遍使用。从流量计的选型1、应用现状来看,主要有孔板压差式流量计、腰轮流量计、涡轮欧美工业发达国家对天然气计量技术研究较流量计和气体超声流量计等。其中涡轮流量计腰早,从20世纪70年代开始,形成了孔板流量计涡轮流量计和孔板流量计在荷兰加拿大、美国等国的轮流量计使用高潮,到90年代中后期掀起超声流量使用率已占到了80%~90%。各种流量计的性能计应用热潮三个阶段。目前,国际上商品天然气作对比见表1。表1不同类型流量计的性能对比(2)流量计量程比压损对涡流对流速分测脉动流测双向流测湿气体清洗管路类型敏感度布敏感度孔板1:3(4)很大很敏感不适合不能不能不能涡街较小很敏感很敏感不适合不能不能不能涡轮较小不敏感不敏感不适合不能不能超声波1:40~1:160无不敏感不敏感适合可以可以可以2、发展动态功能可进行在线故障诊断组态和校验,大大提高了(1)随着电子技术、网络技术和自动化技术的迅测量结果的精确度和稳定性。猛发展,天然气计量正向着在线、实时、智能化方向(2)近几年,通过对各种新型流量计的研究和开发展,同时依靠管道 SCADA系统可以实现远程通发,使流量计的性能和适应范围不断提高,可供选择信、计量数据采集、控制和动态管理。近几年通过对的流量计类型日益增多。如在中小流量和中低压情传统孔板流量计二次仪表的改进,现场逐步采用智况下,可选择各种智能型速度式流量计;在高压大能压力变送器、温度变送器和补偿功能完善的流量流量情况下可选择气体超声流量计。最近又出现第24卷第6期钱成文等:国外天然气的计量与检定技术39流量变化范围大的中低流量工况。用水流式直接测量天然气发热值,80年代后采用准(3)气体超声流量计具有测量精度高、范围宽、确度和灵敏度更高的气流式取代了水流式。无压损、无可动部件、安装使用方便和维修费用低等(5)天然气计量管理工作从单一数据管理向计优点,能实现双向测量(可测正输和反输气流,且两量系统管理方向发展,并从影响测量结果的各个方个方向的精度相同)。据国外的分析测算表明,使面、各个环节进行全程、动态、科学的管理既对现场用超声流量计系统要比使用高级孔板测量系统节约计量器具的使用及相应人员进行管理,又从事后计次投资30%~50%,节省占地50%~70%。气量纠纷解释向加强事前仪表的采购选型、安装使用、体超声流量计,特别是多声道气体超声流量计,在欧质量监督、过程控制、数据管理、实流检定的管理转美天然气贸易输送计量中已被越来越多的国家所接变和发展。受。近几年,在北美地区新建设的几条大型输气管道工程中,如 Alliance管道、 Vector管道和北疆管二、国外天然气流量计量道工程中,已开始采用气体超声流量计作为贸易计量,其应用效果已得到证实。检定技术现状气体超声流量计有单声道与多声道之分,都是利用时间传播法原理来测量天然气流量,目前国外近几年,国外天然气流量计的检定从重视干标声道最多的可达6个。但是,单声道与多声道超声法逐步过渡到实流检定,即重视量值溯源与量值传流量计速度分布修正系数的不确定度差别很大。这递工作。以管输的实际天然气介质及在接近实际运是因为超声流量计在测量气体流量(流速)时,沿流行工况等条件下对流量的分参数,如压力温度、气动方向速度分布的不均匀性会引入一个非常关键的质组分和流量总量进行动态量值溯源。相继出现许雷诺修正系数。由荷兰 Instromet公司的研究发多实流检定实验室,如荷兰国家计量研究院现,多声道流量计的数据通过使用积分技术可以提NMI加拿大输气校准公司(TCC)、德国(Pig高速度分布修正系数的精确度,该公司根据试验数sar)美国科罗拉多工程实验室( CEESI)、美国西南据库的大量数据建立起的曲线表明(,单声道超声研究院(SWRI)的气体研究所(GRI)、英国国家工程流量计雷诺修正系数的不确定度为±1.0%,三声道实验室(NEL)、法国燃气公司(GOF)等。国内外天超声流量计的不确定度为士0.4%,而五声道超声流然气流量主要检定机构的原级标准装置水平见量计雷诺修正系数的不确定度为士0.3%,正是由于表2。这个原因,在大口径于线天然气贸易输送中越来越天然气高压大流量检定装置一般都建在天然气多地采用多声道超声流量计。最近,一些专家研究管道上,并有一个大的用户(如发电厂),工作标准装认为,时间传播法超声流量计的流量方程主要由时置大多为涡轮流量计。目前世界著名的天然气流量间和长度两个基本量组成,理论上可以把这两个基计检定机构如下本量综合为导出量,即流量,这样超声流量计存在成1、荷兰主要的天然气流量检定装置为原级标准的可能性,如果这种可能变为现实,不仅荷兰国家计量研究院(NMI)是负责荷兰国家节约大量的人力物力,而且流量测量技术将会产生量值溯源等任务的机构,该院与德国国家物理技术革命性的变化。目前,一些著名的天然气实流校验研究院(PTB)同属欧洲两个最大的天然气流量检测装置,如加拿大输气校准公司(TCC)开始采用气体技术机构欧洲各国的天然气工作标准都在这两个超声流量计作为工作标准的核查流量计。机构进行校准。NMI的低压动态置换气体原级标(4)目前在美国加拿大、英国法国、德国、意大准装置是荷兰的国家基准,虽然只提供1~4m3h利等国家的天然气贸易交接计量中普遍采用能量计的流量,但由于小流量易于控制,不确定度可达量的方式,这些国家都制定了比较完备的天然气能士0.01%NM通过传递标准装置把量值传至建于量计量的法规、政策和标准体系。在确定天然气发向大用户输送天然气的管道旁边的高压大流量工作油气储运2005年bork)三个地方,统一由NMI归口管理。其中最高检定流量为标准状况下88000m3/h,2.1~5.1Groningen的检定装置主要用于高压测试装置的量MPa间最大检定能力为13.2×10m3/h。待检流值传递时工作标准的检定,对荷兰其他高压检测装量计管径范围是50~600mm。不确定度为置的溯源起重要作用。它采用标准表法,配有两套士0.23%~士0.30%。该装置可通过传递标准溯源标准气体流量计,一套由10台平行的容积式气体流至 groningen检定站的主标准,也可内部溯源。量计(CVM)组成,每台CVM的最大流量为400 Westerbork伯努利实验室的高压检定装置位于从m3/h,属于主标准。另一套由一台400m3/hCVM气井到联合站的两条大型气体管道之间(管径分别流量计和4台气体涡轮流量计组成,为次级标准。为1050mm和1200mm)。该检定装置采用标准整套装置可检定的最大流量为45~36000m3/h,压表法,由10台量程为4000m3/h的气体涡轮流量力为0.9~4.1MPa,不确定度为±0.18%~计组成标准表,工作压力最高为6.2MPa,在该压力±0.19%在 Bergum的高压气体检定装置主要用下最大检定流量为标准状况下2.4×10°m3/h,不于检定气体流量计,该检定装置也是采用标准表法,确定度为士0.30%该装置有两条检定管路,一条可它由4台量程为4000m3/h的气体涡轮流量计安装口径为400mm的流量计,另一条用于口径大台量程为1000m3/h的气体涡轮流量计、两台量程于500mm的流量计,在该管段上可串行校验2~3分别为1000m3/h和400m3/h的容积式流量计组台气体流量计。成,工作压力为0.9~5.1MPa;在2.1MPa条件下表2国内外天然气流量主要原级标准装置机构名称国家最大体积流量最大质量流量工作压力不确定度(m3/h)(kg/s)(MPa)%备注NMI荷兰常压±0.01动态转换,空气GRI美国43.00010.0±0.10mt,天然气或氮气美国4.600±0.10mt,天然气或氮气CE美国4.55012.40.10体积法,空气CEESI美国0.09012.4士0.10mt,非可燃气CEESI美国0.46510.3±0.10体积法,非可燃气isar(PTB)德国4800±0.10HPPP,天然气法国6.0±0.23PVTt,天然气NEI英国3.500±0.10mt,空气CVB中国2.4504±0.10mt,天然气注CVB一成都天然气流量分站;mt-质量时间法;HPP高压体积管法PVTt一压力容积温度时间法、加拿大输气校准公司的天然气流量检定装TCC装置的工作压力为6.5MPa,温度为1置38℃,流量为50~50000m3/h,装置总不确定度小加拿大输气校准公司(TC)是目前世界上天然于士0.3%。标准表采用荷兰 Instromet公司的气流量仪表检定能力最强、压力最高的实流检定站。 SM-RI-X型气体涡轮流量计和Q. sonIc5S、Q.son它是由6台直径为400mm与2台直径为200mmic3S气体超声流量计,传递标准为 IRM-DUC型腰气体涡轮流量计组成其主要标准表,每台涡轮流量轮流量计,装置溯源至NM和PTB标准。计的上游串联一1超声流量计作为次要标准表,以该站位于一座气体压缩机站下游,管道压力在10台腰轮流量计标准(传递标准),并定7.0MPa范围内,气体输送时的流量大于2.4第24卷第6期钱成文等:国外天然气的计量与检定技术41·3、德国 Pigsar检测站气体协会(AGA)报告、美国材料与实验协会Pigsar检测站建于20世纪90年代末,是德国ASTM)、美国仪器协会(ISA)欧洲标准化委员会最大的天然气流量检测技术机构,其天然气流量检(CEN)等。近几年,国外天然气计量标准的主要发测和校准由德国国家物理技术研究院(PTB)授权并展趋势如下。监督。它是目前唯一一家使用高压体积管作为原级1、天然气物性参数及分析测试的标准6标准装置的技术机构,工作标准装置为4台G1000ISO的TC193委员会围绕天然气热值计算和气体涡轮流量计和一台G100涡轮流量计,工作压能量计量的要求,先后制订出版了26项天然气物性力在1.6~5.0MPa内,对用户工况下测量的体积分析测试标准,主要有ISO1343《天然气标准参比流量在8~6500m3/h范围,不确定度为士0.15%。条件》、lSO6976《天然气发热量、密度、相对密度和4、美国GRI沃泊指数的计算》、ISO6975《天然气延伸分析气相美国西南研究院(SWRI所属的气体研究所色谱法》、1SO10715《天然气取样导则》、IsO12213(GRI)是世界著名的流量检测和研究技术机构,它《天然气压缩因子计算》等。此外,美国ASTM也制拥有高低压两套环路原级标准和民用气测试标准订了类似的相关标准,如 ASTM D1945-91《用气DTS。检测方法标准是称重法,介质为天然气或氮相色谱法的天然气分析方法》、 ASTM D3588-89气,DTS也可用空气,不确定度为±0.1%~《计算气体燃料发热量及比重的试验方法》等±0.25%。GRI与 CEESI的量值溯源方法简单明2、孔板流量计的计量标准6了,其原级标准装置的量值直接溯源至NIST。GRI近几年,随着差压变送器、流量计算机、定值节标准装置的技术指标见表3流件和标准喷嘴等在孔板流量计上的配套使用,其表3GRI的检测能力量程、精度、压损等主要技术性能得到了极大的改善。在此基础上,美国和欧洲都进行了大规模的孔标准装置最大流量压力范围温度范围管径范围(m/h)(MPa)(℃)板流量计研究试验,刷新了基础数据,建立了高质量的数据库。孔板流量计主要有两大标准,即高压环路23791.0~8.34.44~48.8950~500ISO5167《用差压装置测量流体流量》和美国AGA低压环路9060.14~1.4525~200No.3/ANSI/AP2530报告《孔板流量计测量天然民用气检测标准710~0.28常温≤100气及其它烃类流体》。近年来,又对这两大标准各自条款中规定的现场安装条件进行了实质性的修正。特别是对 AGA NO.3号报告中,使用标准孔板流量三国外天然气计量标准计,大量利用天然气做实验介质,可以无须实流校准的发展趋势(干校)而确定差压与流量的关系等相关问题,进行了深入细致的试验研究。通过对几十项研究成果的总结和对 AGA No.3报告的多次修订,已使得该标天然气计量涉及到管道设计、施工、投产运行、准更趋完善维修、检验、检定及安全环保等各个方面,在天然气3、涡轮流量计的计量标准计量的相关标准中,流量计量标准尤为重要。近几在欧洲和北美(如加拿大和美国),气体涡轮流年,随着质量计量和能量计量方法的逐步推广,有关量计是仅次于孔板流量计的天然气流量测量仪表天然气密度、组分发热值、压缩因子等相关参数的从20世纪60年代开始,国际上对涡轮流量计应用测量和计算标准也包括在计量标准体系中。于天然气测量进行了大量的试验研究及实践检验,目前制订天然气计量标准的组织主要有,国际制订了国际标准、国际建议和工业发达国家的标准标准化组织(ISO)的TC30《封闭管道流体流量测量规范,主要有1SO9951:1993《闭管道中气体流量技术委员会》、TC93《天然气技术委员会》和TC28测量一涡轮流量计》, OIML R6《气体体积流量计一《石油与润滑油技术委员会》、国际法制计量组织般规范》和OMLR32《旋转活塞式气体流量计和涡4油气储运2005年气》,欧共体标准(CEN)prEN(标准草案)涡轮气体发热量与其总流量的乘积,即:流量计等。Q=V×H(1)4、气体超声流量计的计量标准式中Q——交接的总能量;气体超声流量计在天然气管道上的应用始于V—总流量20世纪90年代,它是继孔板流量计、涡轮流量计之H—单位发热量。后第三类适用于高压、大口径天然气管道的高精度从式(1)中可以看出,除流量测量外,天然气单天然气流量计,至今,已有美国、荷兰加拿大英国、位发热量的测定是一个关键。美国在能量计量的实德国等12个国家的政府机构批准将它作为贸易结施过程中提出了供出能量原则,即式(1)中的H是算的法定计量器具。近年来随着高速数字信号处指单位量的天然气在燃烧过程中实际释放的能量,理技术和先进的压电陶瓷技术的发展使气体超声而不是以其中可燃组分含量在规定条件下计算的能流量计测量天然气的技术有了突破性进展,其研发量。目前,SO标准规定了两类确定天然气发热量呈加速发展之势。但由于气体超声流量计的发展历的方法,一类是使用热量计的直接燃烧测定法(简称史较短,有许多实用问题仍在探索中,因此,欧美各直接法),另一类是利用气相色谱仪得到的组成分析国都在加快有关气体超声流量计的国家标准研究制数据进行计算的方法(简称间接法)定工作。目前,已颁布的气体超声流量计测量标准由于天然气是一种混合气体,组分含量各有差主要有ISO/TR12765《封闭管道中流体流量测量异,即使同样体积的天然气,其燃烧产生的能量也是用传播时间法超声流量计》和美国AGA在总结不同的,因此,从计量学的角度来看,能量计量从能阶段研究成果的基础上发布的N.9号草案《用多源的利用效率和经济价值上更准确地反映出了天然声道超声流量计测量气体的流量》等标准气的优越性,比体积计量(或质量计量)更科学。5、天然气能量计量的标准天然气计量由体积计量转变为能量计量并非只参考文献是计量技术的进步,它与一个国家能源开发政策和1,张红兵等;天然气流量计的选型和发展方向,天然气与石油工业,2003,21(2)。价格政策有密切的关系,同时还涉及一系列技术标2,陈松等:用于天然气流量计量的超声流量计,油气储运,2002,准,如ISO/CD15112和ISO/WD15112等有关能量计量基本要求及其实施方式的标准。ISO5167、3,EN776: Gas Supply Systems- Natural Gas Measuring StaISO9951和ISO/TR12765等有关天然气体积(或tions- Functional Requirement, 1998郭绪明等:浅谈建立天然气量值动态溯源体系,天然气工业质量)计量的标准,ISO10715、ISO6974、ISO6976003,22(3)ISO/DIS15971-1、 ASTM D588等有关天然气组5,高军:大流量天然气的计量和仪表检定,油气田地面工程,分、发热量、相对密度、压缩因子等物性参数直接测2001,20(6)。定和计算的标准。此外,还有一些通用基础标准,如6,孙准清:天然气的流量计量,计学2017,陈庚良:天然气能量计量的有关法制问题,城市燃气,2003,取样准则、确定PVT关系的参比条件、确定发热量的燃烧参比条件、不同仪器的溯源性准则和操作评价准则等。(收稿日期:200408-06)美国是世界上在交接计量中实施能量计量最早编辑:孟凡强的国家,20世纪80年代,美国天然气加工者协会(NGPA)就提出了天然气交接计量和结算的发热量准则( BTU Rule),其基本点是,在井口气销售和其他“第一次销售”中应以天然气的发热量为基准进行迎订朗计价。由于天然气的能量计量是通过两个不相于的测量来完成的,即流量和发热量的测量,因此,国际标准化组织天然气技术委员会(SOTC193)将这两《间型》