天然气用流量仪表

天然气用流量仪表 中国仪器仪表行业协会 流量仪表专业委员会 蔡武昌 1、 前言 我国过去能源以煤为主，石油和天然气产量很低，解放前油品大部分是进口，上世纪60年代以降石油产量有所增加而能自给，但能源结构仍以煤为主。改革开放以来经济发展，能源需量增长，本国油资源已不能满足，进口比重不断上升，能源结构随着供应多样化和环境保护的要求逐步调整，近年天然气用量增长颇速，然而到2000年亦仅上升到3%（天然气全球平均占24%，亚洲8.8%，发达国家30%～40%）。天然气在国内应用，将进一步增长。 西气东输是指塔里木盆地等西部天然气东输到上海以及长江三角洲地区，随着工程建设需要一批管网运行控制，交接贸易计量和城市用户消耗收费用流量仪表，本文就这些需求的流量测量方式和要求，常用仪表类型和特点，不同交接点（即应用场所）的选用等，作简要论述。 2、 天然气管网流量测量类型 天然气管网流量测量的目的分为管网运行过程控制和总量交接计量两大类。运行过程流量控制和一般流程工业要求相似，只是要适应天然气易燃易爆气氛和沿途恶劣气侯高温差等条件，本文不进一步展开。 交接计量仪表亦应适应上述要求。天然气交接贸易计量有质量计量和能量计量两种方式，我国天然气贸易计量方式是规定在法定要求品质指挥下以体积或能量的方式进行交接计量，本文不讨论能量交接计量。 3、 天然气交接计量常用流量仪表 表1 天然气计量常用流量仪表 序号 用途 差压式 容积式 涡轮 流量计 超声 流量计 旋涡 流量计 利里奥利质量流量计 靶式 流量计 孔板 流量计 临界流文丘里喷嘴流量计 其它 膜式 流量计 腰轮 流量计 1 管网输道干线和支线 √ √ √ √ √ 2 城市输送和分配 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ 天然气计量流量仪表分为输气管线交接用和城市用户消耗收费用两大领域，常用仪表如表1 从全球整体上考察管线天然气流量仪表应用，上世纪70年代及以前除一部分容积式仪表外，几乎为孔板式所垄断，80年代形成涡轮流量计高潮，90年代中后期则掀起超声流量计热潮。从地域国别选用习惯上看，欧洲主要使用涡输式和容积式中腰轮流量计，如在荷兰两者使用约占80%；加拿大涡轮式占90%；美国则以孔板为主，约占80%[2]。国内天然气应用发展之前，燃气（包括城市爆气）用管线交接仪表绝大部分用孔板流量计，近十余年才有新型流量仪表涡轮式和超声式应用，据估计孔板式国内仍占90%以上，而国外因较多采用新型仪表，孔板式仅占6%，例如荷兰天然气管线上据称就用了大小口径涡轮流量计2600余台。[1] 1.管线贸易交接用流量仪表 天然气管线交接有3个计量级别：①气田的外输首站交予长途输送管道公司，②长途管道公司输送给沿途各省市天然气利用公司，③利用公司销售给各类用户。表2是各类交接点所用流量仪表，是主要根据国际化组织（ISO）天然气能量计量工作组2000年提出文件委员草案ISO/CD15112提示附录中建议，各交接点能量计量可采用体积流量仪表品种，笔者补充近年应用上发展的品种。ISO/CD15112所定义的6个交接点为： 区域分销商 生产商 1 输气公司 2 或 3 地区分销公司 4 居民用户 或 或 输气公司 或 5 工业用户 贮存公司 贮存公司 或 贮存公司 6 商业用户 贮存公司 表2 各类交接点所用流量计（主要按ISO/CD15112建议） 序号 流 量 计 类 型 交 接 点 类 型 名 称 说 明 1 2 3 4 5 6 1 差压式 孔板流量计 √ √ √ √ 2 临界流文丘里喷嘴流量计 习称音速喷嘴流量计 √ √ 3 容 积式 膜式流量计 即家用燃（煤）气表 √ √ √ 4 腰轮流量计 √ √ √ √ √ √ 5 涡轮流量计 √ √ √ √ √ 6 超声流量计 √ √ √ √ √ 7 旋涡流量计 包括涡街式、旋进式 √ √ √ √ 8 科里奥利货量流量计 √ 2.城市用户收费用流量仪表 城市是天然气使用的最终用户群，既有工业企业/商业企业，又有城市公用事业的复杂群体，常用品种如表1序号2，据某工程公司近年承接项目（不包括家用仪表）装用各品种流量仪表所占分额估计，旋涡式55%，孔板式25%，涡轮式10%，其余10%。 4、 交接计量用仪表性能特点和应用场所 1.孔板流量计 输送管干线流量仪表主要用孔板式、涡轮式和超声式，原来孔板式因范围度小只适用于流量变化小的管线，但现在若配有雷诺数修正功能的智能积算仪范围度可从3︰1扩展到10︰1。孔板流量计的特点是结构简单，易于复制，价格低廉；缺点是范围度窄，压损大，现场安装直管的要求高等。此外还有入口直角锐利度易被流体冲刷钝化的缺点，严重钝化可导致流出系数偏离1%～2%，采用标准喷嘴则可克服这一缺点。近年许多应用场所渐为涡轮式和超声式所代替。 2.临界流文丘里（音速）喷嘴流量计 城市路边汽车加油机传统用容积式流量计，压缩天然气（CNG）加气机则被音速喷嘴流量计和科里奥利质量流量计所代替。加气机用音速喷嘴流量计测量准确度较高（0.5%R ），但运行能耗较大。[3] 3.容积式流量计 适用于中小流量范围，精度适中，范围宽度（150︰1）。膜式流量计除用于家用燃（煤）气计量外，还用于小流量计量的商业用户，百大量度；腰轮流量计应用于城市流量较大的工业和商业用户收费计量。 4.涡轮流量计 涡轮流量应用于天然气在欧美居于第二位，包括输送管交接计量和城市分配中等流量工商业用户收费计量，常用口径范围DN50～DN600mm。优点是测量精度高（0.5%～1.5%R），短期重复性好，中大口径范围度宽（10︰1～40︰1）；缺点是对流体清洁度要求高，易受流体物性影响，还受来流速度分布影响和流动脉动影响，有活动件，轴承磨损使特性偏移。 5.超声流量计 超声流量计90年代始用于气体，是天然气输送管继孔板式，涡轮式居第三位常用仪表。在中大口径应用有先天性优点，可用口径为100～1600mm；测量准确度高，多声道仪表达0.5%R；适用极低流速（0.5m/s），与涡轮式相比此优点突出，因此范围度特宽（200︰1～40︰1）；无活动件；无阻力损失。虽然天然气应用超声式比孔板式/涡轮式历史短，许多应用上问题尚在探索和完善之中，但有很大潜力，具后来居上之势和我国已有国家标准GB/T18604-2001《用气体超气流量计测量天然气流量》，是参考美国煤气协会1998年颁布的AGA9《用多声道超声流量计测量天然气流量》制订的。 正十余年国际上推出居民适用超声家用燃（煤）气表，90年代中期已达到取代垄断150余年的膜式流量计的态势，英国某燃气公司已达年订购100万台家用超声燃气表的规模。 6.旋涡流量计 旋涡流量计包括涡街式和旋进（旋涡进动）式，是属于流体振动型流量计。它们的共同特点是无活动件；涡街式压损小；适用于中小管径，口径范围涡街式为15～300mm，旋进式15～400mm，常用40～300mm；准确度高（涡街式±1%R，旋进式±0.5%R）；范围度宽（小口径除外，涡街式10︰1～15︰1，旋进式10︰1～25︰1）。涡街式的缺点是对应用较多的应力检测涡街流量计敏感于管道等机械振动；对来流流速分布要求较高，需较长前置直管段（15～25D），与之相比旋进式则要求较短（3D）；旋进式的缺点是压力损失较大，以DN100为例常压空气流量1000m3/h，压损为4kPa。 城市天然气工商业用户，旋涡流量计是主要品种。据上海同欣自动仪表公司近年承接项目装用该表居于首位，估计有55%（其中涡街式占45%，旋进式占10%）。 7.科里奥利质量流量计 科里奥利质量流量计不能测量低密度气体，低压管道天然气密度达不到科里奥利质量流量计所需质量流量要求而不能应用。然而进入路边加气站的管网中压（1.6MPa）压缩天然气（CNG）和经多级升压馈送给汽车的高压（25MPa）CNG的加气机系统，已普遍采用科里奥利质量流量计作收费计量。科里奥利质量计的准确度较高，在±（0.3～0.5）%R之间。 后记 本文很多材料摘引自文献（1）重庆工业自动化仪表研究所孙淮清教授所撰3万余字的交流资料；天然气流量仪表装用由上海同欣自动化仪表公司纪纲高级工程师，提供各品种所占份额估计，给出了城市所用仪表应用品种的轮廓，在此谨致谢意。 参考文献 1. 孙淮清。天然气流量计量，天然气流量计量技术高级研讨班交流资料，中国计量协会能源工作委员会，2001。 2. 袁平凡等。天然气流量计量新的进展与发展趋势，仪器仪表与传感器，2002（12）：58～60。 3. 蔡武昌。压缩天然气汽车加气站流量计量系统，上海计量测试，2003（5）：26～27。 � R为测量值 PAGE 1