超声波天然气计量系统的选型

介绍天然气计量系统的组成，阐述系统的流量计选型、成橇与否的一般性原则。对我国计量站的校验能力和超声波流量计的口径选择现状进行了调查。分析超声波流量计的流速选取和应用计量性能，并对计量橇的设计规模给出了建议。

随着我国国民经济的快速发展，天然气作为一种清洁能源，其应用范围日益扩大。无论是自产天然气、陆上引进管输气还是海上进口 LNG，最终都要通过天然气管网到达终端用户。在大宗贸易中，要确保天然气计量精度，实现公平贸易和合理投资; 同时，不同的国家、地区，由于历史原因，天然气流量仪表的选型各有不同，因此设计一个合理的天然气计量系统是极其重要的。

1.天然气计量系统的构成

通常，天然气计量系统主要由计量仪表、工艺系统和控制系统组成。

计量仪表主要由流量计、配套流量计算机、温度变送器、压力( 差压) 变送器及组分分析仪表等组成。组分分析仪表主要指在线或离线色谱分析仪，同时在线水露点测量仪和在线硫化氢测量仪也用于天然气气质监测，但是目前该检测项不参与流量计算。

工艺系统主要由前后汇气管和几条并联的流量计测量管路组成。每条流量计测量管路由前后截断阀，流量计前后直管段及流动调整器等组成。除流量计算机、在线色谱分析仪、在线水露点测量仪和在线硫化氢测量仪外，计量仪表均安装在工艺系统上。另外，工艺系统还包括入口压力平衡阀、放空阀管路及前后汇气管上安装的排污阀等。

控制系统主要完成计量系统上的自动阀门控制、流程切换、数据采集及计算处理等功能。计量系统通常不单独配置控制系统，而是使用站控系统; 利用流量计配套的流量计算机对流量、温度、

压力和组分信号进行采集计算，并将计量数据上传至站控系统。最后，由站控系统将有关计量数据、控制数据和状态上传至控制中心。

2.天然气计量系统的选型

2.1  流量计选型

目前，超声波流量计、涡轮流量计、标准孔板流量计、质量流量计、旋进旋涡流量计及腰轮流量计等在天然气计量系统中使用居多。

流量计选型时主要考虑仪表性能、流体特性、安装条件、环境条件和经济因素 5 个方面。仪表性能即流量计的优缺点和流量计计量范围。流体特性主要指操作压力、流动状态、介质洁净程度和物性参数。安装条件、环境条件和经济因素需要综合考虑。最终保证所选流量计在正常流量、压力、温度操作条件下，性能稳定、计量准确。

当 在 高 压、大 流 量、大 口 径 ( 不 小 于DN100mm) 条件下时，宜优先选用超声波流量计。

在流量变化小、脉动流小、中低压的洁净天然气介质中宜优先选用涡轮流量计，但是涡轮流量计的仪表系数较低、分辨率低，无法应用于低流速、小口径流量计量等条件，在使用上具有一定的局限性，实际应用较少。孔板流量计标准化程度高，结构简单、牢固，可靠耐用、价格低廉，适用于低压且流量稳定的场合，缺点是精度不高、范围小、安装条件要求高、压损大。质量流量计指的是科里奥利质量流量计，其安装固定要求较高，两法兰间不允许有安装应力，适用于中高压、中小口径的场合，尤其在 CNG、LNG 计量中应用较多。旋进旋涡流量计适用于中低压天然气的流量计量，对于一些计量准确度要求较低的小型用户，可选用旋进旋涡流量计，特别是在小流量、压力波动较大的民用天然气计量中应用较多。腰轮流量计适用于中低压、洁净天然气计量，但由于其维护量大，在天然气商业计量中应用较少。

2． 2 系统成橇成橇就是将除流量计算机和组分分析仪表以

外的系统各种设备、仪表和管线用管架 / 管托进行支撑并固定在一个整体的钢结构平台上，这个整体集成部分称为计量橇。成橇商负责整个计量橇的工艺、仪表、配电及防腐等专业的安装施工，并对各个部分进行单项性能测试和整个系统的联合测试。橇装设备运抵现场后只需进行基座安装、上下游管道连接，外界信号电缆和配电电缆只需分别连接到橇内接线箱、配电箱，即可投入使用。

天然气计量系统成橇与否主要考虑计量精度

要求、工程投资、现场地质条件、成橇后的体积和运输条件，如果条件允许则建议优先考虑成橇的方式设计、采购和安装，充分发挥设备供应商的技术能力。

3.超声波天然气计量系统的配置

超声波天然气计量系统的配置主要考虑 3点: 设计负荷和计量精度要求; 我国目前和近期能达到的校验能力; 采购、校验和运维成本。

3． 1 超声波流量计口径的选择

超声波流量计口径选择除了要考虑设计负荷的要求外，还要考虑天然气贸易计量量值溯源，即除节流元件的流量装置外都需要实流校准。目前，我国开展超声波流量计校验的主要有隶属国家质检总局和依托中石油、中石化的几家单位。

中石油或依托中石油的 5 家单位为国家石油天然气大流量计量站( 大庆) 、国家石油天然气大流量计量站成都分站( 华阳) 、国家石油天然气大

除南京分站可以满量程标定 DN400mm 超声波流量计外，其余站最大标定能力为 DN300mm; 除北京采育检定站外，其余均配备了最大标定能力为

DN300mm 的移动计量车。另外，中石油已开始建设乌鲁木齐、塔里木和广州 3 家分站。

中石化筹建的两家国家石油天然气大流量计量站武汉、东营分站已经开展工作。其中武汉分站移动校验台位暂设在济南( 齐河) ，并配备了移动计量车，最大标定能力 DN300mm，自 2012 年 10

月起，开始实流检定 DN50 ～ 300mm 的超声波流量计和涡轮流量计 。

隶属于国家质检总局的国家石油天然气大流量计量站重庆分站的天然气实流标定能力为DN50 ～ 300mm，但没有配备移动式校验装置。内蒙古自治区计量测试研究院自 2011 年起开始筹建国家石油天然气大流量计量站。

目前，在已建成和在建的天然气管道中使用频率较高的超声波流量计口径为 DN100mm、DN150mm、DN250mm、DN300mm，而自西气东输 ，二线开始我国才开始应用 DN400mm 。因此 为方便校验，建议优先选取口径不大于 DN300mm的流量计，为方便成橇后的运输，单橇路数也不宜过多。

3． 2 超声波流量计性能的选取

3． 2． 1 可参考的标准或规定

GB / T 18604-2014 建议使用气体超声波流量计测量天然气流量。流量计的典型测量范围由气体的实际流速确定，被测天然气的典型流速范围一般为 0． 3 ～ 30． 0m / s。

GB / T 18603-2014 规定，计量站的管道内径应依据最大流速( 20． 0m / s) 进行初算。

中国石油天然气管道工程有限公司拟定的CDP-G-GP-IS-003-2009 / B《输气管道计量系统设计规定》指出，在选择计量管路和流量计内径时，超声波流量计按流速 20． 0m / s 进行初始计算，口径圆整后复核设计流速宜在 20． 0 ～ 22． 0m / s 范围内。附录 C 中规定，超声波流量计的天然气流速按照 22． 0m / s 计算，天然气计量系统的设计能力为其最大能力的 75% ～ 85% ( 最大能力为供货商提供的流量计的最大量程) 。这与中石油西气东输工程中规定的，超声波计量管流速设计上限不宜超过25． 0m / s是一致的 。

3． 2． 2 部分超声波流量计厂家资料

表 1 的资料来源于厂家公开样本和用户技术报告，其统计内容仅限于用于天然气计量的、精度不大于 ± 0． 5% 的产品。综合考虑标准规范要求和生产厂家的技术能力与应用经验，发现工程实践中超声波计量管流速设计上限不宜超过25． 0m / s是合理的。

4.结束语

为保证计量精度与可靠性，建议天然气计量系统优先考虑整体橇装设计，以充分发挥制造商的技术能力。计量撬设计时应预先考虑系统成撬后的运输方便性与在线校验的可行性，单撬一般不超过 5 路，考虑到校验的方便性，单表口径不宜超过 DN300mm。高压大流量天然气计量中，超声波流量计优势明显，超声波计量管流速设计上限宜控制在 25． 0m / s 以内。随着技术的进步，超声波流量计的范围仍有提高的潜力，应用前景将更为广阔。