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计量仪表及分析仪系统在天然气管线中的应用

发布日期:2022-03-07  来源:中石油华东设计院有限公司  作者:周新宇,姬玲君  浏览次数:
【导读】:介绍了在天然气计量中体积计量及能量计量两种不同的计量方式,以及在能量计量方式中流量及分析仪系统的作用、组成等内容,同时对天然气流量计的实流标定做了介绍。......

 摘 要 :介绍了在天然气计量中体积计量及能量计量两种不同的计量方式,以及在能量计量方式中流量及分析仪系统的作用、组成等内容,同时对天然气流量计的实流标定做了介绍。

 
引言
近年来,随着中国工业化水平的不断提高,天然气已成为国内重要的能源组成部分。天然气计量作为天然气贸易交接中的重要环节,科学规范的计量方式是保证精准计量,减少贸易摩擦及纠纷的重要保证手段。但因国内过去天然气产量低、规模小,传统的体积计量方式已不能适应天然气高质量发展的内在需求,更加规范科学的能量计量方式改革已成为当务之急。
 
天然气计量有体积计量、质量计量和能量计量 3 种方式,目前国内以体积计量方式为主 ;欧美等大多数国家普遍采用能量计量(即以天然气热值发热量作为计量计价依据)。质量计量在天然气计量中的应用较少,在此不展开说明。
 
1 体积计量方式
流量计是天然气体积计量中非常重要的设备,根据天然气流量计工作原理,主要包括以下几类 :
1)差压式流量计,主要包括孔板流量计、文丘里流量计、阿牛巴流量计等。
 
孔板流量计结构简单,是目前天然气中测量中非常成熟、非常常用的方法之一。但存在精度不高、量程比较小,上、下游直管段长度要求较高等缺点。阿牛巴流量计可用于大口径的天然气计量,压损小,但价格比较昂贵。
 
2)容积式流量计,主要包括腰轮流量计、双转子流量计等。
腰轮流量计、双转子流量计精度较高,无上、下游直管段长度要求,适用于小口径、小流量的天然气计量。
 
3)速度式流量计,主要包括涡轮流量计、旋进旋涡流量计、超声波流量计等。
涡轮流量计的结构简单,可靠性高,精度及量程比较高,但对流速及上、下游直管段长度有要求。
 
旋进旋涡流量计不受压力、温度、组分变化的影响,且精度一般,量程比较小,在长输天然气管道中使用较少。
 
超声波流量计不受气体压力、温度、组分变化的影响,测量精度高,测量范围大(非常高可达 100:1),可实现双向流量计量。但目前多为进口设备,价格昂贵,只适用于大、中口径,不适用于较小口径(小于 DN100)天然气计量。
 
4)质量流量计质量流量计无上、下游直管段要求,且精度较高,稳定性好,适用于小口径、小流量的天然气计量。
 
2 能量计量方式
天然气能量计量是体积计量的扩展与延伸,通过体积计量数值与天然气的热值乘积计算获得。与体积计量方式相较,能量计量更能科学地体现天然气作为燃料的商品价值。通过计量及分析仪系统,可科学规范地进行天然气的能量计量。
 
2.1 计量及分析仪系统
计量及分析仪系统主要由流量计量部分、分析仪部分、工艺设备部分和控制系统部分组成 [1]。
 
2.1.1 流量计量部分
流量计量部分主要由流量计、流量计算机、温度和压力变送器等组成。
 
1)流量计
流量计用于对天然气体积 / 质量流量的测量,流量计类型可参考体积计量中的选用原则。随着大口径、高压力输送管线的不断建设,超声波流量计已经广泛地应用于天然气贸易计量中,以前经常使用的孔板流量计、涡轮流量计等已经越来越不能满足要求。以土耳其某输气管道项目为例,工艺管线为 20",管道设计压力为 86bar(G),贸易计量用流量计精度要求不低于0.35%,在此工况条件选用成版人猫咪入口 超声波流量计可以满足以上要求。
 
2)流量计算机
流量计算机用于流量和能量的计算,并与流量计配套使用。流量计算机具有根据流量参数和气体组分参数直接计算标准体积、能量的功能。流量计算机对流量计、温度 / 压力变送器、分析仪等数据进行复杂的运算后,能够提供出准确的计量数据,并以此作为非常终贸易交接中法律认可的标准数据 [2]。流量计算机可通过简单的组态或选项进行计量标准选择,正常计算时,不受其它计量标准的影响。流量计算机天然气压缩因子的计算方法满足 GB/T 17747[3] 或 AGA Report NO.8[4] 的 要 求, 天 然 气 密度、组成、发热量、相对密度、沃泊指数的计算方法应满足 GB/T 11062[5] 或 ISO6976[6] 标准要求。
 
3)温度变送器和压力变送器
温度 / 压力变送器用于温度和压力的补偿计算。为保证计量系统的整体精度要求,温度和压力变送器的精度应优于计量系统精度的非常低要求,其安装位置也应按照流量计的相关国家标准规范来执行。
 
2.1.2 分析仪部分
分析仪部分主要由气相色谱分析仪、氧含量分析仪、烃露点分析仪、水露点分析仪、硫化氢分析仪等组成。此部分分析仪一般在分析小屋内安装,由分析仪系统集成商负责。
 
1)气相色谱分析仪
天然气的发热值可通过分析气体组分计算而得,而计算天然气的气体组分一般使用气相色谱分析仪 [7]。通过气相色谱分析仪实时取样分析,得到天然气的组成、密度、热值等物理参数,并将结果输入到流量计算机中,实现对天然气流量和热值的及时修正,保证天然气计量的精度。
 
2)氧含量分析仪、烃露点分析仪、水露点分析仪、硫化氢分析仪
氧含量、烃露点、水露点、硫化氢含量等结果用于计量系统的数据指示与报警,一般不用于贸易交接。测量氧含量的目的是从安全或防腐的角度考虑,避免恶意掺混空气 ;测量烃露点的目的是因为天然气管道中出现冷凝物会引起测量、自控和过滤装置发生故障,影响管道安全运行 ;测量水露点的目的是防止液相水的产生 [8,9] ;测量硫化氢的目的是有效减少对环境和人身健康的危害,以及对管道和设备的腐蚀 [10]。
 
2.1.3 工艺设备部分
工艺设备部分主要由流量计上、下游切断阀,上、下游直管段,整流器等组成。
1)流量计上、下游切断阀
一般选用密封良好、零泄漏的全通径阀门,并配带气动或电动执行机构,由计量及分析仪系统负责控制。
2)上、下游直管段及整流器
上、下游直管段需与流量计同心、同径,且符合上、下游直管段长度要求,整流器的类型、安装位置和加工制造等应遵循相关标准要求。以土耳其某输气管道项目为例,超声波流量计的前后都需要设置直管段和整流器,需符合 AGA Report NO.9[11] 标 准, 上、 下 游 直 管 段 需 取 得PED 认证,整流器样式需取得国际法制计量组织(OIML)的形式认证等要求。以成版人猫咪入口 超声波流量计为例,单向计量的流量计上、下游直管段及整流器配置方案如图1。
单向计量的流量计上、下游直管段及整流器配置方案
以超声波流量计为例,双向计量的流量计上、下游直管段及整流器配置方案如图 2。
双向计量的流量计上、下游直管段及整流器配置方案
2.1.4 控制系统部分
计量及分析仪系统可独立配置一套控制系统,用于数据采集及处理,电动 / 气动阀门的控制和流程切换等功能。计量及分析仪系统通过数据通信方式,将计量数据、控制数据和状态报警信息上传至站控系统。如无特殊要求,计量及分析仪系统亦可依托站控系统,完成上述描述功能。
 
3 流量计实流标定方式
由于流量计直接关系到贸易计量的准确性,流量计精度就显得尤为重要。一般来说,流量计厂家会在国际知名认证机构(如中国的 PAC、欧洲的 MID、国际上的 OIML等)中获得流量计的精度认证。但由于流量计产品在取得精度证书认证时,一般是采用空气下进行标定,当流量计用在压缩天然气计量时,尤其在高压条件下,标定条件与实际工况存在显著差异,会造成很大的计量误差。这就要求高压天然气计量时,应尽量在实际工况下标定后再进行测量。
 
所以,即使流量计产品在出厂时取得了精度认证证书,为保证测量精度,流量计用在天然气贸易计量时还需在国际认可的第三方标定中心(世界知名的标定中心有美国CEESI 标 定 中 心、 美 国 SWRI 标 定 中 心、 德 国 Pigsar 标定中心、荷兰 NMI 标定中心,加拿大 TCC 标定中心等)进行实流标定,并取得标定中心出具的标定认证证书。由于不同的标定中心标定装置存在差异,导致各实验室能够标定流量计的非常大压力和非常大流量都不一样,因而需要根据流量计的类型、尺寸、压力等级等方面,再结合业主要求选择合适的标定中心。以土耳其某输气管道项目为例,业主方只认可在欧洲标定中心出具的标定证书。以下为一般需与标定中心明确的标定内容 :
1)标定的压力等级。标定中心一般都只有几个压力等级可以选择。以土耳其某输气管道项目为例 :管道的设计压力为管道设计压力为 86bar(G),由于标定中心均无法达到此标定压力,业主方要求在不低于 60bar(G) 标定压力下进行标定。当业主方没有要求时,标定的压力等级不宜小于非常大操作压力的 50%。
 
2)标定的流量。流量计的流量标定方式不尽相同,以土 耳 其 某 输 气 管 道 项 目 为 例 :当 流 速 在 0.3m/s ~ 0.9m/s 之间时采用 3 点标定,分别在非常小流量、50% 非常大流量、非常大流量点设置 ;当流速在 0.9m/s 至非常大流速之间时采用 5 点标定,分别在非常小流量、25% 非常大流量、50% 非常大流量、75% 非常大流量、非常大流量 5 个点设置。得到上述标定数据后,标定中心根据标定数据做出精度误差曲线并出具标定认证证书。
3)对于有双向计量要求的流量计应进行双向标定。
 
4、 结束语
天然气作为一种优质能源和化工原料,其计量方式越来越受到国内及国际的重视。随着中国市场经济的发展,天然气贸易变得愈发频繁,计量及分析仪系统是保证贸易交接过程规范、合理、公正的重要手段。随着中国市场经济的不断完善,国内的天然气贸易交接方式也将与国际接轨,从传统的体积计量向能量计量不断发展。

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