1、天然气计量技术1 概述1.1 1.1 天然气计量方式天然气计量方式在此谈论的天然气计量是指天然气贸易交接计量，有如下三种计量方式(结算单位)：1.体积计量，以标准参比条件下的体积作为商品天然气贸易结算的单位；2.质量计量，以质量作为商品天然气贸易结算的单位，一般用于液化天然气的贸易计量；3.能量计量，以标准参比条件下的能量作为商品天然气贸易结算的单位。1.2 1.2 天然气计量目的天然气计量目的天然气计量的目的为：1.保证提供商品天然气的质量符合相关标准和法规的要求；2.保证测量的天然气交接量公平公正、合法和准确。1.3 1.3 天然气计量特点天然气计量特点天然气贸易交接计量如下特点：1.公平
2、公正公平公正，要求整个计量系统的设计、使用和维护符合相关法律法规的要求，并得到双方的认可；2.合法合法，所有计量参数的测量方法都有标准和规程可依，相应的计量器具都按相关标准和规程进行检定或校准；3.准确准确，计量系统中计量器具的准确度应满足标准和规范中对应等级的最低准确度要求；4.经济经济，在保证准确度的前提下，应考虑投资回报率问题。2.1 2.1 概述概述 天然气流量计量的一个重要目的是用于贸易结算，为了保证计量结果准确，要求使用科学的、成熟的和实用的计量方法以保证计量结果的统一。而保证计量结果准确和统一的最佳方法是用标准规定允许使用的计量方法。各国及某些机构都为制定相应的计量方法标准予以高
3、度重视，具有代表性和先进性的国家和机构有美国的石油协会（API）、气体协会（AGA）、材料测试协会(ASTM)及气体加工协会(GPA)、欧共体（EN）、国际标准化组织(ISO)和国际法制计量组织(OIML)。2.2 2.2 计量系统标准计量系统标准内 容国外国内计量系统技术要求EN 1776,OIML TC8/SC7草案ISO TC 193正在立项GB/T18603天然气标准参比条件ISO 13443GB/T 19205天然气词汇ISO 14532GB/T 20604 2.3 2.3 流量测量标准流量测量标准内 容国外国内差压式流量计AGA No.3,ISO 5167SY/T6143,GB/T
4、 2624气体涡轮流量计AGA No7,EN 12261,ISO 9951GB/T 18940,用于天然气的标准处于报批阶段气体超声流量计AGA No.9,ISO/CD 17089GB/T18604涡街/旋进旋涡流量计ISO/TR 12764SY/T 6658 容积式流量计 EN 12480SY/T 6660质量流量计AGA No 11,ISO 10790SY/T 6659 临界流流量计ASME/ANSI MFC7,ISO 9300JJG 620,正在起草液化天然气储罐液位ISO 8309,ISO 8310,ISO 8311,ISO 9091-1,2,ISO 10574,ISO 13689报批
5、阶段和起草阶段液化天然气体积和能量ISO 6578,ISO 13398报批阶段 2.4 2.4 组成分析测定标准组成分析测定标准内 容国外国内天然气取样ISO 10715，ASTM D5287GB/T13609液化天然气取样ISO 8943GB/T20603 天然气组成分析ASTM D1945,ISO 6974ISO 6975,GPA 2261GB/T13610GB/T 17281天然气在线分析性能评价ISO 10723跟踪研究天然气分析溯源性ISO 14111,ISO 6142GB/T 5274,GB/T 5275GB/T 140702.5 2.5 物性参数测定物性参数测定标准标准内 容国外
6、国内能量测定AGA No5,ISO/DIS 15112报批阶段标准参比条件物性参数ASTM D 3588，ISO 6976GB/T 11062天然气压缩因子计算AGA NX19,AGA No.8,ISO 12213GB/T17747,SY/T6143天然气密度连续测量ISO/DIS 9857未开展工作天然气发热量测量 FDIS 15971，ASTM D1826，ASTM D4891GB/T 12206液化天然气密度计算ISO 6578，ASTM D 4784报批阶段天然气声速计算AGA No 10,ISO/DIS 20765-1跟踪研究3 3 标准参比条件标准参比条件 标准参比条件有压力、温度
7、和湿度三个因素。世界各国的标准参比压力都采用101.325kPa，而温度则与地理位置和传统历史有关，有0、15、20、25，对于湿度，一般使用两种极端，即：干气或饱和水。体积计量和发热量测量都要求规定标准参比条件，体积计量一般只规定压力和温度两个因素；发热量有压力、温度和湿度三个因素，温度有燃烧温度和体积计量温度两种，也有使用一种温度或两种温度相同。ISO 13443 规定的标准 参比条件为101.325kPa、15和饱和水，并推荐成员国使用，但各国都根据自己的规定相应的标准参比条件。我国使用的参比条件是101.325kPa，20。4 4 天然气的组成分析天然气的组成分析 天然气组成分析和物性
8、参数测定是为天然气勘探、开发和生产提供基础数据。在计量领域中，天然气组成分析和物性参数测定的目的是为流量测量提供物性参数数据。天然气组成分析在常规分析和延伸分析两种。对于管输天然气，一般只涉及到常规分析，最高组成分析至C8。对于井口和管输原料气，含有重烃组分，需要进行延伸分析，即分析至C16+。在此只讨论常规分析，分析使用的仪器为气相色谱仪。天然气常规分析已经有成熟的标准方法，主要有ISO 6974、ASTM D1945、GPA 2261和GB/T 13610四个标准系统，讨论如下：ISO 6974标准的名称为“在一定不确定度下用气相色谱法测定天然气的组成”，由如下6个标准组成：1.ISO69
9、74-1：2000，第1部分 常规分析导则；2.ISO6974-2：2000，第2部分 测量系统特性和数理统计；3.ISO6974-3：2000，第3部分 用两根填充柱测定氢、氦、氧、氮、二氧化碳和直至C8的烃类；4.ISO6974-4：2000，第4部分 实验室和在线系统中用两根色谱柱测定氮、二氧化碳、C1至C5及C6+的烃类；5.ISO6974-5：2000，第5部分 实验室和在线系统中用三根色谱柱测定氮、二氧化碳、C1至C5及C6+的烃类；6.ISO6974-6：2000，第6部分 实验室和在线系统中用三根毛细色谱柱测定氢、氦、氧、氮、二氧化碳和直至C8的烃类”。ASTM D1945和G
10、PA 2261都只有一个部份，GB/T 13610是参照ASTM D1945制定的，它们的差别主要体现在适用范围和操作条件上。总体而言，ISO 6974标准具有其它ISO标准的共同特点，逻辑、结构严谨，分析条件规定详细明确，使用者只能按其要求配置设备和操作。ASTM和GPA标准比较实用，只规定获得准确数据所需的分析条件指示，使用体积条件由使用者灵活选择，可操作性强。5 5 超声波流量计超声波流量计 5.1 5.1 工作原理 用于天然气流量测量的超声流量计使用的是时间差法。图5.1-15.1-1 为直射式超声流量计的工作原理示意图。图图5.1-1 5.1-1 工作原理图工作原理图在管壁两边安装一
11、对斜角为的超声换能器，两个换能器同时或定时向对方发射和接收对方的超声信号。此时顺流和逆流的接收时间为：式中：tab超声波从上游换能器传至下游换能器所需要的时间；tba超声波从下游换能器传至上游换能器所需要的时间；L上下游换能器之间的距离；C超声波声速；Vm流体沿管径方向的流速；超声换能器与管径方向的安装角度。cosmabVCLtcosmbaVCLt 由上述两式推导出流体流速和流量的计算公式如下：式中：q流体在管道中的工况流量；A管道横截面积。由此可见，由此可见，超声流量计的测量精度取决于声道长度超声流量计的测量精度取决于声道长度L L和和时间测量准确度。时间测量准确度。)11(cos2baab
12、mttLVAVq5.2 5.2 结构结构 根据换能器多少，目前气体超声流量计有一至六声道流量计；根据超声波在管壁上的反射情况，又可分为直射、单反射和双反射三种。5.2.15.2.1单声道流量计单声道流量计 一般都采用单反射技术，计量不确定度为1.0-2.0%5.2.2 5.2.2 双声道流量计双声道流量计 Daniel 采用的是直射技术，不确定度为1.0-1.5%；Instromet采用的是双反射技术，不确定度为0.7-1.0%；Controlotron采用的是单反射技术，不确定度为0.5%。5.2.3 5.2.3 三声道流量计三声道流量计 Instromet采用的是一个单反射和两个双反射技术
13、，Controlotron采用单反射技术，不 确定度为0.5-0.7%。5.2.4 5.2.4 四声道和五声道流量计四声道和五声道流量计 四声道流量计：Daniel 采用的是直射技术，不确定度为0.5%左右。五声道流量计：目前只有Instromet公司推出此产品，有三个声道采用单反射技术，两个声道采用旋转方向相反的双反射技术，对旋涡流的流量测量准确度较高，不确定度为0.30.5%。5.2.5 5.2.5 外夹式流量计外夹式流量计Controlotron采用单反射技术生产了外夹式超声流量计，不确定度为1.0%。5.3 5.3 计量特性计量特性 工作原理简单，有望成为基准流量计。测量准确度高，量程
14、比大，一般都是1：20，可达到1：100。适应性强，上游最短10D(视厂家而定，最好2530D，加流动调节器)、下游5D；加上表体约20D，占地少。无可动部件，可直接进行清管作业。受压力变化影响小，在最低使用压力下校准后，就可在全范围内使用。为高科技产品，各厂家的产品都有其独特的专利技术，智能化软件可以进行自诊断并处理一些影响准确度的干扰，一次性投资高。多声道，尤其是五声道流量计能适用多种流态。对有超声干扰的场合慎用。5.4 5.4 厂家简介厂家简介 目前生产超声流量计的厂家有荷兰的Instromet，美国的Daniel和Controlotron及挪威的Kongsberg等。各个厂都有其特别的技术。Instromet，对超声流量计有较系统的研究，有单声道、双声声道、三和五声道流量计，采用单反射和双反射技术。Daniel，有双声道和四声道两种，大部分是直射技术。Controlotron，采用单反射技术，可根据需要增加声道。时间可准确到10-12秒，比其他公司小10-3。是唯一一家生产管径小于DN100和外夹式超声流量计的厂家。Kongsberg,是采用直射技术，最多为六声道。
