摘要：提出了城市天然气门站计量系统设计中流量计量仪表的优化选择以及计量工艺方案的优化。
关键词：门站计量；流量计；核查流量计；涡轮流量计；标准孔板流量计；超声流量计
Optimized Design of Metering System at City Natural Gas Gate Station
WU Shenglei，SUN Hao
Abstract：The optimized selection of flow metering instrument in design of metering system in city natural gas gate station as well as the optimization of metering process scheme are proposed.
Key words：metering at gate station；flowmeter；reference flowmeter；turbme fiowmeter；standard orifice flowmeter；ultrasonic flowmeter
天然气流量的计量，特别是城市门站的天然气流量计量对天然气管理部门的经济效益、运行安全都十分重要。提高城市门站计量系统的准确度、可靠性成为门站计量系统设计方案的关键[1～3]。
1 门站计量仪表选型优化
1.1 城市天然气门站计量仪表特点
综合考虑各种流量计量仪表的优点、缺点和贸易计量的法制性要求，气体涡轮流量计[4～5]、标准孔板流量计[6～7]和气体超声流量计[8～11]成为城市天然气门站计量仪表的首选。
① 气体涡轮流量计
气体涡轮流量计的主要特点是高准确度、高重复性。准确度一般为±1%～±1.5%，特殊要求下可以达到±0.5%。重复性最高可达到0.05%～0.2%。因此，在正确安装使用的前提下，保证经常校准，或者是在线校准，将会得到很高的精度。用于天然气门站计量的气体涡轮流量计，一般配有机械计数器和体积修正仪，有各种气体状态的显示和各种信号输出接口。中大口径产品的测量范围一般为20：1～40：1，小口径产品的测量范围一般为10：1。产品整体性好，安装使用方便。
但是，气体涡轮流量计也是一种易受现场条件干扰的流量计。流体物理性质的变化将直接影响气体涡轮流量计的测量准确度。天然气密度发生变化会影响到涡轮流量计的测量下限，密度变大时测量下限值将变小，反之测量下限值将变大。在选择气体涡轮流量计作为门站计量仪表时，应根据所测量天然气的温度和压力对密度的影响，重新换算流量计的测量下限值。脏污、结垢、粉尘等流体性状的变化，将会改变管道粗糙度、流通面积、叶轮轮廓，使流量计的计量性能受到严重影响。旋转、脉动、畸变等流体流动特性的影响也会使流量计的计量结果发生偏移。
作为门站贸易计量的流量计，气体涡轮流量计的标准是比较完善的。GB/T 18940—2003《封闭管道中气体流量的测量 涡轮流量计》规定了涡轮流量计的尺寸、范围、结构、性能校准和输出等特性。GB/T 21391—2008《用气体涡轮流量计测量天然气流量》结合天然气测量现场的实际使用情况，提出了许多有针对性的技术规定。JJG 1037—2008《涡轮流量计》为产品的型式评价和使用中检定提供了依据。
② 标准孔板流量计
标准孔板流量计的主要特点是检测部件标准化，可以准确复现，产品结构简单，无可动部件，性能稳定，使用寿命长，性价比很高。由于孔板流量计悠久的发展历史和深厚的理论基础，孔板流量计的标定可以采用干标的方法，即流量计无需实流标定，配合高级可换孔板阀的使用，使得高压力、大流量在线使用的孔板流量计周期检定成为可能，进一步满足了作为贸易结算用天然气流量计量仪表的法制性要求，因此具有很强的可操作性。
随着电子电路和计算机技术的高速发展，二次仪表的性能有了质的飞跃，宽量程智能差压变送器的出现解决了差压信号宽范围测量的精度问题，流量计算机的出现解决了流出系数和可膨胀性系数在线实时修正计算的问题，这样的组合使孔板流量计的范围度很容易达到10：1以上。研究表明，使用多台高性能智能差压变送器的组合，可以使孔板流量计的范围度达到120：1，而且此项技术已经在工程实践中开始应用。
虽然具有上述公认的优点，但是标准孔板流量计还有很多不足。孔板锐角钝化带来流出系数偏离标准值的问题是本质的缺陷，只能采用系数修正和定期检测更换的方法加以解决。另外，标准孔板流量计压损相对较大是它的另外一个本质缺陷。对于安装要求前后直管段较长的问题，应该认真分析并通过科学的计算加以应对，例如通过计算，控制直径比β值在0.6以内，可以有效缩短直管段的长度。选择合理的计量系统精度也是缩短直管段长度的手段之一。
从1930年的美国AGA N0.1报告到现代的ISO 5167—2003E，国际上很多学术组织和研究机构对标准孔板流量计的研究不断深入完善，技术标准涉及到产品的生产制造、安装使用和检定校准等方面。我国为适应天然气工业的实际发展需要，也制定了天然气流量测量的行业标准SY/T 6143—2004《用标准孔板流量计测量天然气流量》，并于2008年由中国石油天然气集团公司提出并编制国家标准GB/T 21446—2008《用标准孔板流量计测量天然气流量》，标准采用国际先进标准内容并充分考虑我国天然气计量工作长期的实践经验。
③ 气体超声流量计
20世纪90年代，气体超声流量计的出现引起了人们的强烈反响。它突出的优点在于：流量方程简单可靠；测量范围很宽，可达到100：1；准确度高，作为贸易计量的四声道以上产品，准确度一般为±0.5%～±0.2%；无可动部件；无压力损失。高度智能化的强大数据处理单元在测量流量的同时还能同时监测流体流动特性的变化(流场畸变、旋转流等)、流体物性(密度)的变化等，并对流量测量的结果随时进行修正。气体超声流量计由于其本身的工作原理及特点，决定了它是继孔板流量计之后有可能实现干标的另外一种流量计，这对于该产品日后的推广和使用有着非常积极的影响。
我国近年来随着气体超声流量计使用量的增加，现场实践经验日趋丰富，科技工作者也加大对其现场影响因素的研究，并且已经暴露出许多深入的问题，具体如下：
噪声的影响。噪声是此类流量计特有的影响因素，超声流量计是基于换能器发射和检测声脉冲进行计量的，而在计量现场的工艺管道中存在大量的噪声源，流体通过阀门、整流器、各类管件时会产生一定的噪声，并且由于流量、温度、压力等工况的变化，噪声也是随时变化的。如果噪声的频率和流量计的工作频率范围一致，就会产生较大的干扰。
脏污对流量计性能的影响。天然气中含有水分、硫化铁粉末及其他脏污杂质，它们对管道内壁、超声探头产生影响。内壁粗糙度改变会使速度分布发生变化，测量的准确度和稳定性都会降低；脏污杂质腐蚀管壁使管道截面积增大，则流速相应降低；探头的污染造成声波传输障碍。目前部分厂家提供先进的自诊断软件，可对上述变化进行监测，但效果还有待观察。
标定手段的影响。按照我国贸易交接用流量计量仪表的法制性要求和国家标准GB/T 18604—2001《用气体超声流量计测量天然气流量》的要求，“气体超声流量计在出厂使用前、修理后和使用达到检定周期时应进行实流校准”。但就目前国内的实际情况来看，具备检测能力的检测机构少之又少，其设备检测能力远不能满足现有气体超声流量计的实流校准需求，造成许多在用的气体超声流量计无法定期进行实流校准，其计量性能状态不得而知。
我国参照AGA No.9报告制定了气体超声流量计的应用标准GB/T 18604—2001《用气体超声流量计测量天然气流量》。制定了检定规程JJG 1030—2007《超声流量计》，用于以时间差法为原理的封闭管道用超声流量计的型式评价、首次检定、后续检定和使用中的检验。
1.2 流量计量仪表选型的重要因素
必须了解天然气门站的各种工艺条件和工艺参数。对于天然气门站的使用场所，在一组特定的工艺条件和工艺参数下某种流量计的技术优势，通常就是初选时的依据。以下是在正确选择流量计之前必须明确的重要因素：
① 被测介质的物理性质：指被测天然气的组成、密度、黏度、脏污、结垢、粉尘等情况。
② 门站计量工艺点处的操作条件：被测天然气的温度变化范围和压力变化范围。
③ 流量计的安装条件：管道的内径；工作状态下流体的雷诺数；工艺预留直管段长度和上游阻流件形式；流动调整器安装的必要性和可行性；工艺管道的振动情况；流体是否存在脉动；流量计工作环境的温湿度和电磁、噪声等干扰的情况。
④ 对流量计性能的要求：计量系统的准确度等级和对应的范围度要求；常用流量点、最大流量点、最小流量点。
⑤ 对流量计量仪表的经济性要求：一次仪表、二次仪表和附属装置的购置费用；仪表的安装调试费用；相关备件和售后服务的费用；仪表运行后的维护及周期检定费用。
1.3 流量计量仪表选型的基本要求
城市燃气门站计量系统流量计选择应以GB/T 18603—2001《天然气计量系统技术要求》为技术依据，结合各种流量仪表的特点，尽可能满足如下基本要求：
① 可采用不同物理原理的流量计测量天然气体积流量或质量流量，但必须保证所用方法的溯源性和可靠性。
② 流量计准确度应符合表1的规定。同时必须注意，过分准确度的要求会增加不合理的费用。
③ 流量测量的量程比要尽量宽(至少10：1)。
④ 流量计性能要长期稳定，可靠耐用。
⑤ 流量计故障率要低，维护与修理费用要少。
⑥ 流量计的购置费与校准费要适中，安装与运行费用要少。
⑦ 作为城市燃气门站计量系统的流量计，一般属于贸易计量，还必须符合法制性要求。
2 门站计量系统工艺管路设计优化
2.1 计量管路多管并联
计量管路的多管并联方案虽然在仪表、设备的购置费用上有所增加，但对系统计量准确度的保证、流量测量范围的扩展、日后的维护维修、仪表的周期检定都会带来很多的益处。
图1、2为某城市天然气门站计量系统工艺管路方案一和方案二。两个方案相比较，方案一结构简单，工程造价较低，方案二则相反。但是，采用两管并联的方案二，可以使整个计量系统的测量范围从130～2500m3/h(量程比20：1)扩展到80～3200m3/h(量程比40：1)。在门站运行过程中，如果遇到流量波动较大时，方案二可以随时打开或关闭两台流量计中的一台，使流量计量仪表始终工作在0.2qmax到0.8qmax这一计量性能最优的范围段(qmax为最大流量)，从而保证整个计量系统的计量性能最优。另外在流量计1或流量计2中的某一台出现故障或进行周期检定时，可以使用单台流量计供气运行的方式，避免城市门站供气中断的情况发生。
方案二中的跨接管用于流量计1和流量计2之间的计量性能核查比对。计量仪表在日常需要进行核查比对时，运行人员在制定周密可行的供气方案后，可以先将供气流量限制在单台仪表供气能力1600m3/h以内，打开跨接管路阀门5，关闭阀门1-2和阀门2-1，将计量系统切换成流量计1和流量计2串联的运行方式。在这种运行状态下，可以核查比对两台流量计的计量性能是否存在异常。
2.2 设立核查流量计
上述方案二中的流量计1和流量计2可以串联达到互相核查的目的，但在更多流量计并联组成的计量系统中就需要考虑设立单独的核查流量计。如图3，方案三中有工作流量计n台，每台流量计的测量范围是80～1600m3/h，系统的测量范围是(80～1600)n m3/h。核查流量计是一台80～1600m3/h的流量计。正常工作时，工作流量计根据供气量，可以运行在不同的开备组合下，核查流量计前后阀门1和阀门2关闭，阀门3和阀门4开启，核查流量计不投入运行。需要对工作流量计进行核查比对时，阀门1和阀门2开启，阀门3和阀门4关闭，核查流量计投入运行。通过阀门开闭，任何一台工作流量计都可以和核查流量计形成串联运行，进行核查比对。
这里需要说明的是：
① 核查流量计的测量范围选择不一定要和工作流量计完全相同，但必须覆盖工作流量计的常用工作点。
② 核查流量计的物理原理最好选择不同于工作流量计。这是因为工艺条件或工作环境的影响对同一物理原理的流量计往往是相同的，这些因素造成对流量计计量性能的影响很容易被掩盖。而采用不同物理原理的流量计进行核查，其核查结果的真实性会大大提高。例如，方案三中的工作流量计如果是涡轮流量计，核查流量计就应该考虑选用标准孔板流量计或超声流量计。核查流量计也应该按照相应的检定规程进行周期检定，以保证其准确可靠。
③ 城市天然气门站计量系统的设计方案还要充分考虑城市经济发展对天然气供气设备扩容的需求。如果选用涡轮流量计或超声流量计作为工作流量计，则应该考虑在图3方案三的工作流量计组中预留扩展旁路。如果选用标准孔板流量计作为工作流量计，这种流量计在雷诺数符合要求的前提下，可以通过扩大开孔直径、调整差压上限等方法，在一定范围内解决扩容的问题。
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(本文作者：吴胜雷1 孙浩2 1.天津市燃气热力规划设计院 天津 300191；2.天津市计量监督检测科学研究院 天津 300192)
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