天然气计量检定技术现状及进展

赵士海，刘博韬

天然气计量检定技术现状及进展

赵士海，刘博韬

（中石化天然气分公司计量研究中心，湖北 武汉 430073）

随着天然气需求量的不断增加和天然气贸易的全球化发展，供求双方越来越重视天然气流量计量的准确性。重点论述了广泛应用于天然气流量计量的孔板流量计、超声流量计、涡轮流量计的技术现状和发展趋势，以及国内外用于流量计量值溯源的天然气计量检定站技术的进展情况。

天然气；计量；检定；现状；进展

随着我国天然气产业的飞速发展，天然气流量计量成为天然气贸易交接过程中的主要环节。为了使计量结果的准确度控制在供求双方都能接受的范围内，用于贸易交接的流量计必须进行法制检定，使流量计与国家计量基准建立起有效的溯源链，保证量值的准确可靠。

1 流量计量技术

1.1 孔板流量计

孔板流量计是通过测量安装在管路中的标准孔板两侧差压，从而计算得到相应流量的一种计量设备，它由节流装置、差压计、压力变送器和温度变送器等组成。孔板流量计是国内外研究得最早、最细、试验数据最多、使用经验最丰富、标准化程度最高的计量设备，具有结构简单、容易复制，性能稳定，价格便宜等优点；但其测量范围窄、压损大、前后直管段长度较长等缺点，对整套流量计的准确度有较大的影响。所以，孔板流量计改进的重点一直集中在如何确定和减少天然气计量的误差上面，以期提高准确度[1]。由于孔板流量计是由若干个独立单元组合而成，各个部件设计、安装是否规范合理都会影响到流量计的整体性能的好坏。因此，结构简单、自动化程度高、运维量少的一体化孔板流量计的研制和使用是其发展趋势[2]。

1.2 涡轮流量计

1.3 超声流量计

超声流量计是利用超声波在流体中的传播特性来测量流量，其主要优点表现在测量范围宽、无压损、可正反输、无移动部件、准确度高、非接触测量等方面。按测量方法的不同，超声流量计可分为波束偏移法、互相关法、传播速度差法、多普勒法等[3]，通过比较，传播速度差法具有较高的准确度等级，据悉，西气东输、川气东送等国内输气管道常用的超声流量计准确度等级为1.0级，其次为0.5级，甚至也有少量的0.2级。从使用情况来看，超声流量计在新建高压、大口径、长距离输气管道上的使用数量逐年增加，越来越受到用户的青睐。

2 流量计量技术发展方向

2.1 计量方式向自动化、智能化、一体化方式发展

随着制造业、电子信息技术的不断发展，输气场站逐步配置智能压力变送器、温度变送器和流量计算机，并对部分计量设备进行改进，简化结构，实现计量技术的一体化和智能化。

2.2 仪表选型从单一仪表向多元化仪表发展

随着各个国家、各个地区不断发现新气源，不断建设新的输气管道，天然气气质组分和管道沿线环境条件的差异日益凸显，单一仪表类型完全满足不了目前用户的需求，各个国家也将不断研制新型流量计，并推出多元化仪表选型方案来满足不同用户的需求。

传说仙女下凡时，在辽阔的南中国海上撒下了一串串晶莹的珍珠，这就是美丽的南沙群岛。[一串串 晶莹的珍珠]

2.3 计量结算从体积计量向能量计量发展

天然气能量计量就是以天然气发热量的多少为依据进行贸易结算。天然气发热量作为最能反映燃料特性的一种合理的、科学的计量方式，在天然气贸易中应当被广泛采用。随着市场经济的不断完善和国际间天然气贸易活动的增多，天然气贸易计量的方法由体积计量向能量计量的转变势在必行。

2.4 单一数据管理向计量系统管理方向发展

随着计算机技术在计量管理信息系统中的广泛应用，天然气计量管理从影响测量结果的各个方面、各个环节进行全过程、动态科学管理[1]，解决了单一数据管理存在的种种弊端。

3 计量检定技术

准确可靠的计量数据是保证天然气管网安全稳定运行、提高企业经济效益的前提条件。如果天然气输送只注重采用先进的计量设备，而没有相应的计量标准作为计量器具量值溯源的保证，就会导致由于计量数据的不统一、不准确而引起贸易纠纷。因此，国内外都非常重视计量标准装置的建立和研究。

近几年，天然气流量计的检定从重视干标法逐步过渡到实流检定，以管输的实际天然气介质及在接近实际运行工况条件下对流量的分参数，如压力、温度、气质组分和流量总量进行动态量值溯源[4]。

3.1 气体流量标准装置简介

3.1.1 pVTt法气体流量标准装置

pVTt法气体流量标准装置是一个已知的标准容器，当气体以某个流量流进（或流出）该标准容器时，其中的气体质量将发生变化。通过测量在某段时间t内容积为V的标准容器的气体热力学温度T和绝对压力p的变化，就可算出气体流进或流出的质量流量。该装置主要用于检测临界流喷嘴或临界流文丘里喷嘴，也可用于检测其他气体流量计[5,6]。

3.1.2 mt法气体流量标准装置

mt法气体流量标准装置也被称为称重法或质量/时间法气体流量标准装置，主体由三通阀、称重容器和称组成。气体经过两级压力调节使得其压力稳定在系统所需的压力，通过三通阀进入称重容器，秤量气体质量和通过的时间就可以计算出流量。该装置主要用于校准音速喷嘴，当用于校准其它流量计时，也需在流量计与三通阀间安装音速喷嘴，以保证流量恒定。mt法装置的质量和时间可溯源到国家的质量和时间基准[7]。

3.1.3 HPPP法气体流量标准装置

高压活塞式气体流量标准装置，是英文 High Pressure Piston Prover首字母缩写，它由具有恒定截面和已知容积的管段组成，活塞以自由置换或强制置换方式在其内往复运动，根据活塞通过该管段所需时间可得到气体的标准体积流量。检测开关可确定活塞进入和离开标准管段的时间间隔，标准管段的容积可采用水驱法由标准量器确定[8]。从近几年的发展来看，现多采用几何测量的方法，直接测量标准管段的体积，并且HPPP法装置的长度和时间可溯源到国家的长度和时间基准。目前，德国国家物理技术研究院PTB现有一套HPPP法装置，在建的国家石油天然气大流量计量站武汉分站也将采用该装置。

3.2 国内外主要天然气流量标准装置对比分析

在国外，相继出现许多实流计量检定实验室，如荷兰国家计量研究院(NMI)、德国(Pigsar)、加拿大输气校准公司(TCC)、美国科罗拉多工程实验室(CEESI)等,见表 1[9]。在国内，计量检定站的发展起步较晚，目前可开展高压、大口径流量计检定的计量站为国家石油天然气大流量计量站成都分站、南京分站和武汉分站，见表2。

对国内外计量标准装置进行分析、比对后，得出结论：

（1）为了提高流量计检定的准确度，许多国家根据本国实际情况建立了以天然气为介质的在线实流检定标准装置，为了逐级扩大流量范围，提高工作压力，多数检定实验室都建有原级标准、次级标准和工作标准，并且原级标准的各基本量都能溯源到相应的国家标准或国际标准。

（2）在现有的天然气计量标准装置中，以 mt法气体流量标准装置作为原级标准装置的占据多数，其次为 pVTt法气体流量标准装置，只有德国Pigsar和在建的国家石油天然气大流量计量站武汉分站使用HPPP法气体流量标准装置。虽然天然气原级标准装置结构形式、流量及压力范围各异，但其测量不确定度大致保持在1.0%～2.5%之间。

（3）在现有的天然气工作级标准装置中，一般选用涡轮流量计，测量不确定度一般在0.25%～0.40%之间；据了解，国内外一般多选用临界喷嘴作为次级流量标准装置，流量测量不确定度一般在0.15%～0.25%之间。

（4）由于国内也是最近十几年才引进国外的流量标准装置，不论是从适用范围还是准确度方面都比较接近世界先进水平。国内原级标准装置测量不确定度一般都达到0.1%，次级标准为0.25%左右，工作标准为 0.33%左右。值得期待的是国家石油天然气大流量计量站武汉分站的建设，其原级标准装置引进的是德国Pigsa的HPPP法气体流量标准装置，也是国内首家，原级标准装置测量不确定度有望达到0.1%，工作标准为0.20%左右。

［1］张红兵，郑云萍．天然气流量计的选型及其计量发展趋势[J].石油与天然气化工，2003,32(3):176-177.

［2］安建川，梁光川．天然气计量技术现状及趋势[J].内蒙古石油化工，2007(1):42-45.

［3］温怀海．超声波流量计在大管径天然气计量中的应用[J].石油规划设计，2003,14(6):20-21.

［4］钱成文，王惠智．国外天然气的计量与检定技术[J].油气储运，2005,24(6):38-42.

［5］徐英华．浅谈气体流量标准装置的发展状况[J].现代测量与实验室管理，2004(2)：7-8.

［6］白瑞琴．pVTt法气体流量标准装置关键技术的研究[D].北京：中计量学院，2012.

［7］杨有涛，徐英华，王子钢．气体流量计[M].北京：中国计量出版社，2007:190-191.

［8］黄坤，赵孟卿，王劲松，陈涛．HPPP法检定高压天然气流量计[N].重庆科技学院学报(自然科学版),2011,13(3):119-121.

［9］黄和，徐刚，余汉成，陈凤．国内外天然气流量计量检测技术现状及进展[J].天然气与石油，2009，27(2):42-47.

Current Situation and Development of the Natural Gas Metrological Verification Technology

ZHAO Shi-hai，LIU Bo-tao
（Sinopec Gas Company Measurement Research Center, Hubei Wuhan 430073，China）

With the continual increase of requirement of natural gas and global development of natural gas trade, the accuracy of natural gas flow rate measurement attracts more and more attention from the supply and demand sides. In this paper, the current technology situation and development trend of orifice-plate flowmeter, ultrasonic flowmeter and turbine flowmeter were reviewed. Development of the natural gas metrological verification technology used for measurement tracing at home and abroad was also analyzed.

Natural gas; Measurement; Verification; Current situation; Development

TE 624

： A

： 1671-0460（2015）05-1123-03

2014-10-21

赵士海（1988-），男，湖北武汉人，助理工程师，2012年毕业于中国石油大学（北京）油气储运工程专业，研究方向：天然气计量。E-mail：784625729@qq.com。