淺析氣體組分對標準孔板計量系統的影響
——基于一起天然氣計量異議的處理

晁宏洲，黃明基，張胡生，陳昱含

中國石油塔里木油田分公司油氣運銷部 （新疆 庫爾勒 841000）

天然氣標準孔板計量系統是一種標準化的差壓式流量測量裝置，這種流量測量方法以能量守恒定律和流動連續性方程為基礎，通過測量天然氣流經節流裝置前后的差壓間接測量流量。用標準孔板計量系統測量天然氣流量，是一個多種儀表的組合檢測過程，也是一個多種參數的混合運算過程。它包含了多個復雜的計量工藝參數、節流裝置（節流件、取壓裝置和上下游直管段）的尺寸參數、天然氣物性參數等。計量工藝參數需要用高準確度儀表檢測得到，節流裝置需要精確加工并經嚴格檢測得到，天然氣物性參數需要基于準確的組分分析，通過復雜的計算得到。因此可以說，標準孔板計量系統是一個對流量測量結果影響因素眾多的復雜儀表組合，其中任何一個因素都可能直觀或隱蔽地影響標準孔板計量系統測量天然氣流量的結果。從事天然氣交接計量的技術人員需要熟悉每種因素對測量結果的影響趨勢，避免交接過程中的計量異議或有依據地依靠技術手段正確解決計量異議，避免計量糾紛。

1 計量異議的提起

2012年11月17日，用戶向供氣方送達《關于申請解決天然氣帶油造成我公司催化劑中毒的報告》，提出天然氣帶液（油和水）造成其化工裝置催化劑、脫硫劑中毒的質量抱怨和交接雙方計量結果偏差較大的計量異議。接到用戶訴求后，供氣方高度重視,成立調查組趕赴現場調查核實,分析和解決問題。

用戶從供氣門站引接天然氣作為化工裝置原料氣，生產高附加值的化工產品，用氣量相對穩定。供氣方在門站建設一套標準孔板供氣計量系統，用戶在其裝置區建設一套標準孔板對接計量系統。供需雙方計量設施分布如圖1所示。

供氣門站氣源包含兩類：一是來自凝析氣田的凝析氣，在上游經過過濾除液、高壓分子篩脫水和J-T閥節流制冷脫水脫烴，氣質良好，氣量占供氣門站總氣量85%以上，且常年供應；二是來自油田的伴生氣，為零散井放空氣回收加工產品，在上游經過橇裝簡易處理設備的粗略脫水脫烴，氣質較差且不穩定，氣量不超過供氣門站總氣量15%，且為間歇性供應。兩類氣源在進站處匯合，計量系統前端設離線取樣口，定期取樣送實驗室分析，氣體組分數據在標準孔板供氣計量系統流量計算機里定期更新。因為供氣方供氣計量系統與用戶對接計量系統之間再無旁路，兩處計量系統類型相同、規格相同，通過兩處計量數據的比對，供需雙方均可以很方便地發現計量偏差，提出計量異議。本次用戶提出，2011年、2012年兩年均從10月下旬開始，供需雙方出現較大的計量偏差，要求一并解決計量差異。

圖1 供需雙方計量設施分布示意圖

2 調查分析

2.1 調查核實

根據調查組2012年11月18日在供氣門站除油器和用戶化工裝置穩壓罐兩處排污情況來看，供給用戶用于化工裝置的原料天然氣確實能排出相當量的液體，為重質烴類和水（圖2）。

圖2 供氣門站和用戶裝置區天然氣排液實拍圖

查看供氣門站和用戶化工廠兩方面的工藝操作運行記錄，也證實從2012年9月13日8：00開始發現天然氣中帶液體，并著手加強排液操作，最嚴重時排液操作頻率加密到1次/h。經調查了解兩類氣源的生產裝置運行情況，查明油田伴生氣因為膨脹致使制冷設備發生故障，幾乎未經脫水脫烴處理就輸送到供氣門站。即使設備不發生故障，在外部環境溫度很低的冬季，處理裝置脫水脫烴處理效率變差，在現有工藝設備條件下，也無法徹底解決伴生氣氣質不好的問題。

2.2 數據分析

調查組安排供氣方計量工程師匯總了從2010年9月1日—2012年10月1日時間段的每日、每月計量數據，每月供需雙方計量數據對比偏差見表1。從表1中可以看出如下幾個趨勢。

1）供需雙方的計量偏差總體呈逐步縮小的趨勢，證明供氣計量系統通過逐步改善計量工藝條件，提高了計量系統的準確性（前期因為標準孔板選型不合適，計量準確性很差）。

表1 供需雙方計量數據對比偏差

2）在夏季，供需雙方的計量偏差小；到了冬季，供需雙方的計量偏差變大。

3）查看供氣門站生產運行記錄，結合工藝條件來看，在只有凝析氣單一氣源的時間段內，供需雙方的計量偏差較小。

2.3 原因分析

在調查過程中，供氣門站的其他幾家用戶，也提出了冬季運行期間供需雙方計量偏差大的問題，分析原因如下。

1）交接計量采用的天然氣組分值不具有代表性。在冬季，隨著外界環境溫度的降低，上游天然氣處理工藝水平變差，來氣中所攜帶的烴類、水等液態物質含量增大，導致氣體組分總體變重。但由于受取樣設施的影響，取不到真正有代表性的樣品，在交接計量過程中，參與標準孔板計量系統流量計算的氣體組分較實際情況要輕，致使計量值偏大。

國家標準GB/T 13609—2017《天然氣取樣導則》［1］中規定，對氣質不均勻天然氣“取樣探頭應插入到管中心1/3處”，以取得有代表性的樣品。但供氣門站的天然氣取樣設備只是焊接在管道上部的一段細直管，取樣管下端與管道內表面平齊，無法取得烴類、水等液態物質。取樣點設置如圖3所示。

圖3 供氣門站天然氣取樣點實拍圖

根據GB/T 17747.2—2011《天然氣壓縮因子的計算 第2部分：用摩爾組成進行計算》［2］和GB/T 11062—2014《天然氣發熱量、密度、相對密度和沃泊指數的計算方法》［3］標準，天然氣組成變化造成壓縮因子Z和密度ρ兩個物性參數計算結果不同，從而導致流量測量結果不同。

參與流量計算的天然氣組分數據不代表實際情況，勢必會造成計量誤差，這也是國家、行業相關計量標準規范中在交接氣量較大的場合和計量準確度要求高的計量系統中，要求配套在線色譜分析儀，采用實時動態物性參數的原因。

2）標準孔板計量系統導壓管中含有液體物質。標準孔板計量系統是通過測量標準孔板節流前后的差壓值來間接算出天然氣流量，如果導壓管中帶有水、重烴等液態物質，一般會積聚在下游導壓管處，導致差壓值較實際值偏大，從而引起較大的計量偏差。如果標準孔板計量系統計量的介質帶液，應及時從導壓管低點排出。每套標準孔板計量系統均設計有導壓管排液的低點閥門，如圖4所示。

圖4 標準孔板計量系統導壓管低點排液管實拍圖

調查組在現場查看供氣門站的排液記錄，證明從導壓管中確實能排放出液體。發現該情況后，供氣門站值班人員加密導壓管排液，盡量減少導壓管積液對計量結果的影響。

3）計量工藝條件不能完全保證標準孔板計量系統的性能。伴生氣嚴重帶液問題，已在2011年冬季運行時發現，供氣門站采取及時向上游生產單位反映、間歇停止來氣等措施爭取保證來氣質量。供氣方為徹底解決這一問題，于2012年增加了針對該部分來氣的精細過濾器，但因設備檢測缺陷等問題，一直還未投用。為保證及時掌握天然氣的物性，在2012年又設計加裝了在線烴水露點監測儀器，設備已采購到貨，尚未施工安裝。

任何種類的天然氣計量系統，對計量介質的潔凈度都有要求［4］，因為伴生氣本身帶液，加之過濾分離設備和監測儀器沒有安裝投用，處理和監測措施沒有及時跟上。一方面導致天然氣組分變重而不能通過取樣分析掌握；另一方面導致差壓參數測量發生較大誤差。兩方面共同作用，造成標準孔板計量系統準確度降低。

4）標準孔板計量系統本身的計量誤差大。標準孔板計量系統是通過測量管道內徑、標準孔板開孔孔徑、壓力、溫度、差壓、氣體組分等多個變量的方式間接得到天然氣流量，影響環節和因素較多。在一般情況下，行業內普遍認定標準孔板計量系統測量誤差的經驗值約為±3.0%，這是其本身的計量特性所決定的。

3 解決措施

3.1 差異量核定原則

按照供需雙方簽訂的天然氣計量交接協議，結合計量異議發生的原因，調查組決定對本次用戶提出的計量異議的訴求，只考慮2011、2012兩個年度冬季運行階段。導壓管積液對測量結果的影響，沒有直接的證據且無法量化追溯，故解決本次計量異議只考慮氣體組分變化對標準孔板計量系統的影響。采用氣體組分差異修正的原則，即在供氣方計量數據的基礎上，乘以天然氣輕、重組分間的一個校正系數，對氣量數據進行修正并核算差異氣量。

3.2 差異量核定思路

根據GB/T 21446—2008《用標準孔板流量計測量天然氣流量》［5］標準中天然氣在標準參比條件下的體積流量計算實用公式，參與流量計算的天然氣相對真實密度如果較真實值偏低 （測定的組分偏輕），則流量測量結果將偏大。由天然氣組成分析結果計算得到的密度ρ和壓縮因子Z會對公式中的流出系數C、相對密度系數FG、可膨脹性系數ε、超壓縮系數FZ均產生影響，不同天然氣組成下流量值的變化趨勢和變化程度是以上多項參數共同變化的綜合結果。理論上，在其他計量工藝條件都相同的情況下，不同組成的天然氣流經標準孔板前后的差壓值也會不同，但任何天然氣計量技術標準中均未給出天然氣物性與差壓值的定量關系。供需雙方協商一致，按照試驗驗證的原則處理天然氣組成與差壓值的關系，即先不考慮天然氣組成對差壓值的影響，在對供需雙方的計量系統采用正確的氣體組分數據進行比對驗證后，如流量測量結果高度一致，則證明天然氣組成對差壓值的影響甚微，可以在本次差異氣量的處理中不予考慮。

3.3 樣品檢測分析

為準確計算出天然氣輕、重組分間的差別，2012年11月19日，調查組在用戶化工裝置的工藝管線上，找到一處位于管道中部的取樣口，從該處取得具有代表性的樣品，如圖5所示。

圖5 用戶裝置區天然氣取樣點實拍圖

在用戶的見證下，調查組在現場重新取得天然氣樣品，委托具有資質的第三方檢測實驗室化驗分析，輕、重組分數據對比見表2。

表2 輕、重組分天然氣樣分析結果對照表

從表2數據可以看出，天然氣取樣位置對物性的影響很大。

3.4 校正系數的計算

調查組使用北京某公司專業生產、公開發售并經貿易計量認證的TRQ-2004-02天然氣流量測量標準孔板設計及管理軟件，采取2012年11月18日現場調研時標準孔板計量系統的工藝參數，分別計算輕、重組分的流量數據。

計量工藝參數：標準孔板的前后差壓ΔP為6.554 kPa；氣流表靜壓 P為 3 220 kPa；氣流溫度T為29.349℃；測量管內徑D20為199.116 mm；標準孔板開孔孔徑d20為78.721 mm；當地大氣壓Pa為90.3 kPa。

計算得到：在標準條件下，輕組分標準孔板計量系統瞬時流量8 299.9 m3/h；重組分標準孔板計量系統瞬時流量8 099.1 m3/h；輕、重組分計量時差異系數為（8 299.9-8 099.1）/8 299.9=0.024 19。

3.5 差異量的核定

調查組調取供氣門站生產運行記錄，結合用戶提出計量異議的時段，核算因為天然氣氣質組分變化對標準孔板計量系統造成影響最終導致多計量的氣量，對用戶予以核減，解決了計量異議。

1）只對供氣門站來氣包含伴生氣的時段內差異氣量進行核定。

2）只對冬季生產運行時段內的差異氣量進行核定。

3）所有予以核定差異氣量的時段內供氣門站的計量累積量乘以輕、重組分計量時差異系數，得到最終核定差異氣量。

4）核定方法驗證。為驗證本次計量差異發生的原因查找和技術處理的措施是否正確，2012年11月24日，調查組委托第三方計量技術機構利用便攜式超聲流量計分別對供需雙方的標準孔板計量系統進行在線實流比對 （統一使用重新取樣化驗后的天然氣組分數據），比對結果分別見表3、表4。

表3 供氣方供氣計量系統在線比對數據表

表4 用戶對接計量系統在線比對數據表

從表3、表4數據可以看出：不論便攜式超聲流量計本身計量準確度如何，供氣方供氣計量系統和用戶對接計量系統以同一便攜式超聲流量計作為比對參照，兩者計量結果非常接近。證明調查組將本次計量異議發生的原因定位在天然氣輕、重組分數據變化上是準確的，正是供氣門站取樣位置不合理，取到的樣品不具有代表性，導致計量結果偏大；而用戶裝置區取樣位置設置較合理，取到的樣品更具有代表性，計量結果與實際更相符。說明調查組處理本次計量異議的技術手段是合理的，結論正確、公平。

從表3、表4數據也可以看出，對于供氣計量系統和對接計量系統，雖然計量工藝條件并不完全相同，但統一使用重新取樣化驗后的天然氣組分數據后，計量結果非常相近（偏差＜0.05%），證明天然氣組成對標準孔板前后的差壓值影響甚微，在本次計量差異處理中不予考慮是合理的。

4 結論

1）用標準孔板計量系統測量天然氣流量，是一個多儀表組合檢測、多參數混合運算的過程，計量工藝參數、節流裝置幾何尺寸參數、天然氣物性參數都是影響系統測量結果的重要因素。

2）對標準孔板計量系統的核查，需要逐個考量多個參數對流量測量結果的影響趨勢，考量的依據是GB/T 21446—2008《用標準孔板流量計測量天然氣流量》標準中天然氣在標準參比條件下的體積流量計算基本公式和計算實用公式，在涉及到某個具體參數時還要考慮該參數計算的獨有公式。

3）可能某一個因素與流量計算公式中某兩個或多個參數相關，這些參數對流量測量結果的影響可能不同向，因此要善于運用專業的計算軟件模擬實際計量條件進行計算，才能得到正確的結果。比如本次計量異議處理過程中的天然氣氣體組分變化同時對體積流量計算實用公式中相對密度系數FG和超壓縮系數FZ產生影響，理論上也會對天然氣流經標準孔板前后的差壓值產生影響。天然氣組成對相對密度系數FG和超壓縮系數FZ的影響可以定量計算，從而對流量測量值的偏差進行定量核定。但對不存在定量關系的差壓值的影響，則需要通過試驗驗證的方法確定是否需要考慮。

4）天然氣氣質單一、潔凈是保證標準孔板計量系統準確度的要求，在不能滿足該要求時，需在計量系統前端進行處理，從計量工藝條件方面保證和提升計量系統性能。