天然氣輸氣末站計量系統誤差分析及措施

呂澤鋒 庹浩 解魯平 莫小偉 曲良勇

1中油遼河工程有限公司

2塔里木油田分公司

隨著管輸天然氣在南疆各縣市的逐漸普及，各地區城鎮燃氣實際使用量與工程建設設計存在一定差異，導致部分輸氣末站貿易交接計量設施與實際使用氣量不匹配，給天然氣貿易結算帶來一定程度的困難，天然氣貿易交接計量爭議時常發生[1-2]。

南疆天然氣管網輸氣末站站內設施包括進站分離器、調壓橇、計量橇、進出站緊急切斷、放空及輔助設施等。調壓和計量都采用一用一備運行方式。計量橇流量計根據輸量不同選用超聲波流量計或旋進旋渦流量計。超聲波流量計配套盤裝式流量計算機，旋進旋渦流量計自帶流量計算表頭并自帶溫壓補償。調壓橇采用安全切斷閥+監控調節閥+工作調節閥模式[3-4]。

1 計量系統存在問題

1.1 先調壓后計量導致壓力波動

由于部分場站計量工藝是先調壓后計量，調壓閥引起的氣流壓力波動造成流量計準確度降低、測量范圍窄、易超量程運行等問題，其計量工藝流程如圖1 所示。GB/T 18603—2014《天然氣計量系統技術要求》第5.1.2.3 節規定：應該注意避免脈動流和振動，同時第7.2.2.5 節也提出壓力脈動、流速脈動及振動現象可能導致流量測量的較大誤差[5]。該標準兩次強調脈動和振動對流量計造成的影響，可見計量系統不平穩運行對流量計準確度影響很大。

1.2 設計輸氣量與實際用氣量嚴重偏離

部分輸氣末站實際用氣量遠低于設計輸氣量，導致計量系統不能連續運行。當調壓回路工作時，由于下游用戶用氣量小于調壓橇的最小工作流量，導致調壓橇工作時天然氣充入下游管線。此時下游管線天然氣無法及時消耗導致管線壓力增加，當壓力增加到調壓橇出口允許最大壓力時調壓橇自動關閉。此時下游用戶繼續用氣使管線壓力下降，當調壓橇出口壓力降到設定值時調壓橇啟動，向下游管線充氣。由于調壓橇不斷開啟、關閉，引起的氣流波動造成流量計經常超量程運行或低于下限運行。這兩種運行方式都會嚴重影響流量計的準確度，導致輸差增大，供氣方經濟效益下降。

圖1 典型的計量系統流程示意圖Fig.1 Flow diagram of typical metering system

1.3 下游用戶復雜導致用氣量波動大

部分站場除給城鎮居民供氣外，還給CNG 加氣站供氣。由于城鎮燃氣用氣量隨季節、早中晚用氣時段變化很大，CNG 加氣站壓縮機啟停又有很大的不確定性，這就導致管網用量高峰低谷流量比增大，最大可達50∶1。該比值已經遠遠超過量程比最大的流量計所能計量到的量程范圍。

2 誤差分析及對策

2.1 工況波動對流量計準確度影響分析

南疆天然氣管網交接計量流量計有氣體超聲波流量計和智能旋進流量計。氣體超聲波流量計用于DN100 mm 及以上管線天然氣計量，智能旋進流量計用于DN100 mm 以下管線天然氣計量。這兩種流量計均為速度式儀表，通過誤差分析研究工況變化對流量計準確度的影響。

2.1.1 流體狀態對氣體超聲波流量計的影響

管道內氣體流動的穩態一般可分為層流、湍流和層流湍流過渡狀態三種狀態。層流是指流體有序的直線運動，它們之間不相互混合，如果混合就是湍流(紊流)。雷諾數大小是判斷流體狀態的關鍵參數，雷諾數小表明黏性力大，在一定程度上流體顆粒表現為層流，反之則表現為湍流。當雷諾數Re≤2 320 時，管內流體流動為層流；Re＞13 800時，流體流動為湍流；當2 320＜Re≤13 800 時，流動處于不穩定過渡狀態。

流量測量值在不同的流體狀態下修正過程中存在差異，因為流速的分布在不同的流動狀態下是不同的[6]。由圖2 可以看出，在黏性作用下，流體在管道截面方向的速度是不均勻的，通常呈梯度分布狀態。管道壁面附近的速度最小，趨于0；管道中軸線處的速度最高。當氣體在管道中軸線方向的任意位置的速度分布近似相同時，則認為氣體流動為穩定狀態，即湍流狀態。此時由于速度分布相對均勻，測量系統誤差也會減小。當流體為層流時，管道內流體的速度分布變化較大，計算平均流速困難，產生的誤差也會增大。

計量系統誤差公式為

式中：E為相對誤差；QL為流量計測量流量；Qm為管道內實際流量。

圖2 管道中流體狀態Fig.2 Fluid state in pipeline

對于速度式流量計而言，計量系統相對誤差表示為

式中：vm為介質實際平均流速；vL為儀表測得的介質平均流速。

圖3 為不同雷諾數下的計量系統相對誤差[6]，從圖3 可以得到同一種介質不同流速（雷諾數）下相對誤差變化趨勢。一般情況下，雷諾數越大，介質流態趨于湍流，流量計測量值越接近實際值，即相對誤差趨于零。

圖3 不同雷諾數下系統誤差隨直管段變化的趨勢Fig.3 Variation trends of system errors under different Reynolds numbers

2.1.2 調壓后計量對氣體超聲波流量計的影響

超聲波流量計的工作原理是使用一對超聲波換能器交替（或同時）發送和接收超聲波，利用流體帶動聲波的偏移時間來測量介質流速。流速計算公式為

式中：D為流量計的內徑；θ為換能器與流量計軸線的夾角；c為聲速；Δt為傳播時間。

超聲波換能器傳播的聲音頻率一般在130 kHz（不同廠家有所不同）。根據流速等工況變化，調壓橇中調節閥調壓產生的噪聲在16～130 kHz 左右。當達到一定工況時，超聲波換能器的工作頻率會與介質的波動頻率重合，超聲波流量計換能器難以區別甚至無法區分這兩種信號，嚴重影響超聲波流量計的性能、準確度和穩定性，甚至使流量計無法工作[7]。試驗研究表明，高頻噪聲可使超聲波計量的誤差高達2%[8]。對于天然氣貿易交接計量，計量系統根據輸量不同，最大不能超過3%。這樣計量系統本身誤差再加上高頻噪聲產生的誤差會使計量系統實際誤差超過規范要求，因此要提高計量系統準確度，必須盡量避免調節閥高頻噪聲影響。

2.1.3 壓力波動對智能旋進流量計的影響

圖4 為旋進旋渦流量計的結構圖。當流體通過旋渦發生器后，流體被迫繞著發生器劇烈旋轉，形成旋渦。旋渦的頻率與體積流量成正比。檢測元件測得旋渦進動頻率，通過公式（4）計算就可得到流量值，而且所測流量值能在較寬的范圍內獲得良好的線性度[9]。

圖4 智能旋進流量計結構示意圖Fig.4 Structure diagram of intelligent rotary flowmeter

流量計算公式為

式中：qv為體積流量；f為旋渦頻率；K為流量儀表系數[10]。

通過圖4 和公式（4）可以看出，智能旋進流量計是通過檢測旋渦發生體產生旋渦頻率計算氣體流量的，因此要保證計量準確度，首先要保證流量波動緩慢，且通過流量計流體形成紊流。因為當流量變化時，渦流發生體產生的旋渦頻率會動態變化，只有在新流體狀態相對平衡時，流量計量才能準確。即保證直管段，先計量后調壓或增加調節閥與流量計之間的直管段長度；其次要降低干擾，包括管線外部振動或閥門頻繁操作等設備的噪聲影響和電磁干擾。

圖5 改造后先計量后調壓流程示意圖Fig.5 Flow diagram of metering first and then pressure regulation after transformation

表1 為某輸氣末站調壓后計量8 日內的流量統計。表2 為該輸氣末站改造為調壓前計量8 日內的流量統計（在0 ℃、1 個標準大氣壓下的氣體體積，下同），圖5 為改造后的計量工藝流程圖。

表1 調壓后計量日累積流量Tab.1 Daily cumulative metering flow after pressure regulation m3/d

表中比對值為下游用戶實際收費平均用氣量，輸差計算方法為日平均氣量減比對值再除以比對值。通過對比表1 和表2 的數據計算可得，改造前輸差為10.7%，改造后輸差為2.17%，均為負輸差。與改造前相比，改造后計量流量有大幅度提高，該用氣量也與下游用戶實際收費用氣量（比對值）相吻合。較改造前的工藝流程，輸差已由10.7%降到2.17%（流量計準確度1.5%），天然氣輸差降低50%以上，該站輸氣效率和效益大大提高，商品率也有很大提高。

表2 調壓前計量日累積流量表Tab.2 Daily cumulative metering flow before pressure regulation m3/d

因此，對于速度式流量計，在進行計量系統設計時，要保證管道中流體趨于紊流狀態且要盡量保持平穩運行，減小波動。較為有效的方法是先計量后調壓或者增大流量計（計量橇）與調節閥（調壓橇）之間的距離，最大限度降低壓力波動對計量系統準確度造成的影響。該方法適應于所有速度式流量儀表。

2.2 調壓橇額定流量大于實際用氣量的改造措施

圖6 小流量計量工藝流程示意圖Fig.6 Flow diagram of small flow metering process

圖7 大小流量計自適應開啟關閉流程示意圖Fig.7 Flow diagram of self-adaptive opening and closing for large and small flow meters

針對調壓橇能力偏大，導致計量系統不能連續運行的問題對計量系統流程進行了優化。由于調壓橇建設投資較高，更換為小口徑調壓橇勢必會造成投資的浪費而不經濟，而且隨著當地經濟發展，南疆地區整體用氣量為上升趨勢，將來調壓橇口徑還需要增大。出于這些考慮，在原有計量流程基礎上增加1 路小口徑計量管路，對計量流程的優化如圖6 所示。

為了解決原調壓橇額定流量過大問題，在新增計量管路上增加1 路小口徑調節閥，該調節閥的作用是限制通過該管路的流量。當下游用氣量處于低谷階段，通過流程切換，利用新增小管徑管路計量小流量，并利用該管路調節閥限制流量，防止計量流程頻繁充氣及開關情況的發生。改造后可以保證最小工況1.2 m3/h 的天然氣流量連續計量。

2.3 供氣管線下游有CNG 站的改造措施

設置大小流量計自適應開啟關閉流程解決輸氣站下游CNG 壓縮機不定期啟動造成流量計超量程運行問題，即在調壓橇出口匯管上安裝壓力變送器，實時監控管線壓力。工藝流程如圖7 所示。

當CNG 壓縮機啟動時，由于管線存氣量有所緩沖，管線壓力緩慢降低。當壓力降至低限時，自動聯鎖大口徑管線切斷閥開啟，此時大小口徑管路同時給下游供氣，避免CNG 壓縮機啟動造成流量計超量程情況發生。當CNG 壓縮機關停時，此時大、小口徑管線同時給下游供氣，供氣量大于用氣量，管線壓力上升。當壓力上升到設定值時，聯鎖關閉大口徑管線切斷閥，此時只有小口徑流量計工作，可保證小氣量時準確計量。

3 結束語

針對南疆天然氣管網輸氣末站貿易交接計量系統存在的問題，分析了3 種常見問題產生原因及超聲波流量計、智能旋進流量計的計量特性和準確度影響因素，最后對影響計量系統準確度的3 種常見問題采取了針對性的整改方案。整改后的實際運行效果表明，天然氣輸差降低50%以上，銷售商品率顯著提高。改造經驗對其他調壓計量站減小輸差、提高輸氣效率有很大借鑒意義，對城鎮燃氣管網計量系統設計也有一定的指導作用。