天然氣超聲流量計量系統常見誤差因素及對策分析

黃明基，晁宏洲，程曦，馮杰，張馨夢

中國石油塔里木油田分公司油氣運銷部（新疆 庫爾勒 841000）

超聲流量計是當前廣泛應用于天然氣貿易交接的流量測量設施，其較高的精度等級、較低的故障率以及維護的便利性受到大部分用戶的青睞。超聲流量計量系統是一個由多種儀表組合而成的測量系統，包括超聲流量計、壓力變送器、溫度變送器和流量積算儀，流量超過一定限值還需配備在線色譜分析儀。流量積算儀通過獲取現場流量計實測的工況流量、溫度、壓力等參數結合天然氣組分實時計算標況下的天然氣流量，任何一個參數的準確性都將直接影響到測量結果。從事天然氣交接計量的技術人員，要了解可能引起氣體超聲流量計量系統計量偏差的因素，便于高效處理貿易交接過程出現的計量異議，避免引起計量糾紛。

1 氣體超聲流量計量系統

1.1 原理和組成

超聲流量計根據對信號檢測的原理可分為傳播速度差法（直接時差法、時差法、相位差法）、波束偏移法、多普勒法等，其中傳播時差法氣體超聲流量計較為常見，主要是通過測量高頻聲脈沖傳播時間得出氣體流量的速度式流量計[1]。傳播時間是通過在管道外或管道內成對的換能器之間傳送和接收到的聲脈沖進行測量的，聲脈沖沿斜線方向傳播，順流傳送的聲脈沖會加速，而逆流傳送的聲脈沖則會減速，其傳播時間差與氣體的流速有關，從而計算在工作條件下通過氣體超聲流量計的氣體軸向平均流速和流量[2]。工作條件下的流量經流量積算儀，結合溫度、壓力、氣體組分等參數，經過復雜計算得出標準參比條件下的流量值。

1.2 流量計算方法

GB/T 18604—2014《用氣體超聲流量計測量天然氣流量》[3]給出了標準參比條件下天然氣的體積流量計算方法，見公式（1）。

式中：qn為標準參比條件下的體積流量，m3/h；qf為工作條件下的體積流量，m3/h；pn為標準參比條件下的絕對壓力，MPa；pf為工作條件下的絕對靜壓力，MPa；Tn為標準參比條件下的熱力學溫度，K；Tf為工作條件下的熱力學溫度，K；Zn為標準參比條件下的壓縮因子，按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》[4]計算得出；Zf為工作條件下的壓縮因子，按GB/T 17747.2—2011計算得出。

從公式（1）中可以看出工作條件下的流量、壓力、溫度、壓縮因子均會影響最終的計算結果，壓縮因子又是通過復雜的計算公式獲得，日常工作需要結合專業的軟件進行精確計算。

2 影響因素分析

2.1 超聲流量計

超聲流量計用來測量工作條件下的流量，流量計的性能狀態直接影響了測量結果的準確性。天然氣計量結果出現異議時，可以從小流量測量、反向流量測量、換能器故障等方面著手分析。

2.1.1 小流量影響分析

超聲流量計在實際測量的過程中非常容易受噪聲、震動、氣流脈動的影響。GB/T 18604—2014中明確指出超聲流量計測量天然氣的典型流速范圍一般為0.3~30 m/s,流速越低其測量的準確性越差，當被測量流量小于最大測量流量的10%時，測量誤差會明顯增大，其測量結果的準確性需要結合用戶的實際情況進行差異化分析。

1）下游用戶為加氣站。加氣站用氣具有非連續性，下游壓縮機頻繁啟停容易造成管網內的氣流波動，從而引起超聲流量計重復計量。針對這種情況可以通過上下游聯動的形式進行實測，觀察壓縮機停機后一段時間內天然氣流量的變化情況，若流量不歸零，存在波動，基本可以確定為氣流波動造成重復計量。出現上述情況一方面可以考慮從工藝流程上解決，在流量計后端安裝單向閥，另一方面可以考慮調整小流量切除值，從而避免管網內流體的波動造成超聲流量計計量的不準確。塔里木油田某供氣門站為下游2 家用戶供氣，其中一家用戶為加氣站，另一家為化工廠。加氣站2019 年投運，投運后用戶反饋上下游計量數據偏差超過3%。針對用戶的訴求供氣方開展了計量核查，通過反復測試發現加氣站壓縮機停機后的一段時間內，流速正負波動，同時受到相鄰用氣量較大的化工廠用戶的影響，造成重復計量的流量相對較多，引起計量偏差。針對這種現象供方及時組織在流量計后端安裝了單向閥，經過進一步驗證雙方計量數據基本持平，上下游對比偏差在1%以內，計量差異得到有效解決。

2）下游用戶為村鎮民用燃氣。村鎮民用燃氣的特點是用氣高峰主要集中在早中晚做飯期間，其余時間用氣量非常小，若供氣門站的供氣壓力相對較高，很容易出現漏計的情況。考慮到村鎮民用氣下游管網一般不存在氣流的較大波動，可以將超聲流量計的小流量切除值適當調低或者不進行小流量切除，部分超聲流量計對流體的流動非常敏感，當流速達到0.03 m/s 時方可計量，在沒有其他信號干擾的情況下可計量小流量；在下游管網管容較大的情況下，還可以通過定期開關閥門利用管存氣為下游用戶進行間歇性供氣達到精準計量的目的。

2.1.2 換能器故障影響分析

超聲換能器是超聲流量計流量測量的核心部件，換能器出現故障將直接影響工作條件下流量測量的準確性，要判斷超聲換能器是否出現故障或者換能器表面是否積淀雜質，可以通過正常的聲速核查進行初步判別。當懷疑換能器出現故障時，需要流量計廠家人員進一步確認，同時邀請客戶共同核實，在供需雙方都同意的情況下及時更換換能器并重新檢定，避免引起計量糾紛。

2.1.3 流量計的安裝

流量計的安裝應盡可能避開振動環境，在涉及到調壓的場站，流量計應安裝在調壓系統的上游，必要時調壓設備應增加降噪裝置，避免噪聲對計量造成影響。超聲流量計一般都具備雙向計量的功能，對于流量計前后直管段及流動調整器安裝也有明確要求，一般情況為：20D 直管段+流動調整器+10D 直管段+流量計+10D 直管段；若要滿足雙向計量，前后均需滿足30D直管段要求，且流量計檢定時需考慮正向及反向的檢定。考慮到成本因素及現場安裝位置的限制，貿易交接的場合基本上都按照單向計量進行設計安裝。

2.2 工藝參數

2.2.1 壓力的影響

天然氣具有可壓縮性，壓力對體積計量具有至關重要的作用。在其他參數不變的情況下，天然氣在標準參比條件下的體積流量隨壓力增大而增大，故如果壓力值測量產生誤差，比實際值偏大的話，超聲計量系統測得的流量值也將偏大，反之亦然。在進行天然氣計量差異分析時，必須考慮壓力測量值的準確性，造成壓力測量值偏大或者偏小的因素很多，常見的有以下兩個方面：

1）引壓管堵塞造成壓力測量值失真。天然氣開發處理的過程中避免不了殘留少量的烴液、水分，冬季運行時如果天然氣中存在烴液和水分，很可能造成超聲計量系統壓力變送器引壓管凍堵。這類情況比較容易出現在長輸管線沿途的一些小用戶，此類用戶由于大部分未按照輸氣門站標準進行設計，未配備分離排污設施，管線內的烴液和水分未及時過濾，在引壓管內聚集發生凍堵，進而造成較大的計量偏差。塔里木油田一貿易交接計量站點下游只有一家用戶，由于流量計和儀表的數據沒有遠傳，每天依靠人工巡檢抄表，日常的巡檢過程中發現超聲流量計附屬的壓變壓力值近10 d 無變化，并且與就近的壓力表顯示壓力有偏差，在關閉壓力表底閥進行泄壓后壓變測量值歸零，重新打開底閥發現壓力并未回升，判斷為引壓管堵塞造成壓力測量偏小，引起計量偏差。

2）壓力表選型錯誤導致計量偏差。超聲計量系統標準參比條件下的體積流量計算中采用的壓力均為絕對壓力，計量系統中的壓力變送器要與流量計算機內的程序相匹配。如果流量計算機內置絕壓程序，一般最好選擇絕壓壓力變送器與之匹配，若選用了表壓壓力變送器就必須在流量計算機中對當地大氣壓的相關值進行設置。如果流量計算機內置表壓程序，就必須選擇表壓壓力變送器，否則測量值將偏大。結合現場經驗，絕壓程序配備絕壓壓力變送器的測量結果更為準確。

3）壓力變送器的安裝。GB/T 18604—2014 中明確要求流量計表體上應至少有一個取壓孔用以靜壓測量，也即超聲流量計量系統壓力測量應從流量計表體上進行取壓，取壓孔可以在流量計頂部或者左右側，不建議在流量計上游或者下游直管段上安裝壓力變送器取壓。

2.2.2 溫度的影響

天然氣具有熱脹冷縮性，溫度對體積計量很關鍵。在其他參數不變的情況下，天然氣在標準參比條件下的體積流量隨氣體溫度升高而降低，故如果溫度值測量產生誤差，比實際值偏大，超聲計量系統測得的流量值將偏小，反之亦然。在進行天然氣計量差異分析時，必須考慮溫度測量值的準確性。天然氣超聲計量系統中一般通過高準確度的溫度變送器測量溫度，GB/T 18604—2014 中規定流量計進行單向流量測量時，測溫點應在流量計下游距離法蘭端面2D~5D處，在安裝溫度儀表時要注意溫度計套管或插孔管應伸入管道至公稱內徑的大約1/3處，對于大于300 mm的大口徑管道溫度計的設計插入深度應不超過125 mm。

2.3 天然氣組分

天然氣的組分直接影響到天然氣的密度、相對密度、發熱量以及壓縮因子等參數。GB/T 18603—2014《天然氣計量系統技術要求》[2]中對不同等級的計量系統器具配備有明確的劃分要求，對于A 級計量系統（用氣量大于100 000 m3/h標準條件）原則上必須進行在線的發熱量和氣質測量，只有在保證氣質的變化和賦值結果的準確性符合要求的前提下，可以選擇可變單氣源賦值方法；對于B 級計量系統原則上使用可變賦值的方式對組分值進行修正；對于氣質比較穩定的小流量B級計量系統和C級計量系統可采用固定賦值的方法，在使用期間其值不進行修正。

2.3.1 組分對體積流量測量的影響

天然氣的組分對天然氣壓縮因子的影響較大，從式（1）可以看出，將在天然氣工作狀況下的流量轉換到標準狀況下的流量，壓縮因子計算值會直接影響到天然氣的流量計算結果[5-6]。GB/T 17747.2—2011 中給出了用摩爾組成計算天然氣壓縮因子的方法，計算過程相對較為復雜，需要知曉天然氣詳細的摩爾分數組成和相關的壓力、溫度。排除溫度、壓力2個影響參數，必須考慮天然氣組分是否正確的獲取。對于具備在線發熱量和氣質測量的計量系統，需要定期對在線分析設備進行標定，確保組分分析的準確性；對于組分賦值的計量系統，若氣源發生變化未及時在流量計算機內修改組分，會造成一定的計量誤差，一般情況下對于氣體超聲流量計量系統，如果切換氣源后天然氣密度值比原來增大，未及時修改組分，流量計算結果會比實際值偏大，反之則偏小。

2.3.2 組分對密度的影響

天然氣的組分決定了天然氣的密度，GB/T 11062—2020《天然氣發熱量、密度、相對密度和沃泊指數的計算方法》[7]給出了天然氣密度的計算方法。天然氣計量差異核查的過程中，有時候不僅要考慮上游的計量系統，同時還需要考慮到下游的計量設施。部分下游為加氣站的用戶，其加氣柱和加氣機使用的流量計為質量流量計，車輛加氣是按照體積結算，用戶一般以多個加氣機累加的體積流量與上游的超聲流量計計量的體積流量進行比對并提出計量異議[8-10]。由于質量流量計測得的質量轉換為體積流量時涉及到密度，加氣機內置的密度在檢定周期內一般為固定值，但是天然氣的真實密度是變化的，如果加氣機內置的密度值比天然氣的真實密度值偏大，其體積轉換量必然偏小，從而引起一定的系統誤差[11-12]。

3 超聲計量系統不確定度評定

從流量計算公式（1）可以看出，影響超聲流量計量系統不確定度的因素主要有操作條件下的流量測量、絕對靜壓測量、溫度測量和壓縮因子的測量等。以塔里木油田西氣東輸集氣站計量系統回路為例，按照GB/T 18604—2014給出了流量測量不確定估算的實例如下。

現場天然氣操作溫度為20~40 ℃，取平均值30 ℃做不確定度估算；操作壓力6.0~6.4 MPa，取平均值6.2 MPa做不確定度估算。超聲流量計量系統配置的壓力變送器測量范圍為0~10 MPa，本身準確度等級0.075%，經檢定后壓力等級符合0.25級。超聲流量計量系統配置的溫度變送器測量范圍為-40～60 ℃，本身準確度等級0.075%，經檢定后壓力等級符合0.2級。

1）校準用標準裝置的不確定度us。國家石油天然氣大流量計量站塔里木分站的渦輪工作流量標準裝置的擴展不確定度u=0.32（k=2）,即標準不確定度為0.16%，標準裝置的重復性小于0.1%。

2）操作條件下的流量測量不確定度uqf。使用DANIEL 廠家的3410 型DN300/DN400 四聲道氣體超聲流量計，在分界流量以上運行，經多點系數修正高壓實流檢定后示值誤差可以滿足優于0.15%。相當于工況流量測量的擴展不確定度最大值為0.15%（k=2），則該項標準不確定度取0.075%。

3）操作條件下絕對靜壓測量標準不確定度upf：

upf=（1/ 3）×0.25%×（10/6.2）=0.23%

4）操作條件下熱力學溫度測量標準不確定度：

5）操作條件下的壓縮因子測量不確定度。按照GB/T 18604—2014 規定，壓縮因子的計算執行GB/T 17747.2—2011，擴展不確定度取0.1%（k=2），則標準不確定度取0.05%。

6）標準參比條件下的壓縮因子測量標準不確定度uZn，按照GB/T 18604—2014 規定，氣體組分分析符合GB/T 13610—2020《天然氣的組成分析氣相色譜法》要求，并使用二級標準氣體時，uZn取0.05%。

相當于壓縮因子測量的擴展不確定度最大值為0.05%（k=2），則該項標準不確定度取0.025%。

7）安裝引起的附加流量測量不確定度uan，超聲波流量計整體成橇安裝，消除安裝應力，可不考慮安裝引起的附加流量測量不確定度。

為最大程度估算計量系統的測量不確定度，本計算實例按照GB/T 18604—2014規定，將因安裝帶來的附加流量測量不確定度按超聲流量計多點系數修正后再次檢定核驗的最大誤差的1/3 考慮，即0.15/3=0.05。

將以上諸項不確定度分量按照GB/T 18604—2014給出的公式采用方和根的公式進行合成，即：

因此，擴展不確定度Uqn=0.64%,k=2。滿足A 級貿易交接計量系統不確定小于1%的要求。

綜上可得，要控制整個計量系統的不確定，關鍵要從流量測量、壓力測量、溫度和壓縮因子測量入手，嚴格按要求安裝儀表，控制好各個分量測量的不確定度，才能使整個計量系統的不確定度有效受控。

4 結束語

1）天然氣超聲流量計量系統的誤差因素分析基于天然氣在標準參比條件下的體積流量計算實用公式。

2）超聲流量計量系統是一個由超聲流量計、壓力變送器、溫度變送器以及流量計算機等多臺設備組合而成的，計量差異分析要從工況流量測量到標況流量轉換進行全過程的分析排查，必要時可以將相關的計量器具進行復檢，有助于提升排查質量和效率。

3）引起計量差異的原因不僅僅局限于計量設備，排查的過程需要結合整個工藝系統充分考慮，部分計量差異是由于工藝設計的不合理而引起的，需要總結日常運行經驗，從設計源頭出發，不斷優化完善計量系統的設計施工，形成標準化。

4）超聲流量計量系統內流量計、壓力變送器和溫度變送器的安裝要符合標準規范要求，安裝錯誤或者位置不合適同樣會造成一定的計量偏差，在進行設計時要充分考慮此部分內容，避免給后續的施工帶來麻煩。

5）深入了解和準確把握影響天然氣超聲計量系統常見的誤差因素及解決對策，有助于準確評價和把握計量系統性能，同時要做好整個計量系統不確定度的分析評定，有助于控制計量系統的誤差，尤其是在發生計量異議時，可以快速查找問題原因，同時為解決異議提供了技術手段。