国内外天然气流量计量检测技术现状及进展.pdf

第 2 7卷第 2期 2 0 0 9年 4月 天 然 气 与 石 油 Na t u r a l Ga s And Oi l Vo l _ 27． No ． 2 Ap r ． 2 0 09 国内外天然气流量计量检测技术现状及进展 黄和 ， 徐刚， 余 汉成 ， 陈凤 中国石油工程设计有限公司西南分公 司 ， 四川 成都 6 1 0 0 1 7 摘要 为了提高和确保计量准确度 ， 国内外都建立 了天然气流量 实流检定站。论述 了国 内外天然气流量计量检测技术现状 ， 阐明了天然气流量计量检测的直排和环道方案 ， 对国内天 然 气流量 实流检 定站 能力进行 了对 比分析 。 关键词 天然气 流量 ； 检测 ； 量值溯源； 现状 ； 分析 文章编号 1 0 0 6 - 5 5 3 9 2 0 0 9 0 2 - 0 0 4 2 - 0 6 文献标识码 A 1 概述 天然气流量计量是多参数 、 多组分气体 的连续 测量 ， 其量值测量具有不可回复性 ， 其测量准确度受 众多因素影响。为了将其计量准确度控制在一个合 法的、 供需双方均能接受 的、 经济合理的范围内， 从 国内外发展情况看 ， 都必须进行量值溯源， 其溯源方 式可以是单参数量值溯源组合 ， 也可以是流量量值 溯源 ， 其 目的是使工作仪表与国家标准器建立起有 效的溯源链 ， 确保计量量值的准确 、 可靠和统一 。 从计量学的角度看， 在线实流检定或校准最符 合流量量值的溯源特征， 它充分考虑了物性参数、 操 作条件 、 安装条件 、 环境条件等诸 多影响 ， 保证检测 条件与实际使用条件尽可能一致。无论是新版的有 关用标准孔板测量天然气流量的美 国天然气协会 A G A N o 3号报告 即 A P I 2 5 3 0 ， 还是新发布 的用超 声流量计测量天然气流量 的 A G A N o 9 ⋯号报告 ， 都 提出了尽可能在接近仪表操作条件下进行校准的技 术要求 ， 国 内 G B ／ T 1 8 6 0 3 1． 2 j 及 G B ／ T 1 8 6 0 4 也提 出了相应技术要求。这是今后天然气贸易计量仪表 检定技术发展的一种趋势。因此， 采用实际介质在 接近仪表操作条件下进行校准 ， 能够修正介质物性 参数对流量计的影响 ， 能够修正运行参数对流量计 的影响， 在接近其操作条件下对天然气流量计进行 校准应是天然气贸易计量 中优先推荐的方法。 2 国外现状 随着天然气工业的飞速发展 ， 特别是输气管网 的大规模建设 ， 用于贸易计量的天然气流量仪表 日 益增多 ， 其工作压力不 断提 高 ， 流量范 围也不 断增 大。为了尽可能在接近仪表操作条件下校准或检定 流量计 ， 提高天然气流量计量的准确度 ， 世界各 主要 工业化国家都相继建成了具有较高准确度水平的天 然气流量标准装置 ， 并建立了相应 的天然气流量量 值溯源体系或传递系统 。在这些国家， 基本上实现 了常用 天然气仪表 的 天然气实 流检定 或校准 』 。 为了统一天然气流量量值 ， 还开展 了国际间天然气 流量标准装置间的循环 比对。 在不同的输气规模 、 不同的发展过程 、 不同的管 理模式 、 不同的技术要求等背景下 ， 各 国天然气流量 标准装置的规模和能力不尽相 同， 天然气流量量值 溯源体系更是各具特色 ， 表 1列出国外主要天然气 流量标准装置的详细情况 。对这些天然气流量标准 进行分析和对比， 可得出如下结论 a ． 为了在工作压力下以天然气为介质对天然气 流量计量仪表进行全量程的检定或校准 ， 许多工业 化 国家都针对其实际需求 和具体情况 ， 建立 了以天 然气为介质的气体流量标准 ， 这也是加强法制计量 管理和确保天然气贸易计量准确度的要求 。 b ． 为了逐级扩大流量 范围 ， 提高工作压 力 ， 满 收稿 日期 2 0 0 8 - 0 9 1 7 作者简介 黄和 1 9 6 3 一 ， 男， 四川资阳人， 高级工程师， 硕士， 主要从事石油天然气工艺设备及计量设计与研究工 作。电话 0 2 8 8 6 0 1 4 4 6 9 。 第2 7卷第2期 黄 和， 等 国内外天然气流量计量检测技术现状及进展 4 3 足量值溯源的需要， 多数天然气流量计量检定机构 都建有原级标准、 次级标准和工作标准。构成原级 标准的各基本量都溯源到相应的国家标准 ， 天然气 流量标准量值由原级标准传递到次级标准， 再由次 级标准 传递 到工作 标准。在美 国 C E E S I ， 加 拿大 T C C等新建的高压大流量天然气流量标准中 ， 都 增加了超声流量计作为核查标准 ， 用 以监测工作标 准的计量性能， 提高了所复现天然气流量的可靠性 ； 表 l 国外主要天然气流量标准装置 c ． 在天然气流量原级标准中， 能采用天然气作 介质且在较高压力下工作的占多数 ， 其 中 m t 法流量 标准装置居多 ， P V T t 法流量标准装置次之， 只有 R u h r g a s 采用活塞式流量标准装置 j 。这些高压天然 气流量原级标准的结构形式 、 流量 范围和工作压力 差异较大， 主要取决于实际需求 、 气源条件和操作经 验 ， 但流量测量的不确定度范围都在 0 ． 1 ％ ～ 0 ． 2 ％ 之 间 ； d ． 在天然气次级流量标准中， 选用最多的是临 界流喷嘴 ， 其次为涡轮流量计或容积式流量计 ， 但流 量测量不确定度都在 0 ． 1 5 ％ ～ 0 ． 2 5 ％之 间。在天 然气流量工作标准中， 一般都选用涡轮流量计 ， 流量 测量不确定度为 0 ． 2 5 ％ ～0 ． 4 0 ％。在天然气流量 核查标准中， 在 C E E S I ， T C C新建的天然气流量标准 中都选用超声流量计。 3 国内现状 自2 0世纪 9 0年代以来 ， 我国天然气长输管道 取得令人瞩 目的发展， 特别是在 “ 十一五” 期间天然 气工业将成为我国国民经济新的增长点。因此 ， 利 用现代科学技术， 通过更新观念 ， 加强管理， 提高天 然气现场计量准确度 ， 维护企业 的合法经济效益 ， 才 能从根本上消除商品天然气销售中的争议 ， 从而达 到与国际接轨水平。 “ 八五” 以来 ， 随着新技术的引进 ， 为提高天然 气计量准确度， 国内在大庆和成都 已建立 了天然气 流量计量的原级标准器具 ， 相应地也建立 了用 于量 传 或溯源 的次级标准计量器具。国家石油天然 气大流量计量站的 1 0 n l 钟罩， 以空气为介质， 流量 范围为 5～1 5 0 0 m ／ h ， 测量不确定度为 0 ． 1 ％。 目 前国内以天然气为介质的流量计量检测除国家站成 都天然气分站 mt 系统外 ， 还建成了国家原油大流量 计量站重庆天然气分站一套 P V T t 系统 ， 其检测压力 为 0 ． 8 M P a ， 压缩机排量 6 I l l ／ m i n 。另外刚建成国 家站南京天然气分站以天然气实流检测用于天然气 贸易计量的流量仪表 ， 并进行压力、 温度 、 组分等量 的测试 ， 其系统检测压力依赖于西气东输管线操作 压力 ， 定为 4 ． 7～9 ． 6 M P a ， 检测流量计 的 口径定为 D N 5 0一D N 4 0 0 ， 检测流量保证 D N 4 0 0气体超声流量 计最大流量点的需要 时间不少于 3 0 m i n ， 其装置 的不 确 定度 为 原 级 标 准 为 0 ． 1 ％ ， 次级 标 准 为 0 ． 2 0 ％ ， 工 作 级 标 准 为 0 ． 3 2 ％ ， 核 查 级 标 准 为 0 ． 3 5 ％ ， 移动式标准为 0 ． 3 5 ％。 天 然 气 与 石 油 2 0 0 9 丘 天然气流量量值可通过传递标准如音速喷嘴、 气体超声流量计或涡轮流量计等将原级标准的量值 传递到现场工作仪表 ， 控制和改善现场计量仪表的 准确度。 目前 国 内主要 天 然气 流 量标 准 检测 能 力见 表 2 。 表 2 目前 国内主要天然气流量标准检测能力 国家石油天然气 项目 煎量 量塑 原级标准 次级标 准 国家站成都天然气分站 国家站重庆天然气分站 原级标 准次级标准 原级标准次级标准 窒 壹室 签 坌塑 原级标准 次级标准 4 国内外流量检测方案 4 ． 1 简述 国外对用于商品天然气贸易计量的流量仪表规 定了严格的周期检测和校准制度 ， 许多先进 国家建 立了较高水平的气体流量标准装置 ， 并建立 了相应 的气体流量量值 的传递系统。随着技术 的发展， 我 国为了天然气计量与国际接轨， 也逐渐建立完善和 发展天然气流量计量的气体标准装置及其相应的气 体流量量值传递 系统。据有关资料介绍， 气体流量 检测方案有直排和环道两种方式 ，直排方案 占据主 要 份额 。 4 ． 2 直排方案 所谓直排方案就是利用输气管线上游 的自身压 力和气量， 经检测后 ， 其气体进入低压管线或下游低 压区 管线中间设调节阀 ， 或建立高低压储气库实 现。国外美国 C h e v r o n公司 V e n i c e计量站和加拿大 T C C等 ， 国内国家站成都天然气分站 、 刚建成的国家 站南京天然气分站所建的检测系统均为直排式 ， 直 排式为天然气计量站优先采用的方案。 4 ． 3 环 道方 案 环道方案的基本流程是利用增压机将检测区排 出的低压气增压 、 冷却后重新返 回检测区的入 口， 因 而整个检测回路形成一个增压环形通道。该方案较 早在国外一些大学的流体实验室使用， 其后美 国洛 克威尔公司杜波伊斯实验室建了一套比较正式的气 体流量检测环道装置。 S w R I G R I 是世界有名 的流量检i 贝 0 和研究技术 机构 ， 其计量研究装置于 2 0世纪 9 O年代初建成 并投运， 由高 、 低压两套环路 和民用气测试系统组 成 ， 每套系统均有原级标准 质量 一时 间法标准装 置 、 次级标准 组 合喷嘴 和工作标准 涡轮流量 计 ， 主要用于气体流量计量研究和流量计 的校准， 高压环路工作压力范围为 1 ． 0 3 5～8 ． 2 7 5 M P a ， 最大 校准流量为2 3 8 0 r n ／ h ， 被校流量计 口径为 D N 5 0～ D N 5 0 0 ； 低压环路工作压力范围为 0 ． 1 4～1 ． 4 5 MP a ， 最大校 准 流 量 为 9 0 0 m ／ h ， 被 校 流量 计 口径 为 DN2 5 ～DN20 0。 该环道装置采用燃 气轮机驱动的离心式压缩 机 ， 基本动力不依靠外部电源， 因而运行上具有一定 的独立性 。根据当时天然气流量仪表 的准确 度水 平 ， 在方案上 ， 环道采用临界流文丘里 喷嘴作 为标 准 ， 对不同的被检测仪表进行检测。根据燃气轮机 驱动离心式压缩机 的一些特点 ， 可得知该装置运行 方 面存 在 的一些 问题 a ． 燃气轮机转速调整准确度较差 ， 在低负荷下 ， 效率极低 ， 同时也受环境温度影响； b ． 燃气轮 机的运行还会 产生一系列的环保 问 题 ； c ． 由于采用临界流文丘里喷嘴作为标准， 故压 损大 ， 能耗高， 温控要求难度大 ； d ． 电动机 驱动和燃气 轮机驱动都可 以实 现 自 动控制功能。电动机驱动的启动和停机再启动快速 且容易 ； 燃气轮机则相对较慢 ， 并且不能实现 自动再 启动 ； e ． 燃气轮机驱动方式的设备转动和活动部件较 第2 7卷第2期 黄 和， 等 国内外天然气流量计量检测技术现状及进展 4 5 多， 主要部件受高温及气质腐蚀的影响， 日常维护的 工作量较大； f ． 燃气轮机驱动方式其 动力不依靠外部电源 ， 但设 备需 进 行定 期 检 查和 大修 ， 大修 周 期 约 为 3 0 0 0 0 ～ 4 0 0 0 0 h ， 若频繁起停则寿命可能减半 。 中国台湾在 2 0世纪 9 0年代中期建成一套环道 装置 7 3 见 图 1环道装置流程 图 ， 该装置和 S w R I 的不同在于采用多台高压离心机覆盖流量检测范 围， 并采用涡轮流量计作为标准， 因而压损小 ， 故运 行方式较简单一些， 同时也具有较大的流量覆盖范 围。同时环道方案可降低检测标定站对外部气源的 依赖性 ， 建设环道在利用外部气源进行直排方案检 测的前提下 ， 还可使检测标定站具有一定的独立性 。 设中。该环道设计了 8条检测管路 D N 5 0一D N 4 0 0 ， 其中 5条检测管路为 D N 4 0 0， 可检测工况小流量为 3 0 0 0 m ／ h ， 大流量可达3 2 5 0 0 m ／ h 。 5 国内检测 中心实流检测能力对 比 根据国内外天然气流量计量检测技术现状及发 展， 天然气流量计量检测必须覆盖天然气行业的大 部分商品贸易交接流量计， 将天然气流量标准装置 的标准量值传递至流量计 ， 确保流量测量的准确度 ， 保证计量的公正与准确 ， 减少供需双方的计量纠纷。 目前国内可进行天然气流量实流检定的计量检定站 有国家站南京天然气分站 和国家站成都天然气 欧洲环道 E u r o l o o p 已完成设计 ，目前正在建 分站 ， 其能力见表 3 。 表 3 国 内已建和拟建计量测试 中心能力对比表 天然 气 与 石 油 2 0 0 9生 e d W ’ 9 ～I ‘0 t l ／ e m 0O 9 e B d O’ 9～1 0 u ,／ e m O O 9 9 罨 镀 圃王 圭 烬州 晏 f 旨_【 囤 第2 7卷第2 期 黄 和， 等 国内外天然气流量计量检测技术现状及进展 4 7 从表 3及前述可看出， 国内在天然气流量计量 检测技术方面近十年来取得 了较大发展 ， 1 9 9 6年建 成的国家石油天然气大流量计量站成都天然气流量 分站 即华阳天然气计量检测中心 是国内近十几 年来唯一以天然气实际流体 为介质的、 具有当时世 界水平的 mt 法原级标准和临界流文丘里喷嘴次级 标准 ， 满足了近十年来要求天然气流量计检测 的需 要 ； 国家石油天然气大流量计量站南京天然气流量 分站 即西气东输南京计量测试 中心 ， 进一步提高 了国内天然气流量计量检测技术水平和能力 ； 由于 华阳天然气计量检测中心的检测气源的变化 ， 使其 检测压力较低 ， 不能达到国家授权要求 4 ． 0 MP a ， 今 年即将对其进行扩容改造， 建成后将与南京中心一 起构成国内完善的天然气流量量值溯源体系， 使国 内天然气流量实流检定技术能力覆盖天然气行业的 大部 分商 品贸 易交 接 流 量计 0 ． 3～1 0 ． 0 MP a ， 技 术 上达到国际先进水平， 提高国内天然气 贸易计量的 准确度 一 ， ． 、 1 1／ ／l - 、 _ - 、 ； 参 考文献 [ 1 ] A G A N o ． 9 2 0 0 7 ， Me a s u r e m e n t o f G a s b y Mu l t i p a t h U 1 一 l r a s o n i c M e t e r s [ S ] ． [ 2 ] G B ／ T 1 8 6 0 32 0 0 1 ， 天然气计量系统技术要求[ S ] ． [ 3 ] G B ／ T 1 8 6 0 42 0 0 1 ， 用气体超声流量计测量天然气流 量 [ S ] ． [ 4 ] 郑琦． 有关油气计量的几项专题研究[ R] ． 大庆 国 家石油天然气 大流量计量站 ， 2 0 0 3 ． [ 5 ] 段继芹． 2 0 0 5年赴美天然气流量计量检测技术培训报 告 [ R] ． 成都 国家石油 天然气大流量计量站成都天然 气流量分站 ， 2 0 0 5 ． [ 6 ] 李万俊． 2 0 0 6年赴德天然气流量计量技术与管理培训 报告[ R ]． 成都 国家石油天然气大流量计量站成都 天然气流量分站， 2 0 0 6 ． [ 7 ] 杨正财， 苏峻民， 陈逸正． 台湾能源流体计量标准追溯 与未来发展[ A ] ． 中国计量测试学会． 第七海峡两岸计 量与质量研讨会 论文 集 [ C] ． 杭 州 中 国计 量测 试学 会 ， 2 0 0 8 ． [ 8 ] 国明昌． 高压天 然气流量标准装 置[ R] ． 南京． 国家石 油天然气大流量计量站南京分站 ， 2 0 0 8 ． 、 、／ ／ ／ ， ， i 上接 第 2 5页 f ． 需进一步完善缓蚀剂加注工艺。目前含硫气 井生产现场使用加注泵设备选型偏大 ， 不符合 “ 少 量多次” 加注的原则 ， 同时缓蚀剂储罐设计偏大， 大 量的缓蚀剂稀释剂长期存储在储罐中， 与大气相通 ， 易造成缓蚀剂分层沉淀 、 氧化变质， 影响品质和使用 效果。高含硫气井特别是下入了永久性封隔器的气 井 ， 井下缓蚀剂加注工艺还存在一定的不适应性 ， 需 进一步的研究。 g ． 由于缓蚀剂产品本身的局限性 ， 在井下高温、 高压下， 易导致缓蚀剂高分子组分性能改变， 形成沥 青状胶质物质 ， 堵塞井下生产通道。需要定期进行 、 - ／ 、 ， ／i ， ／； 井下 日常清洗作业 ， 在不影响气井生产的前提下 ， 利 用现有的缓蚀剂罐注或泵注设备进行洗井 ， 达到预 防和解除轻微堵塞 目的， 形成一配套工艺技术措施。 参考文献 [ 1 ] 宋伟， 罗立然， 余刚， 等． 川东气田气井缓蚀剂保 护技术应用研究及效果评价[ Z ] ． 重庆 西南油气 田公 司科研项 目组 ， 2 0 0 2 ． 1 2 ． [ 2 ] 宋伟 ， 罗立 然 ， 李娅 ， 等． 川 I 东气 田含硫 气井 防腐 制应用效果评价及配套技术研究 [ Z ] ． 重庆 西南油气 田公司科研项 目组 ， 2 0 0 4 ． 1 2 ． [ 3 ] 李娅 ， 宋 伟 ， 罗立然 ， 等． 重庆气 矿气井 缓蚀剂保 护技术方案[ Z ] ． 重庆 重庆气矿 ， 2 0 0 2 2 0 0 7 ．