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8 石油管材与仪器 P E T RO L E U M T U B U L A R G OOD S& I NS T R U ME NT S 2 0 1 5年 1 0月 综 述 - 我国天然气流量计量技术现状及 发展趋势分析 苏毅骆科东 中国石油规划总 院北京1 0 0 0 8 3 摘 要 天然气流量计量是天然气生产、 运输和销售的关键环节, 是企业进行贸易交接、 经济分析和降低成本的主要依据。文章 首先分析了发展天然气计量技术的重要意义, 介绍了国内外天然气计量技术的发展现状, 包括 国外天然气计量技术的现状、 国内天 然气计量标准体系、 测试技术与方法、 量传溯源体系、 能量计量系统等。其次, 指出了新形势下我国发展天然气计量技术所面临的 挑战。最后 , 结合我国天然气工业发展战略要求, 对未来天然气计量技术的发展趋势进行 了预测分析。 关 键 词 天然气; 计量技术; 计量标准; 量传溯源体系; 能量计量; 发展趋势 中图法分类号 T E 9 7 3 , T B 9 文献标识码 A 文章编号 2 0 9 6 0 0 7 7 2 0 1 5 0 5 0 0 0 8 0 5 S t a t u s a nd De v e l o p m e n t Tr e nd An a l y s i s o n Na t u r a l Ga s Fl o w M e t e r i ng Te c h n o l o g y i n Ch i na S U Yi .LU0 Ke d o n g P e t r o c h i n a P l a n n i n g a n d E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e , B e n g 1 0 0 0 8 3 Ab s t r a c t Na t u r a l g a s fl o w me t e rin g i s a k e y f a c t o r i n t h e p r o c e s s o f n a t u r a l g a s p r o d u c t i o n,t r a n s p o r t a t i o n a n d s a l e s ,a n d t h e ma i n b a s i s o f t h e e n t e r p ri s e t r a d e t r a n s a c t i o n,e c o n o mi c an a l y s i s a n d c o s t r e d u c t i o n .I n t h e fi r s t ,t h i s p a p e r a n a l y z e s t h e s i g n i fi c a n c e o f d e v e l o p i n g t h e n a t u r al g a s me t e rin g t e c h n o l o g y ,a n d i n t r o d u c e s t h e p r e s e n t d e v e l o p me n t s i t u a t i o n o f n a t u r a l g a s me t e ri n g t e c h n o l o gy a t h o me a n d a b r o a d, i n c l u d i n g t h e c u r r e n t s i t u a t i o n o f f o r e i g n n a t u r a l g a s me t e ri n g t e c h n o l o gy ,d o me s t i c n a t u r a l g a s me a s u r e me n t s t an d a r d s y s t e m,t e s t i n g t e c h n o l o gy a n d me t h o d s , q u a n t i t y t r a c e abi l i t y s y s t e m,e n e r gy me t e rin g s y s t e m, e t c .S e c o n d l y, i t p o i n t s o u t t h e c h all e n g e s w e w i l l me e t i n d e v e l o p i n g t h e n a t u r a l g a s me t e rin g t e c h n o l o gy i n C h i n a .F i n all y, c o mb i n i n g wi t h t h e d e v e l o p me n t s t r a t e g y f o r n a t u r al g a s i n d u s t r y i n C h i n a , th e d e v e l o p me n t t r e n d s o f n a t u r al g a s me t e ri n g t e c h n o l o gy f o r t h e f u t u r e i s a n aly z e d . Ke y wo r dn a t u r a l g a s ,me t e ri n g t e c h n o l o gy ,me a s u r e me n t s t a n d a r d,q u a n t i t y t r a c e a b i l i t y s y s t e m,e n e r g y me t e rin g;d e v e l o p me n t tre n d 0 引 言 近年来 , 随着我 国经济的快速发展、 能源结构的优 化调整、 环境保护的大力推进, 天然气在一次能源结构 中的比例不断上升, 其需求量逐年攀升, 从而使得我 国 天然气工业进入 了一个蓬勃发展的时期。传统的天然 气管理调度模式已经不能适应新时期发展 的要求 , 为了 促进天然气贸易的发展, 天然气流量计量越来越受到人 们的重视。天然气流量的准确计量是天然气贸易交接 公平进行的基础, 同时也是进行经济效益计算、 成本分 析的依据, 可以说流量计量的准确性直接关系到企业的 经济效益和用户利益。因此, 新时期天然气工业对天然 气流量计量技术提出了更高的要求, 具体体现在以下 3 个方面 计量的实时性。流量计量的实时性是指能够快速 准确地反应市场对天然气需求的变化, 从而帮助企业合 理安排生产, 优化管输运行 , 最 大化地提高企业经济 效益 。 计量的精确性。流量计量的精确性是天然气贸易 公正公平进行的前提, 同时也是优化天然气的库存量 , 减小天然气输差, 避免输气监测争端, 合理配置天然气 供销的基础依据。 第一作者简介 苏毅, 男 , 1 9 8 3年生 , 博士 , 工程师, 2 0 1 3 年毕业于北京科技大学机械电子工程专业 , 现从事天然气与管道 E R P应用系统集 成等研究工作。E M a i l s u y i 9 1 6 p e t r o c h i n a . c o i n . e n 2 0 1 5年第 1卷 第 5期 苏毅等 我国天然气流量计量技术现状及发展趋势分析 9 计量的经济性。流量计量的经济性是衡量天然气 计量成本的经济指标 , 为 了提高企业的经济效益 , 应采 用先进的计量技术来降低流量计量成本。 1 国内外流量计量技术现状 天然气计量技术是对天然气流动过程 中的流量进 行测定的技术, 一般通过间接测量法获得, 测量 的精度 取决于整套计量系统的综合性能⋯。为 了提高天然气 流量计量的精确度, 需要采用统一的技术标准对天然气 流量计量系统进行综合管理 , 因此建立一套完善的计量 标准体系是非常必要的。 天然气计量受多个因素的影响, 因此与其相关的计 量标准体系有很多 , 在诸多计量标准体系中, 最重要 的 质 量 指 标 是天然气流量计量标准, 其次还有一些特性参数计算和 测量标准, 如发热量、 密度、 组分、 压缩因子等, 同时还包 括设计及安全、 仪器仪表等相关标准。 1 . 1 国外流量计量主体技术 国外对天然气计量的相关技术研究较早 , 目前 已经 有一系列完整的计量标准体系和法规政策, 同时也有很 多先进的计量仪器。1 9 9 8年, I S O I n t e r n a t i o n a l O r g a n i z a - t i o n f o r S t a n d a r d i z a t i o n 发布了I S O 1 3 6 8 6 天然气质量指 标 J 。这个标准对天然气质量必须要符合的3个要求 进行了明确的规定, 包括安全卫生标准、 经济利益标准 和环境保护标准, 同时还规定 了天然气质量的测量方 法、 控制参数和测量单位等, 如图 1 所示。 大量组分 8个 甲烷 、 乙烷、 丙烷、 总丁烷、 总戊烷、 C 、 氮、 二氧化碳 气体组成{ 少量组分 5 个 氢、 总不饱和烃、 氧、 一氧化碳、 氦 【 微量组分 5个 硫化氢、 硫醇、 羟基硫、 总硫、 水分 r发热量和沃泊指数 物理性质2 相对密度 【 压缩因子 r在交接温度、 压力下不存在液相的水和烃类 其它性质{ 固体颗粒含量不影响输送和利用 【 存在的其它气体不影响输送和利用 图1 I S O 1 3 6 8 6 天然气质量指标 图 按照 I S O 1 3 6 8 6标准的要求, 需要形成一套完整的 天然气计量技术标准体系, 其次还需要建立天然气取样 分析标准, 天然气组分在线 、 离线分析标准, 硫化物、 颗 粒物、 汞等微量组分分析标准, 以及天然气的物性参数 如发热点、 密度 、 水露点、 烃露点等的测量与计算方法标 准, 同时还需要建立非烃类、 多组分烃、 硫化物等天然气 分析用气体标准物质体系, 以及天然气组成分析系统性 流量计量标准方面, 研究者们在进行了大量 的实验 和相关应用数据分析的基础上, 先后建立了一系列流量 计量标准 , 比较具有代表性的如天然气孔板流量计标准 A G A N o . 3 、 气体涡轮流量计标准 A G A N o . 7 、 气体超 声波流量计测量天然气流量标准 A G A N o . 9 以及天然 气压缩因子计算标准 I S 0 / D I S 1 2 2 1 3 等 j , 这些标准的 建立对天然气计量技术的发展具有很重要的意义。表 1 能评价体系, 从而形成一条完整的量传溯源链。 列出了国外主要天然气流量检定装置的技术参数⋯。 表 1 国外主要天然气流量检定装置技术参数 石油管材 与仪器 P E T R OL E UM T U B U L AR GOO DS I N S T RU ME N T S 2 0 1 5年 1 0月 此外, 0 I ML I n t e rna t i o n a l O r g a n i z a t i o n o f L e g a l M e t r o 1 . o g y 还发布了R 1 4 0 气体燃料计量系统 标准体系 ] , 该标准体系明确规定 了天然气流量计量系统的准确度 等级, 及其相应等级下天然气的物性参数如质量、 能量、 体积、 压力、 温度、 密度、 压缩 因子等的测量最大允许误 差 , 见表 2 。 表2 O I M L R 1 4 0 t31 . 4 ≤3 5 0 ≤3 5 0 在交接压力 下 , 水 露点 应 比输送 条件 下低 5 ℃ 表4 G B / T 1 8 6 0 3不同等级的计量系统技术要求 Q n v 5 o o 5 Qn v 5 o o o o Q n v 0 0 0 注 1 规模较小的计量系统使用上述功能不受限制 ; 2 “ 、 / ” 建议配套 内容 表 5 G B / T 1 8 6 0 3计量系统 配置仪表 准确度要 求 参数测量 计量系统配套仪表准确度等级 A级 1 . 0 B级 2 . 0 C级 3 . 0 此外, 为了促进 G B 1 7 8 2 0和G B / T 1 8 6 0 3的应用, 我 国又先后制定了 5 0多个国家和行业技术标准体 系 见 表 6 , 涵盖了天然气取样、 能量测定、 组分分析、 流量检 测、 物性计算等各个方面, 初步形成了以这两个标准为 主导的质量和计量技术标准体系, 从而实现 了我国的天 然气计量标准体系与国际接轨。 1 . 2 . 2流量计 量量传 溯 源体 系 近年来, 我国天然气流量量值溯源逐渐 向实流检定 2 0 1 5年第 1卷 第 5期 苏毅等 我国天然 气流量计量技术现状及发展趋势分析 靠拢 , 从而使得天然气实流检定技术发展迅速, 目前国 内主要的天然气流量量值溯源体系指标见表 7 。其中成 都分站和南京分站的天然气流量原级 m t 法 标准 , 总体 达到世界水平。 表 6 天然气质量和计量标 准一览表 表 7国内天然气流 量量值溯源体 系 与此同时, 成都分站在原有基础上进行 了扩容改 造 , 改造后的成都分站流量量值溯源体系见表 8 。可见 , 扩容后成都分站增加了不确定度为 0 . 0 5 % ~ 0 . 0 7 6 %的 中低压原级标准装置 , 同时把音速喷嘴次级标准装置的 不确定度由0 . 2 5 %提高到 0 . 2 0 % , 从而使成都分站的技 术水平和能力达到了国际先进水平。 表 8 改造后的成都分 站流量量值溯源体 系 此外, 我国还研制 了用于天然气分析的国家一级标 准物质 9种、 二级标准物质 1 0余种, 初步形成了天然气 分析量传溯源链 , 以此来确保天然气分析的准确性和溯 源性。同时, 为了满足多品种、 多气源天然气发展 的要 求, 中石油西南油气田正在建设的天然气分析标准物质 体系制备系统能够完成少量组分不确定度优于 0 . 5 %的 标准物质体系的研发。 1 . 2 . 3天 然气能 量计 量 系统 天然气能量计量是通过天然气的体积流量测量和 高位发热量测量间接获得的, 而相应的能量计量系统主 要包括流量计、 热量计、 组分分析仪以及流量计算机等。 其中流量计用于测量天然气的体积流量, 其类型主要有 腰轮、 孔板、 超声波和涡轮等, 而我国则主要以孔板流量 计为主; 热量计用于测量天然气 的高位发热量, 一般采 用燃烧式量热计 , 其有两种形式 水流式和气流式。中 国计量科学研究院的水流式热量计 , 不确定度小于等于 1 . 0 % k 2 , 而其新研制的氧弹法测量装置, 不确定度 小于等于 0 . 6 % k 2 ; 此外中石油正在研制的 1级测 量装置, 其不 确 定 度 为0 . 2 % ~ 0 . 2 5 % k 2 , 与 I S O 1 5 9 7 1的 1 级水平相当 。 目前 , 我国已经逐步完善了天然气体积流量测量和 发热量测量的相关技术及其能量计量的配套技术 , 同时 还建立了能量测量标 准体系和天然气量传溯 源体系。 此外 , 为了进一步提高天然气能量计量的标准化, 国家 还制定了G B / T 2 2 7 2 3 天然气能量的测定 和与之相 关的实施细则, 并在中石油西气东输一线、 二线和西南 油气 田等进行了实践应用, 获得了大量的应用数据, 同 时丰富了实施经验, 极大地推动了我国天然气能量计量 的发展 ⋯。 2 我国天然气流量计量技术所面临的 挑战 2 0 1 2年底, 我 国发布 了 天然气发展“ 十二五” 规 划 [ 1 l j , 预计到十二五末, 我国的天然气输送管网将更 加完善 , 其以川气东送、 西气东输和陕京线等为主动脉 , 同时在全国范围内实现了天然气从生产、 储存到消费等 各个环节的互联互通, 从而形成了完整的天然气输送网 络 , 进一步保证了天然气供气的平稳性、 安全性、 多样性 和充足性。 2 0 1 3 年 , 国家又发布了 2 0 1 3年 ~ 2 0 2 0年天然气计 量发展规划 , 预计到 2 0 2 0年, 我国天然气计量技术的 发展将达到国际水平, 计量标准体系和法制的建设将更 加完善 , 天然气流量计量的实时性、 精确性和经济性将 进一步提高, 基本满足了我国天然气工业发展的需求。 因此 , 纵观当下天然气发展的背景和趋势, 我 国天 然气计量技术的发展将面临以下几个方面的挑战。 1 分析测试技术。目前 , 我国还没有专门对上游天 石油管材 与仪器 P E T R OL E UM T U B U L A R GOO DS I N S T R U ME N T S 2 0 1 5年 1 0月 然气及其微痕量组分等进行分析测试 的技术和相关 的 标准体系。 2 量传溯源体系。我国的量传溯源体系还需要进 一 步的提高和完善, 如需要提高天然气发热量测量装置 的精度水平, 需要进一步建立天然气分析用气体标准物 质体系, 以适应多气源、 多品种天然气发展的需求。 3 天然气流量量值比对。目前我国没有积极进行 天然气流量量值国际关键循环比对 , 因此未来需要进一 步提高实验室数据的国际互认性。 4 流量检测。我 国检流计的检测能力不能很好地 满足天然气生产的需求, 因此需要建立大口径检流计来 进一步提高检测能力。 3 我国天然气流量计量技术发展趋势 分 析 我国天然气工业已经进入了一个快速发展的时期 , 随着天然气需求的不断增加, 各公司在天然气市场中的 竞争也在不断加剧, 为了在激烈的竞争 中获得优势, 国 有三大石油公司分别制定 了新时期的天然气发展战略。 然而在天然气工业发展过程中, 天然气流量计量 已成为 制约其发展的主要因素, 因此快速、 精确、 经济地对天然 气进行计量不仅可以有效降低企业的成本 , 提高服务质 量 , 而且还可以让企业在激烈的竞争 中脱颖而出。所 以, 对天然气计量技术的发展趋势进行预测和研究 , 具 有非常重要的现实意义。 综合分析表明, 未来天然气计量技术将在以下五个 方面继续发展。 3 . 1 计量方式的自动化、 智能化和远程化 近年来, 随着科技的快速发展, 天然气计量正在向 智能化、 自动化和实时性方 向发展, 同时利用互联网技 术可以实现天然气计量的远程控制和在线管理 , 如 目前 各大公司正在建设的 S C A D A在线监测系统等。 在天然气流量计量系统中, 流量计所获得的数据只 是其所需数据的一部分, 为了对天然气进行精确计量 , 还需要测量天然气的压力、 温度、 密度、 气相色谱等, 这 些参数的测量一般由辅助仪表系统完成, 同时还需要通 过数据处理系统对测量数据进行处理、 存储、 传输 以及 发布等。因此, 未来天然气计量系统将集成更多的系 统 , 通过各系统间的协调工作实现天然气计量 的实时 性、 精确性和经济性。 3 . 2 推动实施天然气能量计量, 促进我 国天然气计量 方式转变 天然气的流量计量难 以真实反映出天然气的能源 价值 , 随着我国市场经济的不断完善和天然气贸易的国 际化发展, 各国对天然气贸易的公平性提出了越来越高 的要求, 而能量计量是 目前公认的天然气贸易交接最公 平的方法, 因此天然气流量计量向能量计量转变是我国 天然气计量发展的必经之路。 此外, 为了推动天然气能量计量的发展 , 我 国应大 力开展天然气能量计量体系的研究和相关配套技术 的 研发, 如提高天然气发热量测量装置的精度水平 , 建立 天然气分析用气体标准物质体系等。 3 . 3 检定方式、 量值溯源从静态单参数向动态多参数溯 源发展 过去流量计的检定基本通过静态单参数法实现, 然 而由于天然气的流量参数具有动态性 , 使得流量溯源性 成为制约仪表准确度最主要的因素。目前世界上还没 有建立统一的流量量值实物标准, 主要通过装置比对来 实现流量量值 的统一。然而由于流量量值比对装置的 原级标准是一座流量标准装置, 同时也是固定装置, 其 工作特点与流量计有很多不同, 因此它并没有真正体现 出天然气流量参数 的动态特性。近年来实流检定技术 获得了快速的发展, 该方法通过对天然气在接近实际工 况下的状态参数和物性参数如温度、 压力、 组分和流量 总量等进行动态量值溯源 , 来实现对天然气流量的检 定。因此, 天然气流量量值溯源将逐步向实流检定方向 发展 。 3 . 4进一步完善计量标准体系 完善健全的计量标准体系是天然气流量计量准确 实施的基础和依据, 在结合国际计量标准体 系的基础 上, 我国的计量标准体系正在逐步形成, 其 内容也在不 断的丰富和完善, 并 向多样化标准方向发展。此外 , 我 国还应加强上游领域和非常规领域天然气计量标准的 研究, 推动科技的 自主创新; 同时我国还应重视 国内标 准的国际化推广, 如编制多语言国家标准, 以适应国际 市场天然气贸易的需求; 最后我国还应积极参加国际标 准的修改和制定, 以此来增强我国的国际影响力。 3 . 5 完善测量技术 我国应大力发展天然气测量技术 , 如天然气的取 样、 分析技术、 天然气湿气测量技术、 天然气微量有毒有 害物质测试技术、 天然气分析用气体标准物质体系制备 技术等, 这些技术是对天然气的质量进行控制和评价的 基础 , 同时也是相关计量标准制定的技术依据。 4 结论 天然气流量计量不仅是企业问进行贸易结算 的重 要依据, 更是考核和提高天然气生产效率的重要技术指标。 下转第 1 7页 2 0 1 5年第 1卷第 5期 黄蓉等 油田剩余油饱和度测试仪器及其进展 l 7 智能化、 集成化、 网络化的剩余油饱和度测试仪器 已成 为主要发展趋势。同时, 结合油田地质特点和深度开发 的要求 , 将现代数学方法应用于剩余油饱和度测试与评 价解释当中, 将为剩余油饱和度测试仪器的发展注入新 的活力 。 参 考 文 献 [ 1 ] 张学云. 油田高含水期剩余油挖潜研究[ J ] . 内蒙古石油化 工 , 2 01 0, 2 1 1 4 91 5 1 . 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S P E , E U R O P E C , E A G E C o n f e r e n c e a n d E x h i b i t i o n .L o n d o n S o c i e t y o f P e t r o l e u m E n g i n e e r s , 2 0 0 7 1 0 5 0 0 3一MS . [ 1 2 ] 周强, 于丽萍. R M T测井在高含水期储层评价中的应 用[ J ] . 石油仪器 , 2 0 1 2 , 2 6 2 4 9 5 4 . [ 1 3 ] 郭平 , 冉新权 , 徐艳梅, 等. 剩余油分布研究方法 [ M] . 北京 石油工业出版社 , 2 0 0 7 1 2 . [ 1 4 ]H e r o l d B H , B e n i m e l i D , L e v e s q u e C , e t a1 . C o m b i n a b l e t h r o u g ht u b i n g c a s e d h o l e f o r ma t i o n r e s i s t i v i t y t o o l[ C] . S P E, S P E An n u a l T e c h n i c a l Co nfe r e n c e a n d E x h i b i t i o n . T e x - a s S o c i e t y o f P e t r o l e u m En g i n e e r s , 2 0 04 9 0 0 1 8一MS . [ 1 5 ]赵军龙, 曹军涛 , 李传浩, 等. 中高含水期剩余油测井评价 技术综述与展望[ J ] . 地球物理学进展, 2 0 1 3 , 2 8 2 8 3 8 8 43 收稿 日期 2 0 1 41 21 4 编辑 马 小芳 上接 第 1 2页 随着天然气工业的发展 , 如何快速、 精确、 经济地获取、 处 理和分析天然气计量信息将成为天然气流量计量技术的 关键, 它可以有效降低企业的成本, 提高服务质量, 从而 使企业在市场竞争中获得更大的优势。因此, 我 国应大 力加强天然气流量计量技术的研究 , 使其迅速地进步与 完善, 以促进天然气贸易公平进行 , 同时降低生产成本, 提高其经济效益与社会效益。 参 考 文 献 [ 1 ]埃德加 鲍尔斯著, 熊光德译.2 1 世纪的天然气流量计量 [ J ] . 天然气与石油, 2 0 0 0 , 1 8 1 6 0 6 4 . [ 2] I n t e rna t i o n a l S t a n d a r d s O r g a n i z a t i o n ,I S O / T C 1 9 3 Wo r k G r o u p .I S O 1 3 6 8 6 1 9 9 8 N a t u r a l g a sQ u a l i t y D e s i g n a t i o n [ S ] .G e n e v e I S O,1 9 9 8 . [ 3 ]宋艾玲 , 梁光川.天然气计量技术现状及发展[ J ] .计量技 术 , 2 0 0 6 , 3 1 2 02 3 . [ 4 ]郭绪明, 张福元.浅谈建立天然气量值动态溯源体系[ c ] . 全国流量计量学术交流会全国流量计量学术交流会论文 集 , 2 0 0 2 . [ 5 ]O I ML / T C 8 / S C 7 Wo r k G r o u p .R 1 4 0 Me a s u r i n g s y s t e m o f g a s - e o u s f u e l [ S ] .P a ri s O I M L, 1 9 9 8 . [ 6 ]中国国家标准化管理委员会.G B 1 7 8 2 0 2 0 1 2 天然气 [ s ] . 北京 中国国家标准出版社, 2 0 1 2 . 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