天然氣計量誤差和能量計量方法的應用探討

司強(西部管道甘肅輸油氣分公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引言

天然氣作為一種環保的優質能源，受到社會的廣泛重視。政府及各企業不斷探索研究開發利用天然氣與計量天然流量的方法，尤其是在我國經濟不斷發展下，轉變了天然氣事業經營理念，各方均追求利益最大化，充分認識到天然氣實時、經濟、精準計量的重要性。因此，需要分析其計量方法，明確計量誤差原因，以保證計量有效性。

1 天然氣常用計量方式

1.1 體積計量

國際上常見計量天然氣體積儀表主要有以下幾種：

(1)孔板流量計。在天然氣行業中，孔板流量計應用較早，是以管道壓差為基礎的流量計。當前，渦輪流量計正逐漸替代此種儀表，在使用中具有穩定性強、價格低廉，且無需實施專業校核的優點。但是，實際應用中流量計測量精度不足，且上下游直管長度要求較高，其上游部分長度應當是流量計內徑的30倍，下游則是流量計內徑的7倍，且此種流量計需要連接管道中法蘭，易產生漏氣情況，需及時維修[1]。

(2)渦輪流量計。在油氣行業中此流量計應用較為常見，是速度式流體計量儀表。在應用中具有可靠性強、精度相對較高、使用便捷、維修方便、結構簡單等優點。但是，也存在一定缺點，如應用中渦輪部位存在持續性摩擦，需及時做好潤滑工作，為保護渦輪葉片，需在流量計上方增加過濾器。管道流速如若超出10m/s，則此種流量計部位可能產生“氣蝕”[2]。由于上述缺點，對此流量計的推廣與發展造成阻礙。

(3)超聲波流量計。此種流量計是用于管道中流體速差的流量計量儀表，主要應用在管徑較大、壓力較高的天然氣管道實現流量計量。在應用過程中，存在不易受客觀因素影響、精度高、便于維修保養、數字化程度高的優點，與孔板流量計和渦輪流量計相比，此種更為先進。但是，我國超聲波流量計通常為進口產品，設備價格高昂，且此流量計不適用管徑在100mm內的管道。

1.2 質量計量

在天然氣計量領域中，應用質量計量設備是以科式質量流量計為主，熱式質量流量計、差壓式質量流量計為輔。具體情況如下：

(1)科式質量流量計。于1832年法國科學家科里奧利提出旋轉管道內流體流動中會對管壁產生力，簡稱科式力，美國在1977年研發科式質量流量計。此流量計能夠對天然氣質量進行直接測量，在應用中具有適用范圍廣、測量精度高、范圍大、穩定性強的優點。但科式質量流量計多為進口產品，價格同樣高昂，且應用中對于安裝要求較高，難以適用于管徑超過200mm的管道。當前，此類計量設備主要應用在加氣站、天然氣井口。

(2)熱式質量流量計。此流量計工作原理是加熱介質后溫度場會隨之變化，且介質升溫需要能量與介質流量存在函數關系。在流經介質的管段中設置電熱裝置2個，以控制介質溫度與管道溫度差值保持不變。當增加介質流速后，冷卻效應也隨之增加，電熱裝置溫度控制的恒定電流也增大，這時介質質量流量與熱傳遞為正比，介質質量流量與電流存在對應函數關系。流量計具有應用環境廣泛、性能可靠、誤差小等優點，多用于化工廠、鋼鐵廠等場所。

(3)差壓式質量流量計。是基于馬格努斯效應，通過流過接力路裝置中介質所產生的壓差對流量進行測量。常見差壓式質量流量計是雙孔板結構，管路上設置相同兩個孔板，分流管路上則設置流量相反且固定的定量泵兩個，分別在兩個孔板出入口設置壓差計。

2 天然氣計量誤差分析

2.1 計量儀表

在天然氣計量中，主要應用孔板流量計進行計量，在實際應用中，此種流量計對加工孔板要求較高，需嚴格遵循技術標準要求實施，否則會產生嚴重誤差，孔板一旦出現彎曲或偏離情況，則會影響計量精度。一方面是在孔板安裝中，要求人員熟練掌握安裝規范，但卻又部分人員僅憑借自身經驗，忽視安裝細節，如在加工孔板密封墊片內孔時，未能結合環室尺寸加工，墊片超過環室范圍，對于劑量計中氣流流動造成了干擾。并且，設置導壓管走向不合理，也會造成氣壓無法在流量計內部正常傳到，平衡器無法保持水平，造成計量誤差。另一方面則是節流裝置問題，其內部存在焊縫、墊片等突出物，造成計量誤差。具體誤差大小與突出物長度、位置等均有練習，孔板上游2被部位產生突出物，此時誤差最大，而孔板下游突出物則計量誤差較小。

2.2 使用條件

計量儀器通常情況下，使用時將會受到多方面因素影響。如，環境條件產生變化，會造成劑量計誤差。在運輸天然氣過程中，氣體壓力如若產生突然變化，或流速變化較大，則會造成壓差波動，進而產生脈動流，計量時一旦裝置中存在明顯脈動流，則會進一步增加計量誤差。根據調查表明，天然氣計量中受脈動流影響，其誤差在20%～30%范圍內。并且，受到季節影響，天然氣消耗量也會產生變化，出現流量計超量程情況。在通過蒸汽試驗中發自按，不同季節條件計量蒸汽流量，冬季實際流量小于夏季流量，此種情況的發生可能是天然氣流量已經超過儀器自身量程，引發計量誤差。

2.3 天然氣質量

天然氣作為開采石油中的伴生氣，開采出地面后需要經過多重過濾、除塵、分離等程序，卻仍然無法確保天然氣實現絕對純凈，在傳輸天然氣時，存在雜質將會一定程度上腐蝕天然氣管道。天然氣中雜質如若在流量計孔口或孔板位置大量積存，則會造成天然氣產生氣流變化。并且，積存雜質也會縮小孔板截面，孔板流量計其自身對于外界條件較為敏感，如若雜質不能及時清除，就會產生眼中誤差。同時，天然氣中均存在一定水分，可能會造成流量計計量值偏高，隨著增大孔徑比，濕氣流量會逐漸減小，孔徑比為0.7時，流量計計量偏差在-1.7%。而實際計量中儀器為0.5的孔徑比能夠穩定孔板自身性能，但為提高計量精度，需要在計量裝置上游位置清除天然氣水分。

3 天然氣能量計量方法應用

3.1 原理

能量計量是根據天然氣發熱量為結算單位的計量方式，是以提及計量為基礎，同時對天然氣發熱量進行測量，以體積與單位體積發熱量共同計算獲得天然氣流經管道的總能量。測量熱值主要是有間接測定與直接測定這兩種方法：間接測定是計算天然氣氣質組分獲得熱值，通常使用色譜儀實現；直接測定則是燃燒一定量氣體獲得直接發熱量。實際應用中，直接法應用條件多，技術不成熟、過程復雜，主要將其看作間接法比對核查的措施。在大型計量站中，可應用先色譜儀對天然氣熱值實施測定，小型計量站則采取離線色譜儀測定熱值后，選擇可變賦值或固定賦值的方法計算獲得天然氣發熱量。

3.2 應用價值

(1)符合我國能源發展戰略。天然氣作為一種混合氣體，產地不同則氣質組分不同，進而造成不同地區燃燒天然氣產生能量不同。我國當前測得單位體積天然氣最低發熱量是33.9MJ/m3，最高則是45MJ/m3[3]。對于不同熱值天然氣均選擇傳統體積計量方式實現貿易交接，顯然與常理不符。并且，天然氣行業發展空間巨大，在管道互聯互動形勢下，不同地區天然氣將會形成全國性管網，已經成為未來主要發展趨勢，混輸不同氣源仍然采取傳統體積計量方式難度較高，增加了結算難度。由于天然氣熱值所造成的銷售誤差顯然無法滿足此要求，所以需要應用能量計量方式，以滿足我國能源發展戰略。

(2)有助于推動天然氣國際貿易。我國2020年預計所需天然氣總量為3600×108m3，進口天然氣總量則是1530×108m3，表明我國40%天然氣依賴進口。我國已經建立跨國的中俄管線、中緬管線、中壓管線，徹底完成后即可實現1650×108m3進口量[4]。以此可知，我國天然氣對外依賴性較強，國際普遍在天然氣貿易中應用能量計量，我國天然氣氣源進口較多，為保證貿易公平性，需要與國際相結合，特別是在天然氣全國管網互通情況下，應用能量計量更加合理。

3.3 應用實例

在計算天然氣熱值中，選擇某地管道天然氣組分，其質量分數見表1。

表1 不同組分體積分數及壓縮因子

假設天然氣燃燒參比條件(t1，p1)等同于計量參比條件(t2，p2)，且條件均是101.325kPa，20℃，則各組分物質的量分數與體積分數關系在此種條件下如下所示：

式中：xj是各組分物質的量分數；zj(t2，p2)是在p2壓力下與t2溫度下各組分壓縮因子；φj則是各組分體積分數。

理想氣體熱值計算可根據以下公式：

其中，H0[t1,V(t2,p2)]是各組分熱值，xj是各組分物質的量分數，根據公式進行天然氣最低位與最高位熱值計算，可知最低位熱值是34.59MJ/m3，最高位則是38.33MJ/m3。

而在計算真實氣體熱值中，遵循GB/T1 1062-1998規定[5]，其公式如下：

其中，H[t1,V(t2,p2)]是真實氣體熱值，Zmin(t2,p2)是計量參比xa壓縮因子是理想氣體熱值。

根據公式進行計算，可獲得真是氣體最低熱值是34.67MJ/m3，最高則是38.41MJ/m3。

4 結語

綜上所述，天然氣在社會生產各個方面均獲得廣泛應用，此種情況下，天然氣流量計量可靠性與精度也獲得人們重點關注。而天然氣計量中常用計量方式以體積計量與質量計量為主，在使用過程中，易受到外界因素及其自身儀器影響，或多或少會造成天然氣計量誤差，難以保證計量準確性。因此，應當加強對能量計量方法的應用，不僅符合我國能源發展戰略，還能與國際貿易相接軌，推動天然氣行業實現進一步發展。