常見天然氣計(jì)量?jī)x表的研究現(xiàn)狀及特征分析

張明 程剛 方勇 馬帥帥

摘? 要：天然氣作為高熱值、環(huán)境友好的化石燃料，目前全國(guó)的主要城市都在推行天然氣工程。尤其是隨著我國(guó)大氣污染情況的加劇，各大城市對(duì)天然氣的需求量大大增加，對(duì)天然氣計(jì)量準(zhǔn)確性的要求也隨之提高。文章綜述了目前常見天然氣計(jì)量?jī)x發(fā)展的基本情況，簡(jiǎn)述了天然氣的常見物理性質(zhì)和特點(diǎn)，分析了天然氣計(jì)量方式及優(yōu)缺點(diǎn)，探討了常見天然氣計(jì)量?jī)x表選擇考慮因素和環(huán)境影響。

關(guān)鍵詞：天然氣;計(jì)量方式;計(jì)量特點(diǎn)

中圖分類號(hào)：TH814? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）11-0082-02

Abstract： Natural gas is a high calorific value and environment-friendly fossil fuel. At present， major cities in the country are implementing natural gas projects. Especially with the intensification of China's air pollution， the demand for natural gas in major cities has greatly increased， and the requirements for the accuracy of natural gas measurement have also increased accordingly. In this article， the basic situation of the development of common natural gas meters is summarized; the common physical properties andcharacteristics of natural gas are briefly described; the methods and advantages and disadvantages of natural gas meters are analyzed; and the selection factorsand environmental impacts of natural gas meters are discussed.

Keywords： natural gas; measurement method; measurement characteristics

天然氣一般采用管道輸送，計(jì)量具有連續(xù)性和長(zhǎng)期性的特點(diǎn)，一旦出現(xiàn)計(jì)量誤差，長(zhǎng)年累月之后，這個(gè)誤差將非常大。因?yàn)樘烊粴庥?jì)量誤差的存在，導(dǎo)致天然氣計(jì)價(jià)存在偏差，引發(fā)了很多貿(mào)易糾紛問題。因而，如何能夠準(zhǔn)確地計(jì)量天然氣用量成為亟待解決的一個(gè)關(guān)鍵問題，得到了社會(huì)各界的關(guān)注。

西方發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)天然氣的計(jì)量技術(shù)比較成熟，研究和生產(chǎn)了多種型號(hào)的天然氣計(jì)量?jī)x表。渦街流量計(jì)量設(shè)備、腰輪流量計(jì)量設(shè)備在歐洲國(guó)家的應(yīng)用較為廣泛。現(xiàn)階段中國(guó)在工業(yè)生產(chǎn)中常用到的天然氣儀表主要為孔板流量計(jì)。

天然氣計(jì)量?jī)x表普遍呈現(xiàn)出這樣的發(fā)展趨勢(shì)：70年代主要盛行孔板流量計(jì)量設(shè)備，80年代渦街流量計(jì)量設(shè)備的使用進(jìn)入高峰期，90年代以后超聲波流量計(jì)量設(shè)備逐漸發(fā)展起來。

目前我國(guó)使用的天然氣計(jì)量?jī)x表中，孔板流量計(jì)量設(shè)備由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)而備受青睞，是企業(yè)和用戶的首選，占有相當(dāng)大的市場(chǎng)比例[3-4]。我國(guó)對(duì)天然氣儀表的設(shè)計(jì)起步較晚，上世紀(jì)70年代以后才逐漸發(fā)展起來，我國(guó)的專家學(xué)者參照國(guó)外的一些標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合我國(guó)的天然氣輸送現(xiàn)狀，制定了一系列的天然氣儀表設(shè)計(jì)、制造、安裝、檢修和管理標(biāo)準(zhǔn)。不過這些標(biāo)準(zhǔn)并不完善，與國(guó)外的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)還存在一定的差距，主要體現(xiàn)在：（1）天然氣計(jì)量?jī)x表的質(zhì)量較

低;（2）缺少配套設(shè)備和智能附件;（3）計(jì)量精度有待提高。目前天然氣計(jì)量日益成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。因此，要投入更大的精力來研發(fā)高精度的天然氣計(jì)量?jī)x表。

1 天然氣的常見物理性質(zhì)

天然氣內(nèi)主要包括例如甲、乙、丙烷這種低分子類的飽和氣體以及氧氣、二氧化碳這種非烴類的氣體。這些組成氣體會(huì)決定天然氣的運(yùn)輸計(jì)量，主要包括以下幾點(diǎn)天然氣的主要性質(zhì)：（1）天然氣的分子量;（2）天然氣的相對(duì)密度;（3）天然氣的壓縮因子;（4）天然氣的導(dǎo)熱系數(shù);（5）天然氣的流動(dòng)性能。

2 天然氣計(jì)量特點(diǎn)

（1）天然氣的流動(dòng)狀態(tài)、閥門開關(guān)機(jī)壓縮機(jī)啟停等均會(huì)影響計(jì)量的準(zhǔn)確度。尤其是管路中帶有往復(fù)式壓縮機(jī)的工藝，對(duì)流量計(jì)量準(zhǔn)確性的影響更大;（2）天然氣是一種產(chǎn)自地下的混合氣體，不同氣井、不同開采時(shí)期，其組分都會(huì)發(fā)生變化，而且天然氣含水和腐蝕性組分等，也對(duì)流量測(cè)量?jī)x表本身和修正提出了要求;（3）由于天然氣的可壓縮性，所以體積流量應(yīng)該標(biāo)定當(dāng)時(shí)所處的狀態(tài)，國(guó)內(nèi)一般情況默認(rèn)的是工程標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài);（4）天然氣是易燃易爆氣體，在選用配套電氣儀表時(shí)必須采用防爆型，確保測(cè)量系統(tǒng)乃至整個(gè)輸氣系統(tǒng)的安全。

3 常見天然氣計(jì)量方式及優(yōu)缺點(diǎn)

在生產(chǎn)的過程中天然氣流量的測(cè)量方法可按照測(cè)量參數(shù)分為容積流量、質(zhì)量流量和能量流量三種。其中，能量流量測(cè)量是直接測(cè)量天然氣發(fā)出的熱量的多少，用戶使用燃?xì)馀c組分無關(guān)，按熱量多少取費(fèi)，更具有科學(xué)性和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，是未來計(jì)量發(fā)展的趨勢(shì)。但是目前最常用的依然是以下幾種天然氣計(jì)量方式：

（1）孔板流量計(jì)

孔板流量計(jì)是當(dāng)所測(cè)天然氣通過節(jié)流裝置時(shí)，氣體會(huì)在孔板處產(chǎn)生收縮，導(dǎo)致氣體流動(dòng)速度明顯增加，致使靜壓力降低，在氣體經(jīng)過的孔板前后形成壓力差。根據(jù)孔板前后差壓即可計(jì)算出天然氣流量。優(yōu)點(diǎn)：該流量計(jì)可用于管道的直徑較大的工況下，而且組成部件較少，操作簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，使用壽命較長(zhǎng)，成本低，校準(zhǔn)容易等。缺點(diǎn)：對(duì)于運(yùn)輸管線較長(zhǎng)的工況應(yīng)用受限，而且量程范圍較小，體積較大，孔板前后所連接的緩沖線較長(zhǎng)，較難提升精確度，可重復(fù)性差。

（2）渦輪流量計(jì)

渦輪流量計(jì)的主要工作原理是通過待測(cè)氣體的流動(dòng)力推動(dòng)流量計(jì)中的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，再計(jì)算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的次數(shù)得出氣體流量。優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量范圍廣，精度高，體積小，安裝和后期保養(yǎng)方便，輸出信號(hào)穩(wěn)定，而且其信號(hào)頻段易與現(xiàn)階段計(jì)算機(jī)系統(tǒng)匹配。缺點(diǎn)：內(nèi)部構(gòu)件易被污染，對(duì)待測(cè)氣體的干凈程度要求較高，抗震動(dòng)能力差。

（3）超聲波流量計(jì)

超聲波流量計(jì)的工作原理是利用超聲轉(zhuǎn)換裝置將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量后，由于超聲波具有強(qiáng)的穿透能力，將發(fā)出能夠穿透待測(cè)氣體波頻，終端的接收裝置將收到該頻段信號(hào)，通過計(jì)算儀器計(jì)算出所測(cè)流量并顯示在儀表上。超聲波流量計(jì)的使用范圍，精確度和耐用性均高于其它流量計(jì)，在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用較多。中國(guó)第一次采用超聲波流量計(jì)的工況是西氣東輸?shù)拇罂趶教烊粴夤艿肋\(yùn)輸中。優(yōu)點(diǎn)：準(zhǔn)確度高，量程范圍廣，可進(jìn)行雙向測(cè)量操作，體積小，耐用性高，對(duì)環(huán)境要求低，受壓力、溫度、待測(cè)氣體分子質(zhì)量和組成等影響較少，工作原理簡(jiǎn)單，是今后流量計(jì)發(fā)展的重要方向，可能會(huì)成為標(biāo)準(zhǔn)氣體流量計(jì)。缺點(diǎn)：成本高，設(shè)備價(jià)格昂貴，目前主要使用在中大型工程項(xiàng)目中。

4 天然氣流量計(jì)量?jī)x表選擇考慮因素

（1）精度，流量?jī)x表的精度等級(jí)是保證在某一較寬的流量范圍內(nèi)，如果使用條件是在某一特定流量或很窄的范圍，此時(shí)使用的測(cè)量精度比規(guī)定值高。（2）重復(fù)性，重復(fù)性由儀表本身的原理和制造質(zhì)量決定。嚴(yán)格地說，重復(fù)性是指環(huán)境條件、介質(zhì)參量等不變的情況，對(duì)某一流量值短時(shí)間內(nèi)同方向進(jìn)行多次測(cè)量的一致性。然而，實(shí)際應(yīng)用儀表的重復(fù)性被許多因素如流體粘度、密度等參量變化所影響，因這些參量影響還未達(dá)到需要修正的地步，往往被誤認(rèn)為儀表重復(fù)性不好。（3）輸出信號(hào)特性，可分為模擬量和脈沖量。模擬量輸出適合于過程控制，與調(diào)節(jié)閥接配，但較易受干擾;脈沖量適用于總量和高精度測(cè)量，長(zhǎng)距信號(hào)傳輸不受干擾。（4）響應(yīng)時(shí)間，應(yīng)用于脈動(dòng)流場(chǎng)所應(yīng)注意儀表對(duì)流動(dòng)階躍變化的響應(yīng)。有些使用場(chǎng)所要求儀表輸出跟隨流動(dòng)變化，而另一些為獲得綜合平均值要求有較慢響應(yīng)的輸出。瞬態(tài)響應(yīng)常以時(shí)間常數(shù)幾毫秒到幾秒，或響應(yīng)頻率數(shù)百赫茲等以下表示。配用顯示儀表可能要相當(dāng)大地延長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間。

5 天然氣流量計(jì)量?jī)x表環(huán)境影響

環(huán)境條件對(duì)于天然氣計(jì)量?jī)x表安裝與使用也十分重要，主要是從以下幾方面考慮的：（1）溫度，環(huán)境溫度超過規(guī)定會(huì)影響儀表電子元件而改變測(cè)量性能，因此某些現(xiàn)場(chǎng)儀表需要有環(huán)境受控的外罩。（2）濕度，高濕度會(huì)加速儀表的大氣腐蝕和電解腐蝕，降低電氣絕緣;低濕度容易感生靜電。（3）安全性，應(yīng)用于爆炸性危險(xiǎn)環(huán)境，按照氣氛適應(yīng)性、爆炸性混合物分級(jí)分組、防護(hù)電氣設(shè)備類型以及其他安全規(guī)則或標(biāo)準(zhǔn)選擇儀表。如果其中可能具有腐蝕性的化學(xué)物質(zhì)，則需要儀表的整個(gè)外包裝耐腐蝕性，或者防水性良好，可采用定期沖洗等方式。（4）電磁干擾環(huán)境，應(yīng)注意電磁干擾環(huán)境以及各種干擾源。

6 結(jié)束語

隨著科技的進(jìn)步，我國(guó)的數(shù)字技術(shù)愈發(fā)成熟，作為其中的核心芯片業(yè)接連產(chǎn)出，都為超聲波流量計(jì)的快速發(fā)展做了鋪墊。這些精準(zhǔn)技術(shù)保證了天然氣管網(wǎng)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。同時(shí)檢測(cè)流量計(jì)是否滿足具體的施工難易程度也凸顯得尤為重要，國(guó)內(nèi)也針對(duì)此情況建立了相關(guān)配套設(shè)施，引進(jìn)國(guó)外的先進(jìn)儀器與技術(shù)增加了測(cè)量的精準(zhǔn)性，降低測(cè)量誤差，為實(shí)際施工做了堅(jiān)強(qiáng)的后盾。在一個(gè)智能的時(shí)代，對(duì)于天然氣的測(cè)量也向這邊靠攏，省去人力的投入，換來的是實(shí)時(shí)監(jiān)控、精準(zhǔn)數(shù)據(jù)以及安全保障等等。檢查方法普遍是用實(shí)際管內(nèi)天然氣為測(cè)定流體，其中測(cè)試顯示的數(shù)據(jù)也向多方面發(fā)展。為了面對(duì)不同管內(nèi)流體和施工狀況而選擇不同的儀器，與此同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)整條管線的各個(gè)管段的監(jiān)控。

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