氣體渦輪流量計能量計量的可行性研究

梅茜迪 劉良果

摘? 要：天然氣貿(mào)易結(jié)算方式主要有兩種：體積計量和能量計量。天然氣能量計量已成為國際上天然氣貿(mào)易和消費計量與結(jié)算的發(fā)展趨勢，而我國普遍采用體積計量。2019年《油氣管網(wǎng)設(shè)施公平開放監(jiān)管辦法》的出臺標(biāo)志著國家將天然氣能量交接計量提上日程。目前川渝地區(qū)天然氣體積交接計量裝置使用最多的流量計為高級孔板閥、氣體智能流量計與氣體超聲流量計。高級孔板閥可通過計量系統(tǒng)軟件實現(xiàn)能量計量，超聲流量計配套的流量計算機也具備能量計量的功能，但市面氣體智能流量計包括氣體渦輪、氣體羅茨和氣體旋進旋渦流量計目前均無能量計量功能，采用該類型流量計的計量點實現(xiàn)能量計量存在瓶頸。本文結(jié)合企業(yè)實際開展智能流量計中應(yīng)用最廣的氣體渦輪流量計能量計量功能研究，探索采用氣體渦輪流量計進行能量計量的可行性。

關(guān)鍵詞： 氣體渦輪流量計 能量計量 可行性

1 引言

目前川渝地區(qū)天然氣體積交接計量裝置使用最多的是高級孔板閥、氣體智能流量計與氣體超聲流量計三類。高級孔板閥可通過計量系統(tǒng)及軟件實現(xiàn)能量計量，超聲流量計配套的流量計算機也具備能量計量的功能，但市面銷售的所有氣體智能流量計包括氣體渦輪、氣體羅茨和氣體旋進旋渦流量計目前均無能量計量功能，采用該類型流量計的計量點實現(xiàn)能量計量存在瓶頸。本文將結(jié)合企業(yè)實際，開展智能流量計計中應(yīng)用最廣的氣體渦輪流量計能量計量功能研究，研發(fā)一種具備在流量計內(nèi)完成能量值計算和顯示的氣體渦輪流量計，探索采用氣體渦輪流量計進行能量計量的可行性。

2 國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

在國外，流量計標(biāo)定裝置技術(shù)水平較高，工業(yè)上采用的測量儀表主要有差壓式流量計、渦輪流量計及孔板式流量計等。國內(nèi)許多大型油氣田采用的計量儀表是從國外采購的，基本上反映了國外流量測量儀表的技木水平，腰輪流量計和渦輪流量計的使用數(shù)量在歐州一些發(fā)達國家中占主導(dǎo)優(yōu)勢，在北美地區(qū)更是高達九成以上;在美國使用較多的測量儀表是孔板流量計，達到八成以上。在國內(nèi)，流量計標(biāo)定裝置技術(shù)水平相對比較低，工業(yè)上采用的測量儀表主要是渦輪流量計，渦輪流量計占我國流量計使用總數(shù)的一半左右。氣體渦輪流量計是一種速度式體積流量計，國內(nèi)外大多數(shù)的研究集中在葉輪、軸承、潤滑油等因素對渦輪流量計測量性能的影響，無能量計量方面的相關(guān)研究，因此開展氣體渦輪流量計能量計量功能研究是很有必要的。

3 氣體渦輪流量計調(diào)研

3.1 現(xiàn)狀

目前市面上用于貿(mào)易計量的氣體渦輪流量計主要為帶流量積算儀的智能計量儀表，包括渦輪流量計表體、溫度傳感器、壓力傳感器、流量檢測，流量積算儀采用AGA NX-19、AGA8-92DC或SGERG-88方法對天然氣的壓縮因子進行實時在線計算，并據(jù)此對溫度、壓力進行自動補償，具備瞬時工況體積流量、標(biāo)況體積流量、總量、壓力、溫度、電量顯示功能，可用于計量天然氣、液化石油氣、空氣、氮，或其他惰性氣體。輸氣管理處目前使用氣體渦輪流量計197臺，占所有流量計的26%。

3.2 原理

氣體渦輪流量計是一種在氣流作用下葉輪受力旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速與氣體體積流量成函數(shù)關(guān)系的測量設(shè)備。在一定的流量范圍內(nèi)，脈沖頻率f與流經(jīng)傳感器的流體的瞬時流量Q成正比，流量方程為：

Q=3600×f/K

f：脈沖頻率Hz;

K：儀表系數(shù);

Q：瞬時工況體積流量m3/h或L/h。

3.3 結(jié)構(gòu)

氣體渦輪流量計主要由計量室、渦輪、表體（殼體）、溫度傳感器、壓力傳感器、信號檢測器、加油泵系統(tǒng)以及流量積算儀組成。流量積算儀主要由電源管理、信號檢測、微處理器、通信、數(shù)據(jù)存儲和顯示屏等幾部分組成。微處理將傳感器采集的信號進行數(shù)據(jù)處理，將處理計算的結(jié)果進行存儲、顯示，可輸出給上位計算機或二次儀表。

3.4 能量計量原理及方法

GB/T22723-2008《天然氣能量的測定》規(guī)定天然氣能量值的計算方法為，在相同參比條件下，分別測量和計算天然氣單位體積的發(fā)熱量和某一時間段內(nèi)通過的天然氣的體積，兩者的乘積就是輸送段時間內(nèi)通過儀表的天然氣累計發(fā)熱量。計算公式為[1]：

E=HQ

E：天然氣能量，MJ;

H：天然氣的標(biāo)況體積發(fā)熱量，MJ/m3

Q：天然氣的標(biāo)況體積，m3

讓氣體渦輪流量計顯示能量值的方法是用單位時間內(nèi)的標(biāo)況體積乘以高位發(fā)熱量，然后對該值進行累積。（標(biāo)況：101.325kPa，20℃）

4 氣體渦輪流量計能量計量功能研發(fā)

制作氣體渦輪流量計樣機，采用氣體渦輪流量計基表，結(jié)合現(xiàn)有溫度傳感器、壓力傳感器、流量檢測、按鍵、液晶顯示、RS485/Modbus通信，使用SGERG-88方法對天然氣的壓縮因子進行計算，增加原流量積算儀計算程序，在現(xiàn)有瞬時工況流量、標(biāo)況流量、體積累量顯示的基礎(chǔ)上增加能量值計算及顯示功能。

4.1 嵌入式軟件程序編寫及改造

進行氣體渦輪流量計主板（圖3）功能程序編寫及改造，通信協(xié)議、操作菜單設(shè)計，完成了氣體渦輪流量計能量計量功能研發(fā)和與計量系統(tǒng)RTU的通信協(xié)議的對接和聯(lián)合開發(fā)。

4.2 完善軟件功能

開展氣體渦輪流量計樣機制作和按表1開展系統(tǒng)內(nèi)部測試及嵌入式程序測試、修訂，完善試驗用氣體渦輪流量計軟件的能量計量功能。

4.3 樣機測試

將改造后的氣體渦輪流量計樣機送中國測試技術(shù)研究院進行型評測試及能量計量功能驗證，取得測試合格報告。為確保試驗樣機各部件性能完好性，同時對樣機的壓力傳感器進行了檢定和溫度傳感器進行了校準(zhǔn)。

4.3 樣機的現(xiàn)場安裝調(diào)試

將測試合格的兩臺樣機安裝到工藝管道現(xiàn)場，下發(fā)在線色譜分析儀實時分析的天然氣組分、高位發(fā)熱量至樣機，完成流量計實時能量計量結(jié)果與工況流量、溫度、壓力同步采集和組態(tài)。

4.4 數(shù)據(jù)分析

讀取兩臺樣機流量計上傳工況瞬時流量、溫度、壓力，以及組分信息，運用PC端計算軟件獲得瞬時標(biāo)況流量和瞬時能量流量，與流量計自身計算瞬時標(biāo)況流量和瞬時能量流量進行長達3個月的比較，結(jié)果表明瞬時能量流量的相對誤差均小于0.05%。

5結(jié)論

綜上，結(jié)合現(xiàn)有氣體渦輪流量計工作原理，對流量計進行了升級改造，完成具有能量計量功能的氣體渦輪流量計樣機制作，流量計樣機具備在體積修正儀完成能量值計算和顯示的功能，經(jīng)中國測試技術(shù)研究院測試合格。

通過分析連續(xù)3個月的氣體渦輪流量計樣機現(xiàn)場安裝獲取的能量計量相關(guān)數(shù)據(jù)，通過上述方法改造后的氣體渦輪流量計進行能量計量是可行的，設(shè)備運行穩(wěn)定可靠。

參考文獻

[1]GB/T 22723-2008 《天然氣能量的測定》[S].