天然氣計(jì)量?jī)x表的研究現(xiàn)狀及特征分析

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。上海上儀四廠綜述了目前常見(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)天然氣計(jì)量?jī)x表選擇考慮因素和環(huán)境影響。

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(wèn)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(wèn)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(lái)。

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(lái)，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(guò)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(lái)研發(fā)高精度的天然氣計(jì)量?jī)x表。

1 天然氣的常見(jiàn)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(mén)開(kāi)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(kāi)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(jiàn)天然氣計(jì)量方式及優(yōu)缺點(diǎn)

在生產(chǎn)的過(guò)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(wú)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(lái)計(jì)量發(fā)展的趨勢(shì)。但是目前非常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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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)非常好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(shuō)，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(guò)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(guò) 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

（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(yǔ)

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，上海上儀四廠引進(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(lái)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。