天然气流量计量及仪表选型

0引言

随着天然气的广泛使用，各种不同使用状况和需求对流量计量的要求有很大的差别，同时，由于气体的可压缩性，流量的测量，气体要比液体困难得多。若要求气体计量达到相当高的精度，则计量仪表的经济投入必然巨大。因此，合理选择测量方法及功能、特性、经济适用的流量仪表是非常必要的。以下就天然气的计量标准、测量方法及仪表选型进行实用性介绍。

1天然气计量标准及温度、压力修正方式

(1)天然气计量标准

天然气计量以体积表示，单位：m3。由于气体具有可以充满任意空间和可压缩性的特性，由气体状态方程式可知，作为计量用的标准体积，必须对压力、温度作出明确的统一规定，离开了状态谈论气体体积是没有意义的。

国家石油行业标准已明确规定以温度293.15K(20℃)，压力101.325kPa时的状态为天然气计量标准状态；凡是实际状态与此标准状态不相符时，均应按气体状态方程式进行修正。

式中：Qn---标准状态下的气体体积量，m3；
Q---工作状态下的气体体积量，m3；
t---工作状态下的气体温度，℃；
P---工作状态下的表压力，kPa；
Pa---测量时当地的大气压，kPa；
z---气体的压缩系数。

压缩系数z是随温度和压力而变化的，它与气体的工作压力P和气体的临界压力PC的比例(P/PC)、气体的工作温度T(K)和气体的临界温度TC(K)的比例(T/TC)有明确的函数关系。天然气的压缩系数z=1/F2z，超压缩因子Fz可在国家石油行业标准SY/T6143-1996中的附录Ａ中查出；在压力小于0.1ＭPa时，z=1。

天然气管网输配的实际情况是变化复杂的，常与标准状态不相符。故需采用一定的修正方式进行补偿修正。

(2)不同地区的固定人工修正系数

当无温度、压力自动补偿装置和压力记录仪时，并在使用压力波动不大时，可根据各地区大气压不同(北京为101.32kPa，重庆为98.32kPa，上海为101.61kPa，拉萨为65.18kPa)和温度不同制定出当地适用的固定人工修正系数K固参考表。

按(1)式可得：

式中：KT---平均温度修正系数；
KP---平均压力修正系数。

在确定的地区和一个时期内(冬季或夏季或全年)，平均温度t和平均大气压Pa可为常数；而z随P变化，故K仅随P变化。由此可列出K-P关系的当地系列压力修正系数参考表，根据实际压力P(由表前压力计近似读取)直接查出K固，即可按下式求出标准状态下的体积流量：

Qn=K固×Q

式中：Q---流量仪表的指示读数，m3

(3)采用压力记录仪人工定时修正系数

在流量仪表前安装压力记录仪，连续记录气体在24小时内的压力。将压力记录仪的起点调到当地大气压，采用100%圆图刻度记录纸，用算术平均法或相当半径法(比例求积仪)，求出静压平均格数ＸP，则：

式中：Pmax---压力记录仪上限值，kPa。

采用温度计，每隔2小时记录一次温度，算出当日平均温度，由此可求得KT，按(2)、(3)式即可得Qn。

(4)电子修正积算器

用微电子处理技术对采集的信号进行处理和计算，以实现对被测体积的精确修正。采集来自气体流量仪表的脉冲讯号，根据设定的脉冲当量值计算出未经修正的实际流量体积Q，并与测得的工况压力P(设定平均压力固定值或压力传输器引入的被测当前压力)、工况温度T(设定平均温度固定值或温度传感器引入的被测当前温度)、压缩ｚ(设定为固定值或输入公式自动计算)、当地大气压Pa，按(1)式进行软件设计，使其自动计算出标准体积。它可与气体涡轮流量计、腰轮流量计、漩涡流量计、膜式煤气表等配合使用。

2天然气标准孔板流量计及配套装置

标准孔板测量流量是当气体流经孔板时，其前后产生的压力不同，通过此压力差来计算流量。标准孔板是符合GB/T2624-1993的标准节流装置(标准孔板、喷嘴、文丘利管)的一种，有可靠的实验数据。根据GB/T2624-1993设计、加工、安装的标准孔板不必单独校准或标定。

(1)节流装置的流量计算公式：

式中：Q---工作状态下的体积流量，m3/ｓ；
ε---可膨胀性系数；
△P---节流件前后的压差，Pa；
ρ---节流件上游侧一定温度、压力下的密度，kｇ/m3；
ｄ---节流件开孔直径，m；
β=ｄ/Ｄ---节流件的直径比，Ｄ为管道内径，m；
C---流出系数。与工作状态下流束的摩擦阻力、涡流损失、收缩情况和取压孔位置有关的修正系数，可采用实验方法求得或用Stｏｌｚ方程计算给出。

(2)天然气标准孔板流量测量的实用公式

天然气采用标准孔板进行流量计量时，可按SY/T6143-1996进行流量计算，其标准体积流量计算的实用公式：

式中：Qn---标准状态下天然气体积流量，m3/ｓ；
ＡS---秒计量系数，视采用计量单位而定，此式ＡS=3.1794×10-6，若以小时Ｈ为单位，需乘上3600。
C---流出系数；
Ｅ---渐近速度系数，

ｄ---孔板开孔直径，mm，ｄ=ｄ20[1+λｄ(t-t20)]，ｄ20和t20分别为20℃±2℃时孔板开孔检测直径(mm)和室内温度(℃)，λｄ为孔板材料的线膨胀系数(mm/mm.ｃ)，t为天然气流过孔板时的温度(℃)。 [p]
FG---相对密度系数，，Gｒ为真实相对密度；
P1---孔板上游侧取压孔气流绝对静压，ＭPa；
△P---气流流经孔板时产生的差压，Pa；
ε---可膨胀系数，ε=1-(0.41+0.35β4)，k为等熵指数；
Fz---超压缩因子，zn和z1分别为标态下和流态下的压缩系数；
FT---流动温度系数，

式中C、ε、λｄ、Gｒ、FG、FT、Fz、z1等参数均是对实际工况转换为标准状态的修正系数，其具体数据可查该标准的相关附录表。

(3)天然气用标准孔板计量的流量积算

a)用双波纹管差压流量计积算

双波纹管差压流量计由测量孔板(差压、静压)和显示部分及附件求积仪组合而成，用100%圆图刻度记录纸(即开方卡片)来记录孔板的差压△P和静压P1，由求积仪算出当日流量，按(6)式，可得其实用公式：

取

X104

式中：Pmax(ＭPa)、△Pmax(Pa)分别为仪表静压、差压的上限值，ＸP、Ｘ△P分别为开方卡片记录的实际静压、差压的平均格数。

对于一台确定的计量装置，当天然气成分一定时，ｄ、Pmax、△Pmax、Gｒ可视为常数；当β值(即ｄ、Ｄ值一定时)一定的节流件在雷诺数较高的区域内使用时，C可视为常数；对于特定环境下，Fz(=1/z)值基本可视为常数(供气压力低于0.5ＭPa时，可取z约为1)；当用压力比较稳定，气量变化不很大时，则ε也可视为常数，由此K双在特定的情况下为常数。则：

根据此公式，可人工积算出一天的用气量。

双波纹差压计由于性能稳定性好，经济投入不大，常用于中、高压，大中流量的工业管线和总计量以及临时计量中，但因人工积算不便且积算精确受人为因素影响，现逐渐被较先进的仪表取代。

ｂ)微机流量计量装置

微机流量计量装置由孔板(或其它一次流量仪表和涡轮、漩涡等)、差压和压力变送器(或涡轮、漩涡变送器等)、温度变送器和工控式微处理器及其相应配套设施，将孔板的差压、压力、温度信号由变送器转换成模拟量4～20mＡ，经过Ａ/Ｄ转换器传送到已事先输入并严格按(6)式(或其它流量仪表变送器相应的计算公式)程序设计软件的微处理器内，从而通过显示器获得气体的流量；它可实现管道运行数据实时采样(每二秒一次或几秒一次)，比人工每小时采样精确很多，并可安装多套计量管线和多种流量仪表的信号，同时记录、运算和显示。其原理图如图1所示。

可接收来自孔板经压力、差压、温度变送器产生的4～20mＡ(或1～5Ｖ)模拟量信号(以及来自涡轮、漩涡等流量计的脉冲信号，频率量范围为0～5000Ｈｚ幅值12Ｖ)。可设计出显示瞬时流量、时和日月累计流量、差压和压力、温度及其上下限、密度、报警、记录参数更改的内容、时间以及压力、差压、流量曲线等多项功能。

3膜式煤气表和腰轮流量计

此两种仪表属于容积式流量仪表。其特点具有测量准确度高，量程比宽，被测气体的密度和粘度的变化对仪表示值和准确度影响小，对仪表前后直管段要求不高，但仪表传动机构复杂，制造要求高，关键件易磨损。腰轮流量计需定期清洗和添加、更换润滑油。

膜式煤气表工作原理：在仪表进出口的压差作用下，气体通过滑阀和分配室，使两个计量室的隔膜形成交替进排气的往复运动；各自往复进排气一次巡回体积为一额定值即一回转体积量(Ｖ1)；与此同时连接于隔膜主轴上的传动转换机构，将隔膜一回转的次数连续输入到计数机构，进行流量累计，从而显示出气体流出的总量。如图2所示。

腰轮流量计又称罗茨或转动流量计，当气体由进口流入，在进出口压差作用下，处于图3a位置时，腰轮Ａ上的合成力矩不平衡，故腰轮Ａ不能转动。而腰轮B上的合成力矩不平衡，故腰轮B按顺时针方向转动，同时把计量室内的气体排向出口，与此同时腰轮B转轴上的驱动齿轮带动了腰轮Ａ转轴上的驱动齿轮，使腰轮Ａ按逆时针方向转动，逐渐由图3ｂ位置到达图3ｃ位置，同样通过两腰轮上所受力矩和转动过程则形成图3ｄ位置，两腰轮如此主从交替转动，腰轮旋转一周就有四个如图中阴影部分容积的气体排出，通过腰轮的转数和齿轮减速系统，输入到指示机械从而显示出气体的总流量。如图3所示。

膜式煤气表大量用于居民用气，腰轮流量计常用于中压用户。两种仪表一般未带温度压力补偿装置，故需采取如前“计量标准”中所述三种修正方式之一进行补偿修正。当采用电子修正积算器时，需加装温度、压力、示值传感器，一是可在仪表出厂前预留信号管(压力、温度)和示值传感器；另外可在仪表现场天然气输配管线上引出压力、温度信号管并配相应传感器和示值传感器。

两种仪表可通过加装示值传感器实现数据远传，从而实现微机数据集中管理。

4气体涡轮流量计、卡门涡街流量计和旋进漩涡流量计

三种仪表均属速度式流量计。气体涡轮流量计特点是结构紧凑、准确度高、重复性好、量程比较宽、反应迅速、压损小，但安装使用(表前需安过滤器和整流器)和轴承耐磨性的要求较高；漩涡流量计是仪表内部无活动机件、寿命长、准确度高、量程比宽，但流速分布情况和脉动流、振动对测量有不同程度影响。

气体涡轮流量计工作原理：当被气体流经涡轮体时，气体推动带有螺旋形导磁叶片的叶轮旋转，当由铁磁材料制成的叶片旋经固定在壳体上的磁感应或信号检出器中的磁钢时，引起磁路中磁阻的周期性变化，并在感应线圈内产生近似正弦波的电脉冲信号，在涡轮仪表规定的流量范围内，脉冲信号的频率ｆ(Ｈｚ)与流速即流量成正比，将此脉冲信号经过积算显示部分运算、处理可显示出流量，如图4所示。

卡门涡街流量计工作原理：在流体管道内插入一根非线型的柱状物(圆柱或三角柱)，当气体流经并达到一定雷诺数范围内，柱状物的下游即产生两列不对称而有规律的交替漩涡，漩涡的频率ｆ(Ｈｚ)与流速即流量成正比，通过检出器、放大和转换器，可获得流体的流量。如图5所示。 [p]

旋进漩涡流量计工作原理：当气体沿着轴向进入流量计入口，螺旋锥体强迫流体旋转，形成漩涡流经文丘利管旋进、节流、加速，在中心轴线处形成高速旋转的涡核，到了扩散器，因压力的变化产生回流，使涡核转折偏离轴线，形成锥旋线进动。若仪表有关的几何形状和尺寸设计合理，检测点的螺旋漩涡进动频率ｆ(Ｈｚ)与流速即流量在很宽的流量范围内成正比，经过放大整形成电脉冲信号，传输至显示部分，即可运算出流体的流量。如图6所示。

三种代表的工况流量公式：

式中，K仪---仪表系数，它与仪表设计的具体形状、尺寸、检出点、生产工艺等多种因素有关，并需经检测标定。

结合(1)式和(10)式，三种仪表同样可采用如前所述的三种修正方式之一进行修正，从而获得标态下的流量。

除采用上述修正方式外，也可将(1)式、(10)式综合融进智能一体化设计，使仪表直接显示出标态下的流量，例如：智能旋进旋涡流量计，其结构图见图6，其流量积算原理图见图7；气体涡轮流量计和卡门涡街流量计均可按此结构形式和原理进行一体化设计。

5仪表选型参考表(如表1)