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天然气输气系统流量计量撬检定方法和问题

时间:2018/05/02来源:未知

首先简要先容了天然气输气系统计量撬的结构组成和工作原理,然后根据国内外天然气计量标准和检定规程确定计量撬的检定方法,其中的问题并提出解决问题的思路。

引言

天然气作为一种优质能源和化工原料,由于其污染小、储量大在全球注重节能减排的新形势下,越来越受到人们的重视,相应地天然气的计量也受到人们重视。我国天然气可采资源总量为14-22万亿立方米,其中2020年前可勘探利用的资源总量为14万亿立方米,2020-2050年可勘探利用的资源总量再增加8万亿立方米,达到22万亿立方米。天然气资源总量位列世界第五位,亚洲位。随着我国天然气的年产量增加,天然气输气管道也在快速增加,如大型的有西气东输一期、西气东输二线、陕京一线、陕京二线、忠武线、涩宁兰线,川气东输线等等,现已达到约3.3万公里。

虽然天然气的产量和输气系统在快速地发展,但仍难以满足日益增长的需求,每年冬天的气荒可见一斑。人们对天然气的计量是越来越重视,这样天然气输气系统的计量撬(metering skid)这个专业名词出现大众视野中。

计量撬是指把与计量有关的计量仪表、微机系统、前后直管段、各类阀门、过滤系统以及相应辅助设备集成安装在一个钢制平台上,可以在生产厂家组装调试后再运输到生产现场的一整套计量系统。计量撬在天然气输气系统中起着极其重要的作用。

1、贸易交接

天然气输气系统都是长约几百至几千公里,跨域几个省区,几十个城市,承担着给这些城市供气的重任。各分输站和末站都有计量撬来担负计量的重要职责以便贸易结算。

2、泄漏检测

天然气输气系统有时会发生天然气泄露,为了便于输气干线天然气动态泄露检测与泄漏点定位,在一些重要场站的站内管线上安装有计量撬。

3、场站自用气计量

天然气输气系统场站自用气调压计量撬对压气站压缩机组、燃气轮机、燃气发电机与场站生活用气进行计量。

4、实时计量

有助于输气企业优化管线的运营,***大限度地提高输气系统的输送能力。

5、能源计量

除此以外,计量撬还有许多重要作用,诸如帮助天然气企业对其进行经济分析、降低运行成本。

1 计量撬结构组成和工作原理

1.1 计量撬结构组成

各种计量撬因用途不同,组成也不尽相同,但主要的组成部分都是相同的。天然气输气系统的计量撬主要由流量计(现在国内主要为超声流量计和涡轮流量计)、压力变送器、温度变送器、分析小屋(主要有在线气相色谱分析仪)以及各类阀门组成。计量撬结构示意图和实图如图1所示。

1.2 工作原理

从国内外来看,天然气输气系统计量撬中的流量计绝大部分为超声流量计和涡轮流量计,如Daniel企业的超声流量计和Elster的涡轮流量计。国内的天然气输气系统中管道口径DN20mm时采用超声流量计,管道口径DN200mm时采用气体涡轮流量计。下面就这两种计量撬分别先容它们的工作原理。

图1 计量撬实图

图1 计量撬实图   下载原图

 

(1)超声计量撬

超声流量计的测量原理很多,有:传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法、旋涡法、相关法、流速-液面法。在天然气输气系统计量撬用的是传播速度差法中的时差法。

超声流量计将测到的工况流量qm上传给流量计算机或PLC,与此同时计量撬上的压力变送器、压力变送器、在线气相色谱分析仪将管道内天然气压力Pm、温度Tm、气质组分也上传至流量计算机或PLC。流量计算机或PLC可以根据天然气气质组分计算出工况天然气压缩系数Zm,则天然气瞬时流量在标准状况下为

 

计算公式

 

式中:

qs为标准状况下瞬时流量,m/h;

qm为工作状况下瞬时流量,m/h;

PS为标准状况下压力,其值为0.101325MPa;

Pm为工作状况下压力,MPa;

Ts为标准状况下热力学温度,其值为273.15K;

Tm为工作状况下热力学温度,K;

Zs为标准状况下天然气压缩系数;

Zm为工作状况下天然气压缩系数;

(2)气体涡轮计量撬

天然气输气系统计量撬中场站自用气计量撬的流量计绝大部分都是气体涡轮流量计。与超声计量撬相比,涡轮计量撬进气一端多了几级调压阀,每个调压阀后又有一个电加热装置。气体涡轮计量撬工作原理如下。

当被测天然气通过进气端,经三级调压、加热后进入气体涡轮流量计,天然气通过导流器冲击涡轮叶片,由于涡轮的叶片与流体流向有一倾角,流体的冲击力对涡轮产生转动力矩,使涡轮克服机械摩擦阻力矩和流体阻力矩而转动。实践表明,在一定的流量范围内,对于一定的流体介质粘度,涡轮的旋转角速度与通过涡轮的流量成正比。涡轮的旋转角速度一般都是通过安装在传感器壳体外面的信号检测放大器用电磁感应的原理来测量转换的。

在某量范围和一定粘度范围内,涡轮流量计输出的信号脉冲频率f与通过涡轮流量计的瞬时体积流量成正比。即

 

计算公式

 

式中:

f为涡轮流量计输出信号脉冲频率,HZ;

qm为涡轮流量计瞬时体积流量,L/S或m/s;

K为涡轮流量计的仪表系数,1/L或1/m;

在涡轮流量计的使用范围内,仪表系数应为一常数,其数值由实验标定得到。由式(2)可得涡轮流量计的体积流量

 

计算公式

 

涡轮流量计将测到的工况流量qm上传给流量计算机或PLC,与此同时计量撬上的压力变送器、压力变送器、在线气相色谱分析仪将管道内天然气压力Pm、温度Tm、气质组分也上传至流量计算机或PLC。流量计算机或PLC可以根据天然气气质组分计算出工况天然气压缩系数Zm,则天然气瞬时流量在标准状况下为

 

计算公式

 

式中:

qs为标准状况下瞬时流量,m3/h;

qm为工作状况下瞬时流量,m3/h;

Ps为标准状况下压力,其值为0.101325MPa;

Pm为工作状况下压力,MPa;

Ts为标准状况下热力学温度,其值为273.15K;

Tm为工作状况下热力学温度,K;

Zs为标准状况下天然气压缩系数;

Zm为工作状况下天然气压缩系数;

由以上可见,两种计量撬除了流量计的计量原理不同以外,其他的工作原理都大同小异。

3 天然气输气系统计量撬的检定方法及现状

现在国内外对天然气的需求量越来越大,天然气的价格也越来越昂贵,故供需双方对天然气输气系统计量撬的准确度要求越来越高。再加上天然气输气系统都具有高压、大口径、大流量、大变化流量,这都给计量撬的检定带来了困难。

3.1 计量撬检定方法依据

计量撬生产厂商对计量撬的标定是首先对压力变送器、温度变送器、流量计、气相色谱分析仪分别标定,然后把计量撬组装起来调试,然后再实流标定直到达到准确度要求。

计量技术机构对天然气输气系统计量撬的检定要有相应的检定规程或者标准,现在国内外还没有特别针对计量撬的检定规程或标准,但是有许多关于天然气计量的标准可以参考。如有EN1776:1998Gas Supply Systems-Natural gas measuring stationsFunctional requirements(欧洲标准EN1776:1998“供气系统:天然气测量站的基本要求”)、OIML TC8/SC7IR Measuring Systems for fuel gas(国际法制计量组织国际建议“燃气计量系统”)、GB/T18603-2001“天然气计量系统技术要求”、GB/T18604-2001“用超声流量计测量天然气流量”、EN12261:2002 Turbine gas meter(欧洲标准EN12261:2002“气体涡轮流量计”)、GB/T21391-2008“用涡轮流量计测量天然气流量”。

国内外现在流量仪表的检定方法一般有直接测量法和间接测量法两种方式。直接测量法也称为实流标定法,是以实际流体流过被检定流量仪表,再用别的标准装置(标准流量计或流量标准装置)测出流过被检定仪表的实际流量,与被检定仪表的流量值作比较。实流标定法获得的流量值既可靠又准确,是目前许多流量仪表检定时所采用的方法,也是目前建立标准流量的方法。间接测量法(又称干法标定)是以测量流量仪表传感器的结构尺寸或其它与计算流量有关的量,并按规定方法使用,间接地校验其流量值,获得相应的准确度。

根据JJG1030-2007“超声流量计检定规程”,超声流量计可以实流标定也可以干法标定,但是对于天然气输气系统计量撬中的超声流量计来说,现在的干法标定技术还不成熟,精度等级不够,所以现在还只能用实流标定。且JJG1030-2007中7.1.2.3规定:对工作压力在0.4MPa及以上的流量计,管道内气体的压力不低于0.1MPa,并尽量使其与实际使用条件相一致。

根据JJG1037-2008“涡轮流量计检定规程”,涡轮流量计只能实流标定。欧洲标准EN12261中5.2.1.2规定:对于特定在高于4bar压力范围内测量的仪表,其示值误差实验应用在测量条件下进行。实验至少须在制造商明示的较低压力和***高压力下进行。然而,当明示的***高压力高于50bar时,在50bar下的实验是可以接收的。

3.2 计量撬的检定方法

参考以上标准,经过仔细分析后可得出天然气输气系统计量撬的检定方法如下:

(1)根据JJG882-2004“压力变送器检定规程”对压力变送器进行检定,记录数据。

(2)根据JJG(陕)02-2008“一体化温度变送器”对温度变送器进行检定,记录数据。

(3)根据JJG700-1999“气相色谱仪检定规程”对天然气输气系统中的天然气气质组分进行分析,并记录数据。

(4)根据GB/T18604-2001“用超声流量计测量天然气流量”或GB/T21391-2008“用涡轮流量计测量天然气流量”对超声流量计或涡轮流量计进行检定(高压状态下),并记录数据。

(5)根据JJG1003-2005“流量积算仪检定规程”,给流量计算机用标准模拟器输入数据,并记录数据。

(6)根据压力变送器、温度变送器、气相色谱分析仪、流量计的误差合成计量撬的误差,并计算其不确定度。

3.3 计量撬检定方法分类

计量撬检定方法按工作的场地分,有“离线”实流标定和“在线”实流标定两种形式。离线实流标定就是将被校仪表安装到实验室的流量标准装置上,在参比条件(规定的标准工作条件)下获得仪表流量测量范围及其基本误差;在线实流标定就是仪表在现场使用位置,并在现场以合适现场校验的流量标准装置(如标准流量),不一定完全符合参比条件下校验流量仪表。

3.4 检定能力现状

从天然气输气系统计量撬检定方法中不难看出,计量撬检定的难点是高压实流标定超声流量计和涡轮流量计。为了解决这一难题,国内外相继出现许多实流标定实验室和移动标定车。国际上主要高压大流量天然气流量标准装置测试能力表如表1,国内主要高压大流量标准装置测试能力如表2。

表1 国际主要高压大流量天然气流量标准装置测试能力表    下载原表

表1 国际主要高压大流量天然气流量标准装置测试能力表

表2 国内主要高压大流量标准装置测试能力    下载原表

表2 国内主要高压大流量标准装置测试能力

4 计量撬检定存在的问题及解决办法

4.1 存在的问题

天然气输气系统计量撬的检定是近几年才出现的新课题,也是急需解决的难题。现在要对其进行检定存在以下一些问题。

(1)缺乏高压流量标准装置。

现在全国只有石油天然气大流量计量站、成都分站、南京计量测试中心有高压流量标准装置,其他地方都还没有。

(2)检定费用高、周期长

现在西北地区的计量撬检定的话,存在所需费用高、周期长的问题,这些问题都会影响到天然气输气系统的正常运行。

(3)协调不便

要对计量撬进行检定,还必须对在线气相色谱分析仪进行检定。这样就要和化学计量测试中心进行协调,来共同完成检定任务。

4.2 解决办法

针对以上问题,初步构想如下办法来解决。

(1)建立高压流量装置

a.与天然气企业合作在天然气输气管线上建立实流检定站。

b.建立闭环式高压管道。

c.购置高压移动式检定车。

(2)购置移动式检定车

移动式流量检定车可以很好地解决企业检定费用高、周期长,影响运行等问题,提高检定效率。

(3)流量检定员考取气相色谱分析仪检定员证

流量检定员考取气相色谱分析仪检定员证,就可以解决协调不便的问题,提高检定工作效率。

天然气输气系统计量撬的检定不仅在我院是个全新的课题,在我国也是个全新的课题。天然气输气系统计量撬的检定方法和天然气孔板流量计的检定方法有很多相同的地方,在这方面我中心积累了丰富的检定经验。但是还有一定的区别,大家需要不断地向国外的实流标定实验室及南京计量测试中心学习,以便做好计量撬的检定工作。为西北地区的天然气企业提供高质量的服务。


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