天然气输气管道工程中计量系统的设计综述

郭 亮

(大庆油田工程有限公司，大庆 163712)

0 引言

随着西气东输一线管道的投运，国内天然气工业的发展十分迅猛，尤其天然气输气站(分输站或计量站)计量系统的设计技术发展更快。目前，国内中石油、中石化、中海油及各个省市燃气公司所采用的天然气输气站的计量系统大多都是以西气东输一线管道的设置模式为基础，通过近十年的发展演变，已日趋成熟，与目前欧美发达国家采用的天然气输气站计量系统基本相同。

天然气输气站主要由进出站阀组、过滤分离系统、计量系统、调压系统、气质测量系统、自用气橇以及辅助设施组成(有的设有加热系统)，其中进出站阀组还包括收发球筒系统、ESD紧急切断阀系统等。下面对有关天然气计量系统的设计要求进行总结归纳。

1 基本设计原则

在天然气输气管道工程设计中，计量系统的设计专业性强，设计人员应掌握国家、行业有关标准规范，具有丰富的设计经验，熟悉天然气输气站场的工艺流程、流量测量原理及配套仪表的性能和选型。其计量系统的基本设计原则如下：

1)计量系统的设计必须符合《中华人民共和国计量法》、《天然气计量系统技术要求》GB/T 18603、《输气管道工程设计规范》GB 50251、《石油天然气工程设计防火规范》GB 50183及其它有关国家行业标准和规范，满足系统安全防火、计量准确和性能稳定的要求。

2)所选用的计量器具应具有国家技术监督部门颁发的计量器具型式批准证书或计量器具制造许可证。

3)计量器具在投运前，应进行首次检定；在使用过程中，应依据相关检定规程进行周期检定。

4)计量系统应根据站场地理环境和气候条件选择露天、半露天或室内安装方式。

5)进、出站道路的设计应考虑移动式流量标准装置的转弯半径和载重量对道路的要求，并考虑安全距离和消防通道的要求。

6)在工艺系统设计中，应注意避免脉动流和振动，使得弯头、三通、大小头和有关扰流设备尽量远离天然气流量计[1]。

7)在天然气输气站设计中，为了确保流量测量的准确可靠，应优先选用轴流式压力调节阀或流量调节阀。当调节管路的噪音高于80dBA时，应在设计中考虑降噪措施。

8)计量系统应按《爆炸性环境》GB 3836进行分级，在危险区域内，任何电气设备的防爆等级都应符合GB 3836的规定，具有防爆证书。

9)计量系统应依据有关设计标准，采取有关措施进行防雷、防静电、防电磁干扰、防振动性和防噪声等设计，设置相应的接地，接地电阻应符合要求。

10)在天然气交接计量中，天然气的标准参比条件温度为20 ℃(热力学温度为293.15K)、压力为101.325kPa，也可采用双方所签订合同中规定的参比条件。

11)计量系统的设计参数或显示输出的变量应采用我国法定计量单位，体积流量为m3/h，质量流量为kg/h，能量为kW·h或MJ，密度为kg/m3，压力为kPa或MPa，温度为 ℃。

2 计量系统设计

计量系统通常是天然气输气站中的核心部分，其它部分都是其辅助部分。目前，计量系统一般主要由工艺系统、测量仪表和控制系统三部分组成。

2.1 工艺系统的设计

工艺系统主要是由前、后汇气管和几路并联的流量计测量管路组成，每路流量计测量管路是由前后截断球阀、流量计、前后直管段、整流器、压力和温度变送器等组成，还包括与前截断球阀并联的入口压力平衡阀管路，放空阀管路。在前、后汇气管上还设有排污阀和压力表等。

2.1.1 汇气管设计

当测量仪表的规格选型确定后，就应开展工艺系统的设计。首先根据输送测量的天然气流量大小，计算确定汇气管的尺寸，一般汇气管主管内的流速应不超过10m/s及支管流速应不超过20m/s，汇气管的支管直径与主管直径的比值应≤0.50(最大不超过0.7)。为了防止天然气流经汇气管时产生扰流，汇气管的主管和支管之间的连接处应为圆滑过渡，汇气管应采用热拔工艺，按《固定式压力容器》GB150进行制造、检验和验收，其内表面应进行喷砂和打磨，内表面应光滑，不允许有焊瘤、焊疤痕和氧化皮。当支管直径与主管直径之间比>0.7时，汇气管可采用三通与主管对焊制作方式，其它部分支管仍然采用热拔工艺制造。

2.1.2 整流器和直管段要求

对于超声、涡轮等速度式流量计，为了保证管道内流体的流态达到充分发展状态，应配置一定长度的前、后直管段，并与流量计同心、同径，直管段按技术要求加工制造。直管段长度按照流量计供货商的要求或者参照相关流量计的使用标准进行配置。通常，在前直管段10D处安装整流器，根据流量计的种类选用板式整流器或管束式整流器。

2.1.3 截断阀门选用

在几路并联的流量计测量管路中都设有前、后两个阀门，另外在比对流程和检定口处也设有阀门，这些阀门应为密封性能好、零泄露的全通径(等径)球阀。如果投资允许，建议在每路并联的流量计测量管路的下游、比对流程和检定口处设置强制密封球阀。

2.1.4 计量系统成橇要求

计量橇是指把计量系统整体集成安装在一个钢结构平台橇座上，可以确保流量计测量管路的设计、安装满足要求，但是成橇具有投资高、运输困难等缺点。在西气东输一线设计中，计量系统都是采用成橇从国外引进方式。近年来，国内在计量系统设计中，有些采用国内成橇或者不成橇设计。所以，应对投资、时间、运输和地质条件以及设计、安装施工人员等因素进行全面分析和综合考虑，确定计量系统是否成橇。如果流量计口径≥DN300时，建议不成橇。

对于成橇的计量系统，应设计整体基础。不成橇的计量系统，汇气管、阀门、直管段和流量计的支撑基础应进行专业处理，避免基础下沉和倾斜。

2.1.5 在线实流检定(校准)接口的设置

1)当输气站的设计压力≤10MPa，输气量≥5×104m3/h或流量计口径≥DN250时，宜设检定口。

2)当流量计口径≥DN250时，计量系统宜设置现场流量计比对流程。在多路并联的计量管路中，只选用1路作为比对回路，在其下游管路上设置检定口，其它回路都可分别与其串联。

3)用于检定口切断的阀门，应采用零泄露、密封性好的全通径强制密封球阀。

4)在检定口的尺寸设计时，宜参考所用国内现有的移动式流量标准装置的进、出口口径、中心距和高度尺寸。

5)检定口与移动式流量标准装置之间的连接管线应尽量短，弯头、变径管不宜过多。

6)在检定口附近应设置防爆仪表接线箱，以便移动式流量标准装置将现场流量计处的有关测量信号进行采集。

7)在检定口附近应设置电力接线箱和接地系统，以便给移动式流量标准装置进行配电和接地，其配电要求为380VAC、15kW。

2.1.6 其它方面

1)计量系统上应有多路并联流量计测量管路，其中至少1路为备用。

2)在计量系统中应设置放空管路，在前、后汇气管上应设置排污管路。

3)对于口径≥DN300的流量计管路，建议在流量计后直管段下游安装管路伸缩器或采用其它方式以方便流量计的安装和拆卸。

4)流量计、前后直管段、阀门和汇气管等都应采用法兰连接形式，法兰密封面应选用突面法兰连接方式。

5)在输气站投产初期，应在涡轮流量计、腰轮流量计上游单独加装临时过滤网，以免颗粒杂质损坏流量计。

6)站场内道路的转弯半径应≥12m，站外道路交通条件也应良好，满足移动式流量标准装置车的正常通行。

7)在现场检定时，移动式流量标准装置不能占用站内消防通道，其站内停放处的道路宽度应≥7m，其道路承载重量应≥20t。

2.2 测量仪表的设计选用

测量仪表主要包括流量计和配套的流量计算机、压力和温度变送器等，在必要的情况下，还应配有气相色谱分析仪表等。

2.2.1 流量计选用

近年来，在国内外天然气长输管道工程中，主要采用涡轮流量计、超声流量计、孔板流量计、质量流量计、旋进旋涡流量计、涡街流量计和腰轮流量计等。

在流量计选型时，应根据各种流量计的优、缺点以及流量范围、操作压力、流动状态、介质洁净程度、物性参数、环境条件、检定条件和工程投资等因素综合考虑。选用的流量计在正常运行条件下，应性能稳定、计量准确。

1)涡轮流量计。通常，在天然气流量较小、较干净时，可选用涡轮流量计；在流量变化较大时，则不宜选用。涡轮流量计的安装应远离脉动源或在脉动源后设置脉动衰减器。

为了防止误操作把叶轮吹坏，应设置压力平衡阀或者在涡轮流量计下游直管段后设置限流孔板(喷嘴)。高压差管路中，不应快速开启涡轮流量计的上游截断阀，而应先打开压力平衡阀，再打开上游截断阀。

2)超声流量计。超声流量计应选用时间传播法的多声道超声流量计，对于大流量或流量变化大的条件宜选用超声流量计。在设计时，应考虑振动、噪声对超声流量计性能的影响，必要时，可采用T型头等降噪措施。

为了便于今后对超声流量计进行声速核查，所选用的超声流量计应具备声速检验所需的各项功能。

目前，国内在天然气输气管道工程中，超声流量计和涡轮流量计使用数量最多，通常口径≥DN150以上时选用超声流量计；口径≤DN100以下时选用涡轮流量计。

3)标准孔板流量计。近年来，在天然气管道工程中标准孔板流量计的应用越来越少，一些老的输气站场正逐渐的用超声或涡轮流量计将其替换。

4)其它流量计。质量流量计应选用科里奥利型，其在中高压、中小口径和城市燃气计量中应用较多。安装时，质量流量计的两端法兰间不应有安装应力；旋进旋涡流量计适用于中低压流量计量，在小流量、压力变化较大的民用天然气测量中应用较多；涡街流量计分辨率低，不适用于低流速、小口径流量计量；腰轮流量计适用于中低压、介质干净的流量计量。

2.2.2 流量计算机的选用

通常，流量计算机与流量计是一对一配置，负责将流量、温度、压力和组分等测量信号进行采集、处理及流量补偿计算，并通信上传至控制系统或调控中心。流量计算机应获得法制机构的认证，例如国家质检总局或国际法制计量组织等计量认证，才能用于贸易计量。

2.2.3 温度和压力测量仪表选用

1)温度测量仪表

温度变送器用于温度的准确测量，双金属温度计只用于温度的监测。双金属温度计应安装在温度变送器后，并与温度变送器垂直交叉安装。在高压天然气测量系统中，可不设置双金属温度计。

在标准孔板流量计测量系统中，温度变送器应符合《用标准孔板流量计测量天然气流量》GB/T 21446的使用要求。除孔板流量计以外，应在流量计下游直管段上安装温度变送器，测温孔设在流量计下游距法兰端面2D～5D之间。对DN50和DN80的测量管路，温度变送器套管宜按迎流45°方式安装，插入深度到管中心；对于口径≥DN300的管道，套管插入深度宜为75～125mm。保护套管连接方式应采用法兰或焊接连接，在每个保护套管内应注入硅油。

2)压力测量仪表

压力变送器用于压力的准确测量，压力表只用于压力的监测。压力变送器应选用电容式绝压压力变送器。

2.2.4 组分分析仪

在一些天然气输气站中，设有在线气相色谱分析仪、在线水(烃)露点测量仪和在线硫化氢测量仪。对于天然气流量计算，需要用天然气组分计算出压缩因子、密度和热值等参数，所以本文只对在线气相色谱分析仪提出要求。

1)在线气相色谱分析仪是用于测量天然气的组分，应设置在计量系统的入口管线或者输气站的进站管线处，安装时应尽量靠近天然气流量计。

在输气管道的首站、新气源接入站、输气量≥10×104m3/h(标况流量)的输气站或者供需双方在合同中要求的输气站时，可以设置在线气相色谱分析仪。

对于没有安装在线色谱分析仪的站场，可使用相邻输气站的天然气组分值。

2)分析小屋的要求

当输气站内设有在线气相色谱分析仪、在线水(烃)露点测量仪或在线硫化氢测量仪时，可把这些气质测量仪表都安装在分析小屋内。分析小屋及电气部分应按有关标准进行防火防爆设计，并设置防爆通风机，必要时可设防爆空调。在分析小屋内应设置可燃气体、硫化氢(必要时)探测和报警系统。

3)天然气取样口和取样器的设置

在输气站应设置离线取样口，以便在线取样进行离线分析。取样口应设置在靠近分析仪表的取样口处，并采用专用取样探头。在有合同要求的输气站或国际贸易的输气站内，可设置累积取样系统。

2.3 控制系统的设计

控制系统主要包括二个部分，一是与流量计算机之间进行测量数据的采集通信，由流量计算机负责将流量、温度、压力和组分等信号进行采集、计算，将计算结果上传至控制系统；二是对站场内电动阀门进行操作控制，实现流程切换，以及站场进出口处的压力、温度和ESD等信号进行采集处理、监测控制，还包括把有关计量数据、控制数据和状态参数上传至调控中心。

3 结论

国内天然气输气管道工程计量系统的设计经历了十年的发展演变，已比较完善，技术水平与国外发达国家相当。在天然气计量系统设计中，天然气流量计及配套测量仪表的选用、流量测量管路的设置、工艺系统设计、计量系统成橇与否等内容都是设计的核心。计量系统的合理设计，对于确保流量测量系统的准确可靠，减少工程投资、缩短建设周期都具有重要意义。

[1] 郭亮.西气东输南京计量测试中心的设计实践与思考.2010′中国油气计量技术论坛论文集.中国计量协会石油计量分会编，2010年5月