我国天然气流量计量技术现状及发展趋势分析

苏 毅 骆科东

(中国石油规划总院 北京 100083 )

0 引 言

近年来，随着我国经济的快速发展、能源结构的优化调整、环境保护的大力推进，天然气在一次能源结构中的比例不断上升，其需求量逐年攀升，从而使得我国天然气工业进入了一个蓬勃发展的时期。传统的天然气管理调度模式已经不能适应新时期发展的要求，为了促进天然气贸易的发展，天然气流量计量越来越受到人们的重视。天然气流量的准确计量是天然气贸易交接公平进行的基础，同时也是进行经济效益计算、成本分析的依据，可以说流量计量的准确性直接关系到企业的经济效益和用户利益。因此，新时期天然气工业对天然气流量计量技术提出了更高的要求，具体体现在以下3个方面:

计量的实时性。流量计量的实时性是指能够快速准确地反应市场对天然气需求的变化，从而帮助企业合理安排生产，优化管输运行，最大化地提高企业经济效益。

计量的精确性。流量计量的精确性是天然气贸易公正公平进行的前提，同时也是优化天然气的库存量，减小天然气输差，避免输气监测争端，合理配置天然气供销的基础依据。

计量的经济性。流量计量的经济性是衡量天然气计量成本的经济指标，为了提高企业的经济效益，应采用先进的计量技术来降低流量计量成本。

1 国内外流量计量技术现状

天然气计量技术是对天然气流动过程中的流量进行测定的技术，一般通过间接测量法获得，测量的精度取决于整套计量系统的综合性能［1］。为了提高天然气流量计量的精确度，需要采用统一的技术标准对天然气流量计量系统进行综合管理，因此建立一套完善的计量标准体系是非常必要的。

天然气计量受多个因素的影响，因此与其相关的计量标准体系有很多，在诸多计量标准体系中，最重要的是天然气流量计量标准，其次还有一些特性参数计算和测量标准，如发热量、密度、组分、压缩因子等，同时还包括设计及安全、仪器仪表等相关标准。

1.1 国外流量计量主体技术

国外对天然气计量的相关技术研究较早，目前已经有一系列完整的计量标准体系和法规政策，同时也有很多先进的计量仪器。1998 年，ISO(International Organization for Standardization)发布了ISO 13686《天然气质量指标》［2］。这个标准对天然气质量必须要符合的3 个要求进行了明确的规定，包括安全卫生标准、经济利益标准和环境保护标准，同时还规定了天然气质量的测量方法、控制参数和测量单位等，如图1 所示。

图1 ISO 13686《天然气质量指标》图

按照ISO 13686 标准的要求，需要形成一套完整的天然气计量技术标准体系，其次还需要建立天然气取样分析标准，天然气组分在线、离线分析标准，硫化物、颗粒物、汞等微量组分分析标准，以及天然气的物性参数如发热点、密度、水露点、烃露点等的测量与计算方法标准，同时还需要建立非烃类、多组分烃、硫化物等天然气分析用气体标准物质体系，以及天然气组成分析系统性能评价体系，从而形成一条完整的量传溯源链。

流量计量标准方面，研究者们在进行了大量的实验和相关应用数据分析的基础上，先后建立了一系列流量计量标准，比较具有代表性的如天然气孔板流量计标准(AGANo.3)、气体涡轮流量计标准(AGA No.7)、气体超声波流量计测量天然气流量标准(AGA No.9)以及天然气压缩因子计算标准(ISO/DIS12213)等［3］，这些标准的建立对天然气计量技术的发展具有很重要的意义。表1列出了国外主要天然气流量检定装置的技术参数［4］。

表1 国外主要天然气流量检定装置技术参数

此外，OIML(International Organization of Legal Metrology)还发布了R140《气体燃料计量系统》标准体系［5］，该标准体系明确规定了天然气流量计量系统的准确度等级，及其相应等级下天然气的物性参数如质量、能量、体积、压力、温度、密度、压缩因子等的测量最大允许误差，见表2。

表2 OIML R140《气体燃料计量系统》

近年来，实流检定法在欧美等国家开始兴起，有许多实验室对此方法进行了研究，比较著名的有美国西南研究院(SWRI)、美国科罗拉多工程实验室(CEESI)、荷兰国家计量研究院(NMI)、英国国家工程实验室(NEL)、加拿大标定站(TCC)等，这种方法通过对天然气在接近实际工况下的状态参数和物性参数等进行量值溯源，来实现对天然气流量的检定。

1.2 国内天然气流量计量技术现状

1.2.1 流量计量标准

国内对天然气计量技术的研究始于上世纪80 年代，研究人员以国际现有标准体系为基础，同时结合国内具体发展要求，对天然气计量系统的技术要求、天然气产品质量的控制指标及其与之相配套的检测技术和方法等进行了大量的研究，最终形成了国家标准体系，即国标GB17820《天然气》和国标GB/T 18603《天然气计量系统技术要求》［6］，并在其基础上，形成了一套完整的测试技术与方法，以及相关的量传溯源体系。

GB 17820 作为天然气工业的统一标准，对管输商品天然气的技术指标和总体分类等进行了规定，具体指标见表3。表中列出的这5 项技术指标分别代表了环境保护、安全卫生以及经济效益等方面对天然气控制的技术要求;同时表中的一类气指标达到了国际标准，这为我国进口天然气的质量控制和测量提供了参考依据。

GB/T 18603 是在OMIL R140 标准体系和EN1776标准体系的基础上形成的计量站工作标准体系，它明确地规定了天然气计量系统新建或改造扩建等过程各个方面的技术指标［7］，见表4，同时还规定了计量系统配套仪表的准确度等级要求，见表5。

表3 GB 17820 -2012《天然气》技术指标

表4 GB/T 18603 不同等级的计量系统技术要求

表5 GB/T 18603 计量系统配置仪表准确度要求

此外，为了促进GB 17820 和GB/T 18603 的应用，我国又先后制定了50 多个国家和行业技术标准体系(见表6)，涵盖了天然气取样、能量测定、组分分析、流量检测、物性计算等各个方面，初步形成了以这两个标准为主导的质量和计量技术标准体系，从而实现了我国的天然气计量标准体系与国际接轨。

1.2.2 流量计量量传溯源体系

近年来，我国天然气流量量值溯源逐渐向实流检定靠拢，从而使得天然气实流检定技术发展迅速，目前国内主要的天然气流量量值溯源体系指标见表7。其中成都分站和南京分站的天然气流量原级(mt 法)标准，总体达到世界水平。

表6 天然气质量和计量标准一览表

表7 国内天然气流量量值溯源体系

与此同时，成都分站在原有基础上进行了扩容改造，改造后的成都分站流量量值溯源体系见表8。可见，扩容后成都分站增加了不确定度为0.05% ～0.076%的中低压原级标准装置，同时把音速喷嘴次级标准装置的不确定度由0.25%提高到0.20%，从而使成都分站的技术水平和能力达到了国际先进水平。

表8 改造后的成都分站流量量值溯源体系

此外，我国还研制了用于天然气分析的国家一级标准物质9 种、二级标准物质10 余种，初步形成了天然气分析量传溯源链，以此来确保天然气分析的准确性和溯源性。同时，为了满足多品种、多气源天然气发展的要求，中石油西南油气田正在建设的天然气分析标准物质体系制备系统能够完成少量组分不确定度优于0.5%的标准物质体系的研发。

1.2.3 天然气能量计量系统

天然气能量计量是通过天然气的体积流量测量和高位发热量测量间接获得的，而相应的能量计量系统主要包括流量计、热量计、组分分析仪以及流量计算机等。其中流量计用于测量天然气的体积流量，其类型主要有腰轮、孔板、超声波和涡轮等，而我国则主要以孔板流量计为主;热量计用于测量天然气的高位发热量，一般采用燃烧式量热计，其有两种形式:水流式和气流式。中国计量科学研究院的水流式热量计，不确定度小于等于1.0%(k=2)，而其新研制的氧弹法测量装置，不确定度小于等于0.6%(k=2);此外中石油正在研制的1 级测量装置，其不 确 定 度 为0.2% ～0.25%(k=2)，与ISO 15971 的1 级水平相当［8］。

目前，我国已经逐步完善了天然气体积流量测量和发热量测量的相关技术及其能量计量的配套技术，同时还建立了能量测量标准体系和天然气量传溯源体系。此外，为了进一步提高天然气能量计量的标准化，国家还制定了GB/T 22723《天然气能量的测定》［9］和与之相关的实施细则，并在中石油西气东输一线、二线和西南油气田等进行了实践应用，获得了大量的应用数据，同时丰富了实施经验，极大地推动了我国天然气能量计量的发展［10］。

2 我国天然气流量计量技术所面临的挑战

2012 年底，我国发布了《天然气发展“十二五”规划》［11］，预计到十二五末，我国的天然气输送管网将更加完善，其以川气东送、西气东输和陕京线等为主动脉，同时在全国范围内实现了天然气从生产、储存到消费等各个环节的互联互通，从而形成了完整的天然气输送网络，进一步保证了天然气供气的平稳性、安全性、多样性和充足性。

2013 年，国家又发布了2013 年～2020 年天然气计量发展规划［12］，预计到2020 年，我国天然气计量技术的发展将达到国际水平，计量标准体系和法制的建设将更加完善，天然气流量计量的实时性、精确性和经济性将进一步提高，基本满足了我国天然气工业发展的需求。

因此，纵观当下天然气发展的背景和趋势，我国天然气计量技术的发展将面临以下几个方面的挑战。

1)分析测试技术。目前，我国还没有专门对上游天然气及其微痕量组分等进行分析测试的技术和相关的标准体系。

2)量传溯源体系。我国的量传溯源体系还需要进一步的提高和完善，如需要提高天然气发热量测量装置的精度水平，需要进一步建立天然气分析用气体标准物质体系，以适应多气源、多品种天然气发展的需求。

3)天然气流量量值比对。目前我国没有积极进行天然气流量量值国际关键循环比对，因此未来需要进一步提高实验室数据的国际互认性。

4)流量检测。我国检流计的检测能力不能很好地满足天然气生产的需求，因此需要建立大口径检流计来进一步提高检测能力。

3 我国天然气流量计量技术发展趋势分析

我国天然气工业已经进入了一个快速发展的时期，随着天然气需求的不断增加，各公司在天然气市场中的竞争也在不断加剧，为了在激烈的竞争中获得优势，国有三大石油公司分别制定了新时期的天然气发展战略。然而在天然气工业发展过程中，天然气流量计量已成为制约其发展的主要因素，因此快速、精确、经济地对天然气进行计量不仅可以有效降低企业的成本，提高服务质量，而且还可以让企业在激烈的竞争中脱颖而出。所以，对天然气计量技术的发展趋势进行预测和研究，具有非常重要的现实意义。

综合分析表明，未来天然气计量技术将在以下五个方面继续发展。

3.1 计量方式的自动化、智能化和远程化

近年来，随着科技的快速发展，天然气计量正在向智能化、自动化和实时性方向发展，同时利用互联网技术可以实现天然气计量的远程控制和在线管理，如目前各大公司正在建设的SCADA 在线监测系统等。

在天然气流量计量系统中，流量计所获得的数据只是其所需数据的一部分，为了对天然气进行精确计量，还需要测量天然气的压力、温度、密度、气相色谱等，这些参数的测量一般由辅助仪表系统完成，同时还需要通过数据处理系统对测量数据进行处理、存储、传输以及发布等。因此，未来天然气计量系统将集成更多的系统，通过各系统间的协调工作实现天然气计量的实时性、精确性和经济性。

3.2 推动实施天然气能量计量，促进我国天然气计量方式转变

天然气的流量计量难以真实反映出天然气的能源价值，随着我国市场经济的不断完善和天然气贸易的国际化发展，各国对天然气贸易的公平性提出了越来越高的要求，而能量计量是目前公认的天然气贸易交接最公平的方法，因此天然气流量计量向能量计量转变是我国天然气计量发展的必经之路。

此外，为了推动天然气能量计量的发展，我国应大力开展天然气能量计量体系的研究和相关配套技术的研发，如提高天然气发热量测量装置的精度水平，建立天然气分析用气体标准物质体系等。

3.3 检定方式、量值溯源从静态单参数向动态多参数溯源发展

过去流量计的检定基本通过静态单参数法实现，然而由于天然气的流量参数具有动态性，使得流量溯源性成为制约仪表准确度最主要的因素。目前世界上还没有建立统一的流量量值实物标准，主要通过装置比对来实现流量量值的统一。然而由于流量量值比对装置的原级标准是一座流量标准装置，同时也是固定装置，其工作特点与流量计有很多不同，因此它并没有真正体现出天然气流量参数的动态特性。近年来实流检定技术获得了快速的发展，该方法通过对天然气在接近实际工况下的状态参数和物性参数如温度、压力、组分和流量总量等进行动态量值溯源，来实现对天然气流量的检定。因此，天然气流量量值溯源将逐步向实流检定方向发展。

3.4 进一步完善计量标准体系

完善健全的计量标准体系是天然气流量计量准确实施的基础和依据，在结合国际计量标准体系的基础上，我国的计量标准体系正在逐步形成，其内容也在不断的丰富和完善，并向多样化标准方向发展。此外，我国还应加强上游领域和非常规领域天然气计量标准的研究，推动科技的自主创新;同时我国还应重视国内标准的国际化推广，如编制多语言国家标准，以适应国际市场天然气贸易的需求;最后我国还应积极参加国际标准的修改和制定，以此来增强我国的国际影响力。

3.5 完善测量技术

我国应大力发展天然气测量技术，如天然气的取样、分析技术、天然气湿气测量技术、天然气微量有毒有害物质测试技术、天然气分析用气体标准物质体系制备技术等，这些技术是对天然气的质量进行控制和评价的基础，同时也是相关计量标准制定的技术依据。

4 结 论

天然气流量计量不仅是企业间进行贸易结算的重要依据，更是考核和提高天然气生产效率的重要技术指标。随着天然气工业的发展，如何快速、精确、经济地获取、处理和分析天然气计量信息将成为天然气流量计量技术的关键，它可以有效降低企业的成本，提高服务质量，从而使企业在市场竞争中获得更大的优势。因此，我国应大力加强天然气流量计量技术的研究，使其迅速地进步与完善，以促进天然气贸易公平进行，同时降低生产成本，提高其经济效益与社会效益。

［1］埃德加·鲍尔斯著，熊光德译. 21 世纪的天然气流量计量［J］.天然气与石油，2000，18(1):60 -64.

［2］ International Standards Organization， ISO/TC193 Work Group. ISO 13686:1998 Natural gas – Quality Designation［S］. Geneve:ISO，1998.

［3］宋艾玲，梁光川. 天然气计量技术现状及发展［J］. 计量技术，2006，3(1):20 -23.

［4］郭绪明，张福元. 浅谈建立天然气量值动态溯源体系［C］.全国流量计量学术交流会全国流量计量学术交流会论文集，2002.

［5］OIML/TC8/SC7 Work Group. R140 Measuring system of gaseous fuel［S］. Paris:OIML，1998.

［6］中国国家标准化管理委员会. GB 17820 -2012《天然气》［S］. 北京:中国国家标准出版社，2012.

［7］中国国家标准化管理委员会. GB/T 18603 -2001《天然气计量系统技术要求》［S］. 北京:中国标准出版社，2001.

［8］黄维和，罗 勤，黄黎明，等. 天然气能量计量体系在中国的建设和发展［J］.石油与天然气化工，2011，40(2):103-108.

［9］中国国家标准化管理委员会. GB/T 22723 -2008《天然气能量的测定》［S］. 北京:中国标准出版社，2008.

［10］黄黎明. 中国天然气质量与计量技术建设现状与展望［J］.天然气工业，2014，32(2):117 -122.

［11］国家发展和改革委员会. 天然气发展“十二五”规划［R］. 北京:国家发展和改革委员会，2012.

［12］国务院. 计量发展规划(2013 -2020 年)［R］. 北京:中华人民共和国国务院，2013.