常见天然气计量仪表的研究现状及特征分析

张明 程刚 方勇 马帅帅

摘  要：天然气作为高热值、环境友好的化石燃料，目前全国的主要城市都在推行天然气工程。尤其是随着我国大气污染情况的加剧，各大城市对天然气的需求量大大增加，对天然气计量准确性的要求也随之提高。文章综述了目前常见天然气计量仪发展的基本情况，简述了天然气的常见物理性质和特点，分析了天然气计量方式及优缺点，探讨了常见天然气计量仪表选择考虑因素和环境影响。

关键词：天然气;计量方式;计量特点

中图分类号：TH814         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）11-0082-02

Abstract： Natural gas is a high calorific value and environment-friendly fossil fuel. At present， major cities in the country are implementing natural gas projects. Especially with the intensification of China's air pollution， the demand for natural gas in major cities has greatly increased， and the requirements for the accuracy of natural gas measurement have also increased accordingly. In this article， the basic situation of the development of common natural gas meters is summarized; the common physical properties andcharacteristics of natural gas are briefly described; the methods and advantages and disadvantages of natural gas meters are analyzed; and the selection factorsand environmental impacts of natural gas meters are discussed.

Keywords： natural gas; measurement method; measurement characteristics

天然气一般采用管道输送，计量具有连续性和长期性的特点，一旦出现计量误差，长年累月之后，这个误差将非常大。因为天然气计量误差的存在，导致天然气计价存在偏差，引发了很多贸易纠纷问题。因而，如何能够准确地计量天然气用量成为亟待解决的一个关键问题，得到了社会各界的关注。

西方发达国家对天然气的计量技术比较成熟，研究和生产了多种型号的天然气计量仪表。涡街流量計量设备、腰轮流量计量设备在欧洲国家的应用较为广泛。现阶段中国在工业生产中常用到的天然气仪表主要为孔板流量计。

天然气计量仪表普遍呈现出这样的发展趋势：70年代主要盛行孔板流量计量设备，80年代涡街流量计量设备的使用进入高峰期，90年代以后超声波流量计量设备逐渐发展起来。

目前我国使用的天然气计量仪表中，孔板流量计量设备由于其独特的优点而备受青睐，是企业和用户的首选，占有相当大的市场比例[3-4]。我国对天然气仪表的设计起步较晚，上世纪70年代以后才逐渐发展起来，我国的专家学者参照国外的一些标准，结合我国的天然气输送现状，制定了一系列的天然气仪表设计、制造、安装、检修和管理标准。不过这些标准并不完善，与国外的技术和标准还存在一定的差距，主要体现在：（1）天然气计量仪表的质量较

低;（2）缺少配套设备和智能附件;（3）计量精度有待提高。目前天然气计量日益成为人们关注的焦点。因此，要投入更大的精力来研发高精度的天然气计量仪表。

1 天然气的常见物理性质

天然气内主要包括例如甲、乙、丙烷这种低分子类的饱和气体以及氧气、二氧化碳这种非烃类的气体。这些组成气体会决定天然气的运输计量，主要包括以下几点天然气的主要性质：（1）天然气的分子量;（2）天然气的相对密度;（3）天然气的压缩因子;（4）天然气的导热系数;（5）天然气的流动性能。

2 天然气计量特点

（1）天然气的流动状态、阀门开关机压缩机启停等均会影响计量的准确度。尤其是管路中带有往复式压缩机的工艺，对流量计量准确性的影响更大;（2）天然气是一种产自地下的混合气体，不同气井、不同开采时期，其组分都会发生变化，而且天然气含水和腐蚀性组分等，也对流量测量仪表本身和修正提出了要求;（3）由于天然气的可压缩性，所以体积流量应该标定当时所处的状态，国内一般情况默认的是工程标准状态;（4）天然气是易燃易爆气体，在选用配套电气仪表时必须采用防爆型，确保测量系统乃至整个输气系统的安全。

3 常见天然气计量方式及优缺点

在生产的过程中天然气流量的测量方法可按照测量参数分为容积流量、质量流量和能量流量三种。其中，能量流量测量是直接测量天然气发出的热量的多少，用户使用燃气与组分无关，按热量多少取费，更具有科学性和经济价值，是未来计量发展的趋势。但是目前最常用的依然是以下几种天然气计量方式：

（1）孔板流量计

孔板流量计是当所测天然气通过节流装置时，气体会在孔板处产生收缩，导致气体流动速度明显增加，致使静压力降低，在气体经过的孔板前后形成压力差。根据孔板前后差压即可计算出天然气流量。优点：该流量计可用于管道的直径较大的工况下，而且组成部件较少，操作简单，数据稳定，使用寿命较长，成本低，校准容易等。缺点：对于运输管线较长的工况应用受限，而且量程范围较小，体积较大，孔板前后所连接的缓冲线较长，较难提升精确度，可重复性差。

（2）涡轮流量计

涡轮流量计的主要工作原理是通过待测气体的流动力推动流量计中的转子转动，再计算转子转动的次数得出气体流量。优点：测量范围广，精度高，体积小，安装和后期保养方便，输出信号稳定，而且其信号频段易与现阶段计算机系统匹配。缺点：内部构件易被污染，对待测气体的干净程度要求较高，抗震动能力差。

（3）超声波流量计

超声波流量计的工作原理是利用超声转换装置将电能转换为超声波能量后，由于超声波具有强的穿透能力，将发出能够穿透待测气体波频，终端的接收装置将收到该频段信号，通过计算仪器计算出所测流量并显示在仪表上。超声波流量计的使用范围，精确度和耐用性均高于其它流量计，在欧美等发达国家应用较多。中国第一次采用超声波流量计的工况是西气东输的大口径天然气管道运输中。优点：准确度高，量程范围广，可进行双向测量操作，体积小，耐用性高，对环境要求低，受压力、温度、待测气体分子质量和组成等影响较少，工作原理简单，是今后流量计发展的重要方向，可能会成为标准气体流量计。缺点：成本高，设备价格昂贵，目前主要使用在中大型工程项目中。

4 天然气流量计量仪表选择考虑因素

（1）精度，流量仪表的精度等级是保证在某一较宽的流量范围内，如果使用条件是在某一特定流量或很窄的范围，此时使用的测量精度比规定值高。（2）重复性，重复性由仪表本身的原理和制造质量决定。严格地说，重复性是指环境条件、介质参量等不变的情况，对某一流量值短时间内同方向进行多次测量的一致性。然而，实际应用仪表的重复性被许多因素如流体粘度、密度等参量变化所影响，因这些参量影响还未达到需要修正的地步，往往被误认为仪表重复性不好。（3）輸出信号特性，可分为模拟量和脉冲量。模拟量输出适合于过程控制，与调节阀接配，但较易受干扰;脉冲量适用于总量和高精度测量，长距信号传输不受干扰。（4）响应时间，应用于脉动流场所应注意仪表对流动阶跃变化的响应。有些使用场所要求仪表输出跟随流动变化，而另一些为获得综合平均值要求有较慢响应的输出。瞬态响应常以时间常数几毫秒到几秒，或响应频率数百赫兹等以下表示。配用显示仪表可能要相当大地延长响应时间。

5 天然气流量计量仪表环境影响

环境条件对于天然气计量仪表安装与使用也十分重要，主要是从以下几方面考虑的：（1）温度，环境温度超过规定会影响仪表电子元件而改变测量性能，因此某些现场仪表需要有环境受控的外罩。（2）湿度，高湿度会加速仪表的大气腐蚀和电解腐蚀，降低电气绝缘;低湿度容易感生静电。（3）安全性，应用于爆炸性危险环境，按照气氛适应性、爆炸性混合物分级分组、防护电气设备类型以及其他安全规则或标准选择仪表。如果其中可能具有腐蚀性的化学物质，则需要仪表的整个外包装耐腐蚀性，或者防水性良好，可采用定期冲洗等方式。（4）电磁干扰环境，应注意电磁干扰环境以及各种干扰源。

6 结束语

随着科技的进步，我国的数字技术愈发成熟，作为其中的核心芯片业接连产出，都为超声波流量计的快速发展做了铺垫。这些精准技术保证了天然气管网运行时数据的精准度。同时检测流量计是否满足具体的施工难易程度也凸显得尤为重要，国内也针对此情况建立了相关配套设施，引进国外的先进仪器与技术增加了测量的精准性，降低测量误差，为实际施工做了坚强的后盾。在一个智能的时代，对于天然气的测量也向这边靠拢，省去人力的投入，换来的是实时监控、精准数据以及安全保障等等。检查方法普遍是用实际管内天然气为测定流体，其中测试显示的数据也向多方面发展。为了面对不同管内流体和施工状况而选择不同的仪器，与此同时实现对整条管线的各个管段的监控。

参考文献：

[1]邹道懋，姜玲玲.我国天然气计量现状及问题探讨[J].科技传播，2011（8）：50-58.

[2]黄和，朱明高.我国天然气计量标准体系的建立和完善[J].工业计量，2012（s1）：7-9.

[3]段继芹，任佳，陈荟宇.国内外天然气计量技术比较与分析[J].计测技术，2013（s2）：20-23.

[4]盛永进，吴君，姜其兰，等.天然气计量系统的技术改造[J].油气储运，2008，27（11）：40-43

[5]刘晓飞，包玉敏.浅谈国内外天然气能量计量发展状况[J].内蒙古科技与经济，2015（4）：94-94.

[6]陈洁，余诗诗，李斌，等.基于双阈值比较法超声波流量计信号处理[J].电子测量与仪器学报，2013，27（11）：1024-1033.

[7]魏凯丰，宋少英，张作群.天然气混合气体粘度和雷诺数计算研究[J].计量学报，2008，29（3）：248-250.

[8]牟爱霞，刘晓莉.涡街流量计的应用特点及故障分析[J].自动化应用，2017（2）：85-86.