天然气计量误差和能量计量方法的应用探讨

司强(西部管道甘肃输油气分公司，甘肃 兰州 730030)

0 引言

天然气作为一种环保的优质能源，受到社会的广泛重视。政府及各企业不断探索研究开发利用天然气与计量天然流量的方法，尤其是在我国经济不断发展下，转变了天然气事业经营理念，各方均追求利益最大化，充分认识到天然气实时、经济、精准计量的重要性。因此，需要分析其计量方法，明确计量误差原因，以保证计量有效性。

1 天然气常用计量方式

1.1 体积计量

国际上常见计量天然气体积仪表主要有以下几种：

(1)孔板流量计。在天然气行业中，孔板流量计应用较早，是以管道压差为基础的流量计。当前，涡轮流量计正逐渐替代此种仪表，在使用中具有稳定性强、价格低廉，且无需实施专业校核的优点。但是，实际应用中流量计测量精度不足，且上下游直管长度要求较高，其上游部分长度应当是流量计内径的30倍，下游则是流量计内径的7倍，且此种流量计需要连接管道中法兰，易产生漏气情况，需及时维修[1]。

(2)涡轮流量计。在油气行业中此流量计应用较为常见，是速度式流体计量仪表。在应用中具有可靠性强、精度相对较高、使用便捷、维修方便、结构简单等优点。但是，也存在一定缺点，如应用中涡轮部位存在持续性摩擦，需及时做好润滑工作，为保护涡轮叶片，需在流量计上方增加过滤器。管道流速如若超出10m/s，则此种流量计部位可能产生“气蚀”[2]。由于上述缺点，对此流量计的推广与发展造成阻碍。

(3)超声波流量计。此种流量计是用于管道中流体速差的流量计量仪表，主要应用在管径较大、压力较高的天然气管道实现流量计量。在应用过程中，存在不易受客观因素影响、精度高、便于维修保养、数字化程度高的优点，与孔板流量计和涡轮流量计相比，此种更为先进。但是，我国超声波流量计通常为进口产品，设备价格高昂，且此流量计不适用管径在100mm内的管道。

1.2 质量计量

在天然气计量领域中，应用质量计量设备是以科式质量流量计为主，热式质量流量计、差压式质量流量计为辅。具体情况如下：

(1)科式质量流量计。于1832年法国科学家科里奥利提出旋转管道内流体流动中会对管壁产生力，简称科式力，美国在1977年研发科式质量流量计。此流量计能够对天然气质量进行直接测量，在应用中具有适用范围广、测量精度高、范围大、稳定性强的优点。但科式质量流量计多为进口产品，价格同样高昂，且应用中对于安装要求较高，难以适用于管径超过200mm的管道。当前，此类计量设备主要应用在加气站、天然气井口。

(2)热式质量流量计。此流量计工作原理是加热介质后温度场会随之变化，且介质升温需要能量与介质流量存在函数关系。在流经介质的管段中设置电热装置2个，以控制介质温度与管道温度差值保持不变。当增加介质流速后，冷却效应也随之增加，电热装置温度控制的恒定电流也增大，这时介质质量流量与热传递为正比，介质质量流量与电流存在对应函数关系。流量计具有应用环境广泛、性能可靠、误差小等优点，多用于化工厂、钢铁厂等场所。

(3)差压式质量流量计。是基于马格努斯效应，通过流过接力路装置中介质所产生的压差对流量进行测量。常见差压式质量流量计是双孔板结构，管路上设置相同两个孔板，分流管路上则设置流量相反且固定的定量泵两个，分别在两个孔板出入口设置压差计。

2 天然气计量误差分析

2.1 计量仪表

在天然气计量中，主要应用孔板流量计进行计量，在实际应用中，此种流量计对加工孔板要求较高，需严格遵循技术标准要求实施，否则会产生严重误差，孔板一旦出现弯曲或偏离情况，则会影响计量精度。一方面是在孔板安装中，要求人员熟练掌握安装规范，但却又部分人员仅凭借自身经验，忽视安装细节，如在加工孔板密封垫片内孔时，未能结合环室尺寸加工，垫片超过环室范围，对于剂量计中气流流动造成了干扰。并且，设置导压管走向不合理，也会造成气压无法在流量计内部正常传到，平衡器无法保持水平，造成计量误差。另一方面则是节流装置问题，其内部存在焊缝、垫片等突出物，造成计量误差。具体误差大小与突出物长度、位置等均有练习，孔板上游2被部位产生突出物，此时误差最大，而孔板下游突出物则计量误差较小。

2.2 使用条件

计量仪器通常情况下，使用时将会受到多方面因素影响。如，环境条件产生变化，会造成剂量计误差。在运输天然气过程中，气体压力如若产生突然变化，或流速变化较大，则会造成压差波动，进而产生脉动流，计量时一旦装置中存在明显脉动流，则会进一步增加计量误差。根据调查表明，天然气计量中受脉动流影响，其误差在20%～30%范围内。并且，受到季节影响，天然气消耗量也会产生变化，出现流量计超量程情况。在通过蒸汽试验中发自按，不同季节条件计量蒸汽流量，冬季实际流量小于夏季流量，此种情况的发生可能是天然气流量已经超过仪器自身量程，引发计量误差。

2.3 天然气质量

天然气作为开采石油中的伴生气，开采出地面后需要经过多重过滤、除尘、分离等程序，却仍然无法确保天然气实现绝对纯净，在传输天然气时，存在杂质将会一定程度上腐蚀天然气管道。天然气中杂质如若在流量计孔口或孔板位置大量积存，则会造成天然气产生气流变化。并且，积存杂质也会缩小孔板截面，孔板流量计其自身对于外界条件较为敏感，如若杂质不能及时清除，就会产生眼中误差。同时，天然气中均存在一定水分，可能会造成流量计计量值偏高，随着增大孔径比，湿气流量会逐渐减小，孔径比为0.7时，流量计计量偏差在-1.7%。而实际计量中仪器为0.5的孔径比能够稳定孔板自身性能，但为提高计量精度，需要在计量装置上游位置清除天然气水分。

3 天然气能量计量方法应用

3.1 原理

能量计量是根据天然气发热量为结算单位的计量方式，是以提及计量为基础，同时对天然气发热量进行测量，以体积与单位体积发热量共同计算获得天然气流经管道的总能量。测量热值主要是有间接测定与直接测定这两种方法：间接测定是计算天然气气质组分获得热值，通常使用色谱仪实现；直接测定则是燃烧一定量气体获得直接发热量。实际应用中，直接法应用条件多，技术不成熟、过程复杂，主要将其看作间接法比对核查的措施。在大型计量站中，可应用先色谱仪对天然气热值实施测定，小型计量站则采取离线色谱仪测定热值后，选择可变赋值或固定赋值的方法计算获得天然气发热量。

3.2 应用价值

(1)符合我国能源发展战略。天然气作为一种混合气体，产地不同则气质组分不同，进而造成不同地区燃烧天然气产生能量不同。我国当前测得单位体积天然气最低发热量是33.9MJ/m3，最高则是45MJ/m3[3]。对于不同热值天然气均选择传统体积计量方式实现贸易交接，显然与常理不符。并且，天然气行业发展空间巨大，在管道互联互动形势下，不同地区天然气将会形成全国性管网，已经成为未来主要发展趋势，混输不同气源仍然采取传统体积计量方式难度较高，增加了结算难度。由于天然气热值所造成的销售误差显然无法满足此要求，所以需要应用能量计量方式，以满足我国能源发展战略。

(2)有助于推动天然气国际贸易。我国2020年预计所需天然气总量为3600×108m3，进口天然气总量则是1530×108m3，表明我国40%天然气依赖进口。我国已经建立跨国的中俄管线、中缅管线、中压管线，彻底完成后即可实现1650×108m3进口量[4]。以此可知，我国天然气对外依赖性较强，国际普遍在天然气贸易中应用能量计量，我国天然气气源进口较多，为保证贸易公平性，需要与国际相结合，特别是在天然气全国管网互通情况下，应用能量计量更加合理。

3.3 应用实例

在计算天然气热值中，选择某地管道天然气组分，其质量分数见表1。

表1 不同组分体积分数及压缩因子

假设天然气燃烧参比条件(t1，p1)等同于计量参比条件(t2，p2)，且条件均是101.325kPa，20℃，则各组分物质的量分数与体积分数关系在此种条件下如下所示：

式中：xj是各组分物质的量分数；zj(t2，p2)是在p2压力下与t2温度下各组分压缩因子；φj则是各组分体积分数。

理想气体热值计算可根据以下公式：

其中，H0[t1,V(t2,p2)]是各组分热值，xj是各组分物质的量分数，根据公式进行天然气最低位与最高位热值计算，可知最低位热值是34.59MJ/m3，最高位则是38.33MJ/m3。

而在计算真实气体热值中，遵循GB/T1 1062-1998规定[5]，其公式如下：

其中，H[t1,V(t2,p2)]是真实气体热值，Zmin(t2,p2)是计量参比xa压缩因子是理想气体热值。

根据公式进行计算，可获得真是气体最低热值是34.67MJ/m3，最高则是38.41MJ/m3。

4 结语

综上所述，天然气在社会生产各个方面均获得广泛应用，此种情况下，天然气流量计量可靠性与精度也获得人们重点关注。而天然气计量中常用计量方式以体积计量与质量计量为主，在使用过程中，易受到外界因素及其自身仪器影响，或多或少会造成天然气计量误差，难以保证计量准确性。因此，应当加强对能量计量方法的应用，不仅符合我国能源发展战略，还能与国际贸易相接轨，推动天然气行业实现进一步发展。