北京采育天然气流量计量检定站的设计建立

郭 亮

(大庆油田工程有限公司，大庆 163712)

0 引言

目前，国内只有国家石油天然气大流量计量站及成都分站、南京分站三个国家级的天然气计量检定机构能对国内的天然气流量计开展实流检定业务，难以满足国内天然气流量计的实流检定要求。为了节省投资，加快建设步伐，解决国内天然气流量计的实流检定难题，按照国家质检总局及中石油对天然气计量检定站点的布局要求，大庆油田工程有限公司完成了北京采育天然气计量检定站工程设计。该检定站于2012年12月获得国家计量标准考核证书和社会公用计量标准证书，并被国家质检总局命名为“国家石油天然气大流量计量站北京检定点”(以下简称北京检定点)；自2012年底以来，已检定国内各单位送检的天然气流量计280台，满足了国内检定急需。北京检定点是国内唯一的一套只建有天然气流量工作标准的检定站点，具有投资低、建设周期短、压力高、流量大、准确度高等特点。

1 工程设计

1.1 技术方案

通常，天然气计量检定站建有流量原级标准、次级标准、工作标准，采用三级流量传递标准方式，具有建设规模大、投资高、时间长、量值传递方便等特点，目前国内已建成了成都分站和南京分站，这2个分站都建有流量原级标准、次级标准、工作标准。而本工程采用只建有天然气流量工作标准的设计方案，并配套有关工艺系统及辅助设施，在今后运行中定期到南京分站的次级标准上进行量值溯源。

本工程采用直排方案，利用高低压管网的压力差，由高压管线向低压管线排气，该方案不需要天然气压缩机进行增压，具有投资低、建设快、运行费用低等特点。

1.2 站场条件

通过对中石油北京天然气管道有限公司所属天然气站场的筛选，选择采育输气站(陕京二线末站)作为本工程的建设地点。在采育输气站内有1块预留区域(70m×30m)，上游来气管线的设计压力10MPa，输气压力5～8MPa，设计输量120×104m3/h，高压天然气经过采育输气站的过滤分离、计量和调压工艺系统处理后(4路过滤器、6路DN300超声流量计、6路压力控制系统)，把低压天然气3.5～3.8MPa输往北京城市燃气管线(设计压力4MPa)。还建有综合办公楼、宿舍及1台250kVA电力变压器、水消防等公用系统，这些系统都可依托。

1.3 系统组成

本工程新建一套高压、大流量天然气流量工作标准以及附助系统，其中工艺系统主要有7个部分组成：天然气进站调压和安全切断系统(含取气回气阀)、核查流量计和外输气计量系统、天然气工作计量标准、被检流量计检定管路系统、出站超压切断和流量调节系统、压缩机、氮气系统,，还包括ESD阀、气质测量、排污和放空系统，以及控制系统、检定厂房、水、电、暖、信、腐等辅助部分，具体见图1。

图1 北京检定点计量检定工艺系统框图

1.4 设计参数

1)工艺系统设计压力：10MPa；

2)取气压力：5～8MPa；

3)回气压力：3.5～3.8MPa；

4)输气温度：5～15℃；

5)工况流量：20～8000m3/h；

6)系统测量不确定度：0.29%，k=2；

7)流量计检定口径：DN50～DN400。

1.5 量值溯源和传递

根据国家质检总局要求，北京检定点的天然气流量工作标准装置应定期到南京分站的次级标准上进行检定校准，完成量值溯源；再用工作标准对送检的天然气流量计进行检定测试，其量值溯源和传递框图见图2，具体方法为：天然气次级标准(南京分站)→工作标准(北京检定点)→被检流量计。

1.6 工作标准及核查流量计的选择

工作标准采用标准表法测量原理，工作标准和核查流量计的选择是计量检定系统的核心，通过对国内外常用的四种工作标准(临界流喷嘴、涡轮、超声和容积流量计)进行研究对比，选定采用涡轮流量计作为工作标准，由5台涡轮流量计(1台DN80、1台DN150、3台DN250)及配套的高准确度温度、压力变送器组成。涡轮流量计前直管段长度为10D，后直管段为5D，并在前直管段入口处安装板孔式整流器；每个涡轮流量计配内置整流器，2个高频脉冲发生器。针对不同的测量范围，可选用不同口径的涡轮流量计并联组合，其流量范围为20～8000 m3/h。

为了保证工作标准在整个检定过程中，流量测量值的准确可靠，在工作标准上游处串联1台超声流量计(口径DN300、90～8000m3/h)，用于对工作标准涡轮流量计进行单台或总量在线实时核查，要求核查偏差值在±0.2%范围内。

1.7 流量计检定台位设计

本工程设置5个流量计检定台位(DN100、DN150、DN250、DN300、DN400)，预留较长的前、后直管段，直管段采用深孔镗床加工，内表面粗糙度Ra优于3.2μm，圆度公差优于0.3%，垂直度优于0.05mm，并做化学镀镍处理。在每个检定台位设置20D前直管段、10D后直管段，其中在前直管段10D处安装板孔整流器；并设置1个防爆仪表接线箱，以便将被检流量计的流量、温度和压力信号接入到控制系统中。被检流量计包括超声、涡轮等速度式流量计及质量、容积式流量计，其输出信号为脉冲(频率)、4～20mA模拟和RS485信号。

为了便于检定时安装和拆卸被检流量计，在每路被检流量计管路下游处均设置手动液压伸缩器(最大伸缩长度≥100mm)。

1.8 辅助系统设计

1)选择2台并联的压力调节系统(DN50和DN250轴流式调节阀)，可把高压天然气调节到5MPa以下，用于检定CLASS300等级的流量计。

2)采用主流量调节及旁通流量调节系统(DN50和DN300轴流式调节阀)，可用于全量程范围内准确、稳定地调节天然气的检定流量。

3)为保证天然气流经汇气管时流动状态稳定，不产生旋涡流和非对称流，汇气管采用拔制工艺制造，保证主管和支管之间的连接圆滑；主管流速不超过10m/s，支管流速不超过20m/s，支管直径与主管直径的比值≤0.70。

4)按照安全环保和节能要求，拆装被检流量计时不允许天然气外排。针对选用的压缩机的工作条件要求(入口压力变化大，出口压力恒定，压缩比大，排气量小)，最终从隔膜式、活塞式和离心式等压缩机中选择采用防爆隔膜式压缩机，可满足入口吸气压力0.2～4.0MPa，出口排气压力恒定4.2MPa，排气量≥260m3/h的要求。

5)设置氮气系统，用于在拆卸安装被检流量计过程中吹扫管线内的天然气，以保证检定操作和输气安全。

6)合理优化管线、汇气管、弯头、三通、大小头和设备的安装图设计，可减少工艺安装和管气容对小流量测量准确度的影响和缩短检定时间。

7)对位于地面管线和设备进行保温隔热，在检定操作区设置轻钢结构厂房等措施，可有效避免天气环境对流量测量结果的影响。

8)在工艺系统的上、下游管线上，设置安全切断阀来防止检定CLASS300等级的低压流量计和下游低压排气管线不超压。同样，在上、下游管线上设置汽液联动紧急切断阀，用于在工艺系统泄露和站场着火时进行紧急切断。

9)设有可燃气体检测报警系统和工业电视系统，能保证检定操作安全。

10)天然气过滤分离、放空和排污等工艺系统、控制室、办公室、水消防系统和配电等系统都依托原采育输气站的原有系统，可节省工程投资，缩短建设周期。

1.9 主要仪表设备选型

1)对于工艺系统、控制系统、电力系统、给排水及通信系统，均按照天然气防火防爆要求进行设计，仪表设备选用隔爆或本安型，防爆等级优于ExdIIBT4，防护等级优于IP65。

2)压力测量选用电容测量原理、智能型绝压变送器，最大允许误差优于±0.025%。温度测量选用智能型温度变送器，最大允许误差优于±0.1℃，配套A级铂电阻温度传感器。

3)选用调节准确、流动稳定、噪音低、压降小的轴流式调节阀，用于检定压力和流量的调节控制。

4)在并联的涡轮流量计、检定管路及与计量有关放空、排污和氮气管路中，选用强制密封球阀，以便把在计量过程中需要关断的管路进行关断，确保计量检定数据准确可靠。

5)选用在线色谱分析仪和在线水露点测量仪，可准确地测量天然气组分及含水量。

6)在每个被检流量计台位后都设置手动液压伸缩器，其最大伸缩长度≥100mm，以调节管线长度，便于拆装被检流量计。

2 建标考核

按照JJF 1033—2008 《计量标准考核规范》要求，2012年3～10月对新建的工作标准进行了建标考核测试，主要分三步：1)把5台标准涡轮流量计送到南京分站用次级标准进行全量程校准，其测量不确定度优于0.23%(k=2)；2)在每台涡轮流量计的测量范围内选取2个流量点，每个点测量10次，则重复性测量结果优于0.05%；3)在测量范围内选取5个流量点，每个点测量3次，每隔1个月测量1次，半年内测量4次，则稳定性测量结果优于0.18%。

新建立的工作标准于2012年10月通过国家质检总局建标考核，获得国家计量标准考核证书，其测量流量20～8000m3/h，系统测量不确定度0.29%，k=2。

3 实流检定

2012年底以来，利用北京检定点主要进行了两项检定校准工作：一是对国家石油天然气大流量计量站的移动式工作标准进行周期校准；二是对国内各单位送检的280台天然气流量计进行检定，创收入800万元。

4 结束语

1)按照国家质检总局对国内天然气计量检定站点的总体布局要求，中石油完成了北京采育天然气计量检定站的设计建立工作。该检定站是国内唯一的一套只建有天然气流量工作标准的天然气计量检定系统，具有投资低、周期短、压力高、流量大、准确度高的特点。

2)北京采育天然气计量检定站已通过国家质检总局计量标准考核，获得国家计量标准考核证书，各项设计参数和功能均已达到设计要求。

3)目前为止，已对国内280台天然气流量计进行了实流检定，缓解了国内天然气流量计实流检定的难题，满足了实流检定急需。

参考文献

[1] 郭亮.天然气输气管道工程中计量系统的设计综述.计量技术，2013(11)

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[4] 郭亮.中国高压天然气流量计量检定系统的设计和投产使用//2011年计量为工业现代化服务征文优秀论文集.北京：中国质检出版社，2012

[5] 郭亮.西气东输南京计量测试中心的设计实践与思考.中国油气计量技术论坛，2010