对“用气体超声流量计测量天然气流量”国家标准的修改建议

段继芹 李长俊 周 芳

1.中国石油西南油气田公司天然气研究院 2.西南石油大学3.中国石油天然气集团有限公司天然气气质控制和能量计量重点实验室 4.国家石油天然气大流量计量站成都分站

0 引言

近年来，中国自产天然气、进口天然气和液化天然气数量快速增加，至2016年底，我国天然气的消费量已超过2 100×108m3，进口天然气量超过700×108m3，预计到2020年我国天然气的表观消费量将超过3 500×108m3，进口天然气量将超过1 200×108m3[1]。如何提高天然气贸易交接计量准确度以及如何客观公正地维护贸易双方合法经济利益是大家关注的焦点。气体超声流量计具有无机械可动部件、无压损、量程比大、测量准确性较高、适应性强和具有自诊断能力等优点，近年来被广泛应用于天然气计量。中俄天然气贸易交接用流量计也为超声流量计，据了解，俄罗斯气体超声流量计标准主要参考了国际标准。因此，需弄清国际标准、俄罗斯标准和中国标准3个标准间的差异性。同时天然气贸易常采用两台不同原理或相同原理不同厂家的流量计串联安装，通过两台流量计的差值不能超过供销双方商定的差值控制限的控制来保证流量计准确可靠运行。而中国气体超声流量计国家标准GB/T 18604—2014[2]未对两台超声流量计的差值控制限提出具体要求，气体超声流量计国际标准ISO 17089-1—2010附录C 则提出了相关要求，但有待进一步试验验证。为此，对国际标准、俄罗斯标准和中国标准的差异性进行了对比分析，同时通过试验确定了两台超声流量计的差值控制限。

1 标准对比分析

ISO 17089-1—2010、ГOCT 8.611—2013[4]和GB/T 18604—2014这3个标准对超声流量计的技术要求、安装要求、经实验室校准或检定合格的超声流量计在现场使用的计量性能保证和测量不确定度估算等做出了相关要求，3个标准的技术内容、要求及指标稍有不同。

1.1 标准适用范围及主要章节内容

由于中国标准主要根据美国煤气协会AGA NO.9—2007[5]、近年研究成果、现场使用经验及国际标准主要技术要求而制（修）订。因此国际标准、俄罗斯标准和中国标准在标准适用范围和主要章节内容稍有不同（表1）。

从表1可知：俄罗斯标准ГOCT 8.611—2013缺少ISO 17089-1—2010中两次校准误差限及误测量处理方法介绍、超声流量计测量误差及修正方法、串联安装超声流量计比对方法、几何相关温度和压力校正的详细计算、干扰测试及要求章节的内容。中国标准GB/T 18604—2014缺少ISO 17089-1—2010中两次校准误差限及误测量处理方法介绍、串联安装超声流量计比对方法、几何相关温度和压力校正的详细计算内容。

表1 3个标准适用范围及主要章节内容比较表

1.2 测量气质条件

由于欧盟、俄罗斯和中国对天然气管输气质的要求不同，因此ISO 17089-1—2010、ГOCT 8.611—2013和GB/T 18604—2014标准有关测量气质条件也有一定差异（表2），但GB 17820—2012《天然气》[6]中我国贸易交接用Ⅱ类天然气气质要求CO2含量小于等于3%（体积分数），总S含量小于等于200 mg/m3。因此超声流量计适用的技术指标要求一致。

1.3 超声流量计技术指标

ГOCT 8.611—2013与 ISO 17089-1—2010相比只给出了最大允许误差要求，但列出了超声流量计测量准确度等级有 A（0.5）级、B（0.75）级、C（1.5）级、 D（2.5）级和E（5.0）级5个级别，其中对于贸易交接用气体超声流量计等级为A（0.5）级和B（0.75）级，其工况流量测量扩展不确定度分别为0.3%和0.5%，标况流量测量扩展不确定度分别为0.4%和0.55%，比ISO 17089-1—2010和中国标准要求严格。GB/T 18604—2014对贸易计量用气体超声流量计计量性能的要求与ISO 17089-1—2010相似，ISO 17089-1—2010还增加了对气体超声流量计复现性的要求。各标准对计量性能要求比较如表3所示。

表2 3个标准有关气体超声流量计测量气质条件比较表

表3 3个标准测量性能要求比较表

1.4 安装要求

1.4.1 声学噪声防治

ISO 17089-1—2010和 GB/T 18604—2014都 给出了可能存在的噪声源及对流量计的影响，并就如何减少噪声对超声流量计的影响提出了实用性的建议，如将调压阀和其他产生噪声的设备安装在流量计的下游，使噪声源远离流量计，安装盲三通和过滤器等管件，增强信号处理功能等，而ГOCT 8.611—2013标准未提及。

1.4.2 上下游直管段长度要求

GB/T 18604—2014在超声流量计计量管路安装设计方面的技术要求主要参考了ISO 17089-1—2010标准中的相关内容。不同的阻流件条件、不同厂家的超声流量计和不同的流动调整器组合对于上游直管段的要求不同，因此，最小上游直管段长度应由生产厂家通过型式试验给出。当没有型式试验数据时，应由用户来确定最小上游直管段长度。按流量计是否配流动调整器，最小上游直管段长度可以是（30～50）D（D表示管径，下同）。而下游直管段最小长度为3D，取温孔等位置为（3～5）D。还指出，当没有足够的安装空间和上游管路条件恶劣时，需要配流动调整器。3个标准有关上下游直管段长度及温度计安装位置要求比较结果如表4所示。

1.5 实流校准要求

ISO 17089-1—2010、ГOCT 8.611—2013 和 GB/T 18604—2014均提出作为贸易计量的气体超声流量计需要进行实流校准。各标准的校准技术要求比较如表5所示。

1.6 现场测量性能保障措施

GB/T 18604—2014相应条款内容主要参照ISO 17089-1—2010中的相关内容，非常详细地说明了如何利用超声流量计自诊断历史数据的分析来判断流量计的现场计量性能。3个标准现场测量性能保障措施比较结果如表6所示。

2 两台超声流量计串联安装实验

选取国际上主要使用的两个生产厂家的超声流量计作为实验对象，两台超声流量计的原始参数如表7所示。

2.1 两台超声流量计串联实验方案

在国家石油天然气大流量计量站成都分站进行两种安装工况下性能测试实验。工况一：上游直管段内径为309 mm，管长为30D，后接内径为303 mm、管长为10D的超声流量计B上游直管段，安装流量计B，再安装内径为303 mm、管长为5D的超声流量计B下游直管段，再安装内径为286 mm、管长为10D的超声流量计A上游直管段，接着安装流量计A，再安装内径为286 mm、管长为5D的超声流量计A下游直管段。工况二：上游直管段内径为309 mm，管长为30D，后接内径为286 mm、管长为10D的超声流量计A上游直管段，接着安装流量计A，再安装内径为286 mm、管长为5D的超声流量计A下游直管段，再安装内径为303 mm、管长为10D的超声流量计B上游直管段，安装流量计B，再安装内径303 mm长5D超声流量计B下游直管段。两台流量计安装位置如图1所示。

表4 3个标准有关上下游直管段长度及温度计安装位置要求比较表

表5 3个标准实流校准要求比较表

表6 3个标准现场测量性能保障措施比较表

两台流量计串联安装，实验流量分布见表8。

2.2 两台超声流量计试验数据分析

将两台超声流量计分别按工况一、工况二串联安装，按表8实验流量进行测试，流量计的重复性、安装位置对计量性能的影响和两台流量计的流量差值控制限如下。流量计A的重复性相对较小，相对于流量计B较稳定，但流量计分界流量qt以上重复性小于0.10%，qt以下重复性小于0.15%，两者较稳定。

表7 两台超声流量计的原始参数表

图1 两台流量计安装示意图

表8 实验流量分布表

2.2.1 重复性

将流量计A和B分别安装在上游或下游的重复性数据绘于图2，由图2可知，流量计B的重复性偏大，

图2 两台超声流量计的重复性数据图

2.2.2 流量计安装位置对计量性能的影响

流量计安装位置对计量性能的影响如图3所示。从图3可知，在流量计分界流量qt以上，流量计A安装在上、下游的影响不超过0.3%，计量性能相对较稳定。

图3 流量计A、B安装在上、下游的影响图

2.2.3 两台串联超声流量计的差值控制限

两台串联超声流量计的差值控制限如表9所示。由表9初步可知，两台流量计流量q≥0.25qmax，平均小时流量偏差的差值控制限均小于0.3%，在满足上游大于40D和两台流量计间距大于15D时，流量计安装在上游或下游带来的影响可忽略[7]。

表9 两台串联超声流量计的差值控制限表

3 GB/T 18604—2014修订建议

综上比较分析和实验验证，建议GB/T 18604—2014下次修订时主要增加以下两方面的内容：

1）增加ISO 17089-1—2010中超声流量计两次校准误差限及测量误差处理方法。国际标准ISO 17089-1—2010资料性附录A提供了两次校准误差限及测量误差处理方法。图4为一台超声流量计首次校准和后续校准的数据比较图。首次校准“偏移量”已输入流量计的电子模块。从图4可看出后续校准产生了超出误差范围的结果，因此可能带来误测量问题。误测量的时间段将取决于许多因素，首要的是以前工作的状况。当偏移发生时如能从日志文件或比较检查中发现，则它就可以作为任何误测量开始的日期。否则，起始日期应在现有数据或合同协议的基础上双方达成一致，这需要对记录的实际流量的工作时段进行测量检查。

图4 一台超声流量计首次校准和后续校准的数据比较图

2）增加串联安装超声流量计比对方法。国际标准ISO 17089-1—2010资料性附录C提供了两台超声流量计串联的参比计量方法。该方法用于在计量现场两台串联超声流量计其中一台进行修理后重建可溯性，同时也是两台串联超声流量计正常运行时性能评估控制并提供证明符合贸易交接要求的最有效的办法[3]（图5）。图5给出了4种性能评估控制限，如果评估流量计性能时当ΔqV,HDF/qV,HDF值超出了性能评估范围，应首先排除故障以确定哪台流量计发生了偏移，待排除故障后并作为核查流量计放回使用，另外的气体超声流量计就是贸易交接主流量计。欧洲国家国际贸易也采用不同生产厂家的两台超声流量计串联或涡轮与超声流量串联的参比计量方法[8]，其两台流量计差值控制限在正常运行时控制在0.2%，超过0.3%控制系统显示预警，需引起注意并排查问题，超过0.5%不能接受。该方法也符合前述第二部分的实验结果。

图5 串联安装超声流量计比对方法图

4 结束语

通过超声流量计测量天然气流量的国际标准（ISO 17089-1—2010）、俄罗斯（ГOCT 8.611—2013）及中国标准（GB/T 18604—2014）的对比分析，中国标准同国际标准的主要技术内容是基本一致的，在超声流量计使用过程质量控制方面有待加强，建议GB/T 18604—2014增加超声流量计两次校准误差限及测量误差处理方法和串联安装超声流量计比对方法等方面的内容。

[1] 赵文智. 中国天然气工业发展形势与展望[R]. 杭州: 2017年全国天然气学术年会, 2017.Zhao Wenzhi. Natural gas development situation and prospect in China[R]. Hangzhou: 2017 International Conference on Natural Gas, 2017.

[2] 段继芹, 何敏, 文代龙, 任佳, 黄和, 刘勇明, 等. 用气体超声流量计测量天然气流量: GB/T 18604—2014[S]. 北京: 中国标准出版社, 2014.Duan Jiqin, He Min, Wen Dailong, Ren Jia, Huang He, Liu Yongming, et al. Measurement of natural gas ぼow by ultrasonic gas flow meters: GB/T 18604-2014[S]. Beijing: Standards Press of China, 2014.

[3] ISO. Measurement of ぼuid ぼow in closed conduits—Ultrasonic meters for gas—Part 1: Meters for custody transfer and allocation measurement: ISO 17089-1: 2010E[S]. Geneva: ISO, 2010.https://www.iso.org/standard/41235.html.

[4] Pacxoд и кoличecтвo пpиpoднoгo гaзa мeтoдикa(мeтoд)измepeний c пoмoщью yльтpaзвyкoвыx пpeoьpaзoвaтeлeй Pacxoдa: Гocт 8.611-2013[S].Mocквa: Фeдepaльнoe гocyдapcтвeннoe yнитapнoe пpeдпpиятиe Bcepoccийcкий нayчнoиccлeдoвaтeльcкий инcтитyт pacxoдoмeтpии, 2013. https://www.gostinfo.ru./.html.

[5] Bowen J, Bowles E & Bronner J. Measurement of gas by multipath ultrasonic meters: AGA Report No. 9: 2007[S]. Washington DC: American Gas Association, 2007.

[6] 黄维和, 唐蒙, 黄黎明, 陈彰兵, 石兴春, 邱健勇, 等. 天然气:GB/T 17820—2012[S]. 北京: 中国标准出版社, 2012.Huang Wehe, Tang Meng, Huang Liming, Chen Zhangbing, Shi Xingchun, Qiu Jianyong, et al. Natural gas: GB/T 17820-2012[S].Beijing: Standards Press of China, 2012.

[7] 罗勤, 李晓红, 段继芹, 曾文平, 李万俊, 王晓琴, 等. 中俄天然气贸易谈判相关质量和计量标准对比及技术方案研究[R].成都: 中国石油西南油气田公司天然气研究院, 2017.Luo Qin, Li Xiaohong, Duan Jiqin, Zeng Wenping, Li Wanjun,Wang Xiaoqin, et al. The research on quality and number measurement standards and operational technical solution about natural gas trade negotiations between China and Russia[R]. Chengdu: Natural Gas Research Institute of PetroChina Southwest Oil and Gas Field Company, 2017.

[8] Folkestad T, Flolo D, Tunheim H & Nesse O. Operating experience with two ultrasonic gas meters in series[R]. Oslu: North Sea Flow Measurement Workshop, 2003.