天然气输气末站计量系统误差分析及措施

吕泽锋 庹浩 解鲁平 莫小伟 曲良勇

1中油辽河工程有限公司

2塔里木油田分公司

随着管输天然气在南疆各县市的逐渐普及，各地区城镇燃气实际使用量与工程建设设计存在一定差异，导致部分输气末站贸易交接计量设施与实际使用气量不匹配，给天然气贸易结算带来一定程度的困难，天然气贸易交接计量争议时常发生[1-2]。

南疆天然气管网输气末站站内设施包括进站分离器、调压橇、计量橇、进出站紧急切断、放空及辅助设施等。调压和计量都采用一用一备运行方式。计量橇流量计根据输量不同选用超声波流量计或旋进旋涡流量计。超声波流量计配套盘装式流量计算机，旋进旋涡流量计自带流量计算表头并自带温压补偿。调压橇采用安全切断阀+监控调节阀+工作调节阀模式[3-4]。

1 计量系统存在问题

1.1 先调压后计量导致压力波动

由于部分场站计量工艺是先调压后计量，调压阀引起的气流压力波动造成流量计准确度降低、测量范围窄、易超量程运行等问题，其计量工艺流程如图1 所示。GB/T 18603—2014《天然气计量系统技术要求》第5.1.2.3 节规定：应该注意避免脉动流和振动，同时第7.2.2.5 节也提出压力脉动、流速脉动及振动现象可能导致流量测量的较大误差[5]。该标准两次强调脉动和振动对流量计造成的影响，可见计量系统不平稳运行对流量计准确度影响很大。

1.2 设计输气量与实际用气量严重偏离

部分输气末站实际用气量远低于设计输气量，导致计量系统不能连续运行。当调压回路工作时，由于下游用户用气量小于调压橇的最小工作流量，导致调压橇工作时天然气充入下游管线。此时下游管线天然气无法及时消耗导致管线压力增加，当压力增加到调压橇出口允许最大压力时调压橇自动关闭。此时下游用户继续用气使管线压力下降，当调压橇出口压力降到设定值时调压橇启动，向下游管线充气。由于调压橇不断开启、关闭，引起的气流波动造成流量计经常超量程运行或低于下限运行。这两种运行方式都会严重影响流量计的准确度，导致输差增大，供气方经济效益下降。

图1 典型的计量系统流程示意图Fig.1 Flow diagram of typical metering system

1.3 下游用户复杂导致用气量波动大

部分站场除给城镇居民供气外，还给CNG 加气站供气。由于城镇燃气用气量随季节、早中晚用气时段变化很大，CNG 加气站压缩机启停又有很大的不确定性，这就导致管网用量高峰低谷流量比增大，最大可达50∶1。该比值已经远远超过量程比最大的流量计所能计量到的量程范围。

2 误差分析及对策

2.1 工况波动对流量计准确度影响分析

南疆天然气管网交接计量流量计有气体超声波流量计和智能旋进流量计。气体超声波流量计用于DN100 mm 及以上管线天然气计量，智能旋进流量计用于DN100 mm 以下管线天然气计量。这两种流量计均为速度式仪表，通过误差分析研究工况变化对流量计准确度的影响。

2.1.1 流体状态对气体超声波流量计的影响

管道内气体流动的稳态一般可分为层流、湍流和层流湍流过渡状态三种状态。层流是指流体有序的直线运动，它们之间不相互混合，如果混合就是湍流(紊流)。雷诺数大小是判断流体状态的关键参数，雷诺数小表明黏性力大，在一定程度上流体颗粒表现为层流，反之则表现为湍流。当雷诺数Re≤2 320 时，管内流体流动为层流；Re＞13 800时，流体流动为湍流；当2 320＜Re≤13 800 时，流动处于不稳定过渡状态。

流量测量值在不同的流体状态下修正过程中存在差异，因为流速的分布在不同的流动状态下是不同的[6]。由图2 可以看出，在黏性作用下，流体在管道截面方向的速度是不均匀的，通常呈梯度分布状态。管道壁面附近的速度最小，趋于0；管道中轴线处的速度最高。当气体在管道中轴线方向的任意位置的速度分布近似相同时，则认为气体流动为稳定状态，即湍流状态。此时由于速度分布相对均匀，测量系统误差也会减小。当流体为层流时，管道内流体的速度分布变化较大，计算平均流速困难，产生的误差也会增大。

计量系统误差公式为

式中：E为相对误差；QL为流量计测量流量；Qm为管道内实际流量。

图2 管道中流体状态Fig.2 Fluid state in pipeline

对于速度式流量计而言，计量系统相对误差表示为

式中：vm为介质实际平均流速；vL为仪表测得的介质平均流速。

图3 为不同雷诺数下的计量系统相对误差[6]，从图3 可以得到同一种介质不同流速（雷诺数）下相对误差变化趋势。一般情况下，雷诺数越大，介质流态趋于湍流，流量计测量值越接近实际值，即相对误差趋于零。

图3 不同雷诺数下系统误差随直管段变化的趋势Fig.3 Variation trends of system errors under different Reynolds numbers

2.1.2 调压后计量对气体超声波流量计的影响

超声波流量计的工作原理是使用一对超声波换能器交替（或同时）发送和接收超声波，利用流体带动声波的偏移时间来测量介质流速。流速计算公式为

式中：D为流量计的内径；θ为换能器与流量计轴线的夹角；c为声速；Δt为传播时间。

超声波换能器传播的声音频率一般在130 kHz（不同厂家有所不同）。根据流速等工况变化，调压橇中调节阀调压产生的噪声在16～130 kHz 左右。当达到一定工况时，超声波换能器的工作频率会与介质的波动频率重合，超声波流量计换能器难以区别甚至无法区分这两种信号，严重影响超声波流量计的性能、准确度和稳定性，甚至使流量计无法工作[7]。试验研究表明，高频噪声可使超声波计量的误差高达2%[8]。对于天然气贸易交接计量，计量系统根据输量不同，最大不能超过3%。这样计量系统本身误差再加上高频噪声产生的误差会使计量系统实际误差超过规范要求，因此要提高计量系统准确度，必须尽量避免调节阀高频噪声影响。

2.1.3 压力波动对智能旋进流量计的影响

图4 为旋进旋涡流量计的结构图。当流体通过旋涡发生器后，流体被迫绕着发生器剧烈旋转，形成旋涡。旋涡的频率与体积流量成正比。检测元件测得旋涡进动频率，通过公式（4）计算就可得到流量值，而且所测流量值能在较宽的范围内获得良好的线性度[9]。

图4 智能旋进流量计结构示意图Fig.4 Structure diagram of intelligent rotary flowmeter

流量计算公式为

式中：qv为体积流量；f为旋涡频率；K为流量仪表系数[10]。

通过图4 和公式（4）可以看出，智能旋进流量计是通过检测旋涡发生体产生旋涡频率计算气体流量的，因此要保证计量准确度，首先要保证流量波动缓慢，且通过流量计流体形成紊流。因为当流量变化时，涡流发生体产生的旋涡频率会动态变化，只有在新流体状态相对平衡时，流量计量才能准确。即保证直管段，先计量后调压或增加调节阀与流量计之间的直管段长度；其次要降低干扰，包括管线外部振动或阀门频繁操作等设备的噪声影响和电磁干扰。

图5 改造后先计量后调压流程示意图Fig.5 Flow diagram of metering first and then pressure regulation after transformation

表1 为某输气末站调压后计量8 日内的流量统计。表2 为该输气末站改造为调压前计量8 日内的流量统计（在0 ℃、1 个标准大气压下的气体体积，下同），图5 为改造后的计量工艺流程图。

表1 调压后计量日累积流量Tab.1 Daily cumulative metering flow after pressure regulation m3/d

表中比对值为下游用户实际收费平均用气量，输差计算方法为日平均气量减比对值再除以比对值。通过对比表1 和表2 的数据计算可得，改造前输差为10.7%，改造后输差为2.17%，均为负输差。与改造前相比，改造后计量流量有大幅度提高，该用气量也与下游用户实际收费用气量（比对值）相吻合。较改造前的工艺流程，输差已由10.7%降到2.17%（流量计准确度1.5%），天然气输差降低50%以上，该站输气效率和效益大大提高，商品率也有很大提高。

表2 调压前计量日累积流量表Tab.2 Daily cumulative metering flow before pressure regulation m3/d

因此，对于速度式流量计，在进行计量系统设计时，要保证管道中流体趋于紊流状态且要尽量保持平稳运行，减小波动。较为有效的方法是先计量后调压或者增大流量计（计量橇）与调节阀（调压橇）之间的距离，最大限度降低压力波动对计量系统准确度造成的影响。该方法适应于所有速度式流量仪表。

2.2 调压橇额定流量大于实际用气量的改造措施

图6 小流量计量工艺流程示意图Fig.6 Flow diagram of small flow metering process

图7 大小流量计自适应开启关闭流程示意图Fig.7 Flow diagram of self-adaptive opening and closing for large and small flow meters

针对调压橇能力偏大，导致计量系统不能连续运行的问题对计量系统流程进行了优化。由于调压橇建设投资较高，更换为小口径调压橇势必会造成投资的浪费而不经济，而且随着当地经济发展，南疆地区整体用气量为上升趋势，将来调压橇口径还需要增大。出于这些考虑，在原有计量流程基础上增加1 路小口径计量管路，对计量流程的优化如图6 所示。

为了解决原调压橇额定流量过大问题，在新增计量管路上增加1 路小口径调节阀，该调节阀的作用是限制通过该管路的流量。当下游用气量处于低谷阶段，通过流程切换，利用新增小管径管路计量小流量，并利用该管路调节阀限制流量，防止计量流程频繁充气及开关情况的发生。改造后可以保证最小工况1.2 m3/h 的天然气流量连续计量。

2.3 供气管线下游有CNG 站的改造措施

设置大小流量计自适应开启关闭流程解决输气站下游CNG 压缩机不定期启动造成流量计超量程运行问题，即在调压橇出口汇管上安装压力变送器，实时监控管线压力。工艺流程如图7 所示。

当CNG 压缩机启动时，由于管线存气量有所缓冲，管线压力缓慢降低。当压力降至低限时，自动联锁大口径管线切断阀开启，此时大小口径管路同时给下游供气，避免CNG 压缩机启动造成流量计超量程情况发生。当CNG 压缩机关停时，此时大、小口径管线同时给下游供气，供气量大于用气量，管线压力上升。当压力上升到设定值时，联锁关闭大口径管线切断阀，此时只有小口径流量计工作，可保证小气量时准确计量。

3 结束语

针对南疆天然气管网输气末站贸易交接计量系统存在的问题，分析了3 种常见问题产生原因及超声波流量计、智能旋进流量计的计量特性和准确度影响因素，最后对影响计量系统准确度的3 种常见问题采取了针对性的整改方案。整改后的实际运行效果表明，天然气输差降低50%以上，销售商品率显著提高。改造经验对其他调压计量站减小输差、提高输气效率有很大借鉴意义，对城镇燃气管网计量系统设计也有一定的指导作用。