气体涡轮流量计能量计量的可行性研究

梅茜迪 刘良果

摘  要：天然气贸易结算方式主要有两种：体积计量和能量计量。天然气能量计量已成为国际上天然气贸易和消费计量与结算的发展趋势，而我国普遍采用体积计量。2019年《油气管网设施公平开放监管办法》的出台标志着国家将天然气能量交接计量提上日程。目前川渝地区天然气体积交接计量装置使用最多的流量计为高级孔板阀、气体智能流量计与气体超声流量计。高级孔板阀可通过计量系统软件实现能量计量，超声流量计配套的流量计算机也具备能量计量的功能，但市面气体智能流量计包括气体涡轮、气体罗茨和气体旋进旋涡流量计目前均无能量计量功能，采用该类型流量计的计量点实现能量计量存在瓶颈。本文结合企业实际开展智能流量计中应用最广的气体涡轮流量计能量计量功能研究，探索采用气体涡轮流量计进行能量计量的可行性。

关键词： 气体涡轮流量计 能量计量 可行性

1 引言

目前川渝地区天然气体积交接计量装置使用最多的是高级孔板阀、气体智能流量计与气体超声流量计三类。高级孔板阀可通过计量系统及软件实现能量计量，超声流量计配套的流量计算机也具备能量计量的功能，但市面销售的所有气体智能流量计包括气体涡轮、气体罗茨和气体旋进旋涡流量计目前均无能量计量功能，采用该类型流量计的计量点实现能量计量存在瓶颈。本文将结合企业实际，开展智能流量计计中应用最广的气体涡轮流量计能量计量功能研究，研发一种具备在流量计内完成能量值计算和显示的气体涡轮流量计，探索采用气体涡轮流量计进行能量计量的可行性。

2 国内外现状及发展趋势

在国外，流量计标定装置技术水平较高，工业上采用的测量仪表主要有差压式流量计、涡轮流量计及孔板式流量计等。国内许多大型油气田采用的计量仪表是从国外采购的，基本上反映了国外流量测量仪表的技木水平，腰轮流量计和涡轮流量计的使用数量在欧州一些发达国家中占主导优势，在北美地区更是高达九成以上;在美国使用较多的测量仪表是孔板流量计，达到八成以上。在国内，流量计标定装置技术水平相对比较低，工业上采用的测量仪表主要是涡轮流量计，涡轮流量计占我国流量计使用总数的一半左右。气体涡轮流量计是一种速度式体积流量计，国内外大多数的研究集中在叶轮、轴承、润滑油等因素对涡轮流量计测量性能的影响，无能量计量方面的相关研究，因此开展气体涡轮流量计能量计量功能研究是很有必要的。

3 气体涡轮流量计调研

3.1 现状

目前市面上用于贸易计量的气体涡轮流量计主要为带流量积算仪的智能计量仪表，包括涡轮流量计表体、温度传感器、压力传感器、流量检测，流量积算仪采用AGA NX-19、AGA8-92DC或SGERG-88方法对天然气的压缩因子进行实时在线计算，并据此对温度、压力进行自动补偿，具备瞬时工况体积流量、标况体积流量、总量、压力、温度、电量显示功能，可用于计量天然气、液化石油气、空气、氮，或其他惰性气体。输气管理处目前使用气体涡轮流量计197台，占所有流量计的26%。

3.2 原理

气体涡轮流量计是一种在气流作用下叶轮受力旋转，其转速与气体体积流量成函数关系的测量设备。在一定的流量范围内，脉冲频率f与流经传感器的流体的瞬时流量Q成正比，流量方程为：

Q=3600×f/K

f：脉冲频率Hz;

K：仪表系数;

Q：瞬时工况体积流量m³/h或L/h。

3.3 结构

气体涡轮流量计主要由计量室、涡轮、表体（壳体）、温度传感器、压力传感器、信号检测器、加油泵系统以及流量积算仪组成。流量积算仪主要由电源管理、信号检测、微处理器、通信、数据存储和显示屏等几部分组成。微处理将传感器采集的信号进行数据处理，将处理计算的结果进行存储、显示，可输出给上位计算机或二次仪表。

3.4 能量计量原理及方法

GB/T22723-2008《天然气能量的测定》规定天然气能量值的计算方法为，在相同参比条件下，分别测量和计算天然气单位体积的发热量和某一时间段内通过的天然气的体积，两者的乘积就是输送段时间内通过仪表的天然气累计发热量。计算公式为[1]：

E=HQ

E：天然气能量，MJ;

H：天然气的标况体积发热量，MJ/m3

Q：天然气的标况体积，m3

讓气体涡轮流量计显示能量值的方法是用单位时间内的标况体积乘以高位发热量，然后对该值进行累积。（标况：101.325kPa，20℃）

4 气体涡轮流量计能量计量功能研发

制作气体涡轮流量计样机，采用气体涡轮流量计基表，结合现有温度传感器、压力传感器、流量检测、按键、液晶显示、RS485/Modbus通信，使用SGERG-88方法对天然气的压缩因子进行计算，增加原流量积算仪计算程序，在现有瞬时工况流量、标况流量、体积累量显示的基础上增加能量值计算及显示功能。

4.1 嵌入式软件程序编写及改造

进行气体涡轮流量计主板（图3）功能程序编写及改造，通信协议、操作菜单设计，完成了气体涡轮流量计能量计量功能研发和与计量系统RTU的通信协议的对接和联合开发。

4.2 完善软件功能

开展气体涡轮流量计样机制作和按表1开展系统内部测试及嵌入式程序测试、修订，完善试验用气体涡轮流量计软件的能量计量功能。

4.3 样机测试

将改造后的气体涡轮流量计样机送中国测试技术研究院进行型评测试及能量计量功能验证，取得测试合格报告。为确保试验样机各部件性能完好性，同时对样机的压力传感器进行了检定和温度传感器进行了校准。

4.3 样机的现场安装调试

将测试合格的两台样机安装到工艺管道现场，下发在线色谱分析仪实时分析的天然气组分、高位发热量至样机，完成流量计实时能量计量结果与工况流量、温度、压力同步采集和组态。

4.4 数据分析

读取两台样机流量计上传工况瞬时流量、温度、压力，以及组分信息，运用PC端计算软件获得瞬时标况流量和瞬时能量流量，与流量计自身计算瞬时标况流量和瞬时能量流量进行长达3个月的比较，结果表明瞬时能量流量的相对误差均小于0.05%。

5结论

综上，结合现有气体涡轮流量计工作原理，对流量计进行了升级改造，完成具有能量计量功能的气体涡轮流量计样机制作，流量计样机具备在体积修正仪完成能量值计算和显示的功能，经中国测试技术研究院测试合格。

通过分析连续3个月的气体涡轮流量计样机现场安装获取的能量计量相关数据，通过上述方法改造后的气体涡轮流量计进行能量计量是可行的，设备运行稳定可靠。

参考文献

[1]GB/T 22723-2008 《天然气能量的测定》[S].