周新宇，姬玲君
（中石油华东设计院有限公司，山东 青岛 266071）
近年来，随着中国工业化水平的不断提高，天然气已成为国内重要的能源组成部分。天然气计量作为天然气贸易交接中的重要环节，科学规范的计量方式是保证精准计量，减少贸易摩擦及纠纷的重要保证手段。但因国内过去天然气产量低、规模小，传统的体积计量方式已不能适应天然气高质量发展的内在需求，更加规范科学的能量计量方式改革已成为当务之急。
天然气计量有体积计量、质量计量和能量计量3种方式，目前国内以体积计量方式为主；
欧美等大多数国家普遍采用能量计量（即以天然气热值发热量作为计量计价依据）。质量计量在天然气计量中的应用较少，在此不展开说明。
流量计是天然气体积计量中最重要的设备，根据天然气流量计工作原理，主要包括以下几类：
1）差压式流量计，主要包括孔板流量计、文丘里流量计、阿牛巴流量计等。
孔板流量计结构简单，是目前天然气中测量中最成熟、最常用的方法之一。但存在精度不高、量程比较小，上、下游直管段长度要求较高等缺点。阿牛巴流量计可用于大口径的天然气计量，压损小，但价格比较昂贵。
2）容积式流量计，主要包括腰轮流量计、双转子流量计等。
腰轮流量计、双转子流量计精度较高，无上、下游直管段长度要求，适用于小口径、小流量的天然气计量。
3）速度式流量计，主要包括涡轮流量计、旋进旋涡流量计、超声波流量计等。
涡轮流量计的结构简单，可靠性高，精度及量程比较高，但对流速及上、下游直管段长度有要求。
旋进旋涡流量计不受压力、温度、组分变化的影响，且精度一般，量程比较小，在长输天然气管道中使用较少。
超声波流量计不受气体压力、温度、组分变化的影响，测量精度高，测量范围大（最高可达100:1），可实现双向流量计量。但目前多为进口设备，价格昂贵，只适用于大、中口径，不适用于较小口径（小于DN100）天然气计量。
4）质量流量计
质量流量计无上、下游直管段要求，且精度较高，稳定性好，适用于小口径、小流量的天然气计量。
天然气能量计量是体积计量的扩展与延伸，通过体积计量数值与天然气的热值乘积计算获得。与体积计量方式相较，能量计量更能科学地体现天然气作为燃料的商品价值。通过计量及分析仪系统，可科学规范地进行天然气的能量计量。
2.1 计量及分析仪系统
计量及分析仪系统主要由流量计量部分、分析仪部分、工艺设备部分和控制系统部分组成[1]。
2.1.1 流量计量部分
流量计量部分主要由流量计、流量计算机、温度和压力变送器等组成。
1）流量计
流量计用于对天然气体积/质量流量的测量，流量计类型可参考体积计量中的选用原则。
随着大口径、高压力输送管线的不断建设，超声波流量计已经广泛地应用于天然气贸易计量中，以前经常使用的孔板流量计、涡轮流量计等已经越来越不能满足要求。以土耳其某输气管道项目为例，工艺管线为20"，管道设计压力为86bar(G)，贸易计量用流量计精度要求不低于0.35%，在此工况条件选用超声波流量计可以满足以上要求。
2）流量计算机
流量计算机用于流量和能量的计算，并与流量计配套使用。流量计算机具有根据流量参数和气体组分参数直接计算标准体积、能量的功能。流量计算机对流量计、温度/压力变送器、分析仪等数据进行复杂的运算后，能够提供出准确的计量数据，并以此作为最终贸易交接中法律认可的标准数据[2]。流量计算机可通过简单的组态或选项进行计量标准选择，正常计算时，不受其它计量标准的影响。流量计算机天然气压缩因子的计算方法满足GB/T 17747[3]或AGA Report NO.8[4]的要求，天然气密度、组成、发热量、相对密度、沃泊指数的计算方法应满足GB/T 11062[5]或 ISO6976[6]标准要求。
3）温度变送器和压力变送器
温度/压力变送器用于温度和压力的补偿计算。为保证计量系统的整体精度要求，温度和压力变送器的精度应优于计量系统精度的最低要求，其安装位置也应按照流量计的相关国家标准规范来执行。
2.1.2 分析仪部分
分析仪部分主要由气相色谱分析仪、氧含量分析仪、烃露点分析仪、水露点分析仪、硫化氢分析仪等组成。此部分分析仪一般在分析小屋内安装，由分析仪系统集成商负责。
1）气相色谱分析仪
天然气的发热值可通过分析气体组分计算而得，而计算天然气的气体组分一般使用气相色谱分析仪[7]。通过气相色谱分析仪实时取样分析，得到天然气的组成、密度、热值等物理参数，并将结果输入到流量计算机中，实现对天然气流量和热值的及时修正，保证天然气计量的精度。
2）氧含量分析仪、烃露点分析仪、水露点分析仪、硫化氢分析仪
氧含量、烃露点、水露点、硫化氢含量等结果用于计量系统的数据指示与报警，一般不用于贸易交接。测量氧含量的目的是从安全或防腐的角度考虑，避免恶意掺混空气；
测量烃露点的目的是因为天然气管道中出现冷凝物会引起测量、自控和过滤装置发生故障，影响管道安全运行；
测量水露点的目的是防止液相水的产生[8,9]；
测量硫化氢的目的是有效减少对环境和人身健康的危害，以及对管道和设备的腐蚀[10]。
2.1.3 工艺设备部分
工艺设备部分主要由流量计上、下游切断阀，上、下游直管段，整流器等组成。
1）流量计上、下游切断阀
一般选用密封良好、零泄漏的全通径阀门，并配带气动或电动执行机构，由计量及分析仪系统负责控制。
2）上、下游直管段及整流器
上、下游直管段需与流量计同心、同径，且符合上、下游直管段长度要求，整流器的类型、安装位置和加工制造等应遵循相关标准要求。以土耳其某输气管道项目为例，超声波流量计的前后都需要设置直管段和整流器，需符合AGA Report NO.9［11］标准，上、下游直管段需取得PED认证，整流器样式需取得国际法制计量组织（OIML）的形式认证等要求。
以超声波流量计为例，单向计量的流量计上、下游直管段及整流器配置方案如图1。
图1 单向计量的流量计上、下游直管段及整流器配置方案Fig.1 Configuration scheme of the upstream and downstream straight pipe sections and rectifiers of the flowmeter for one-way metering
以超声波流量计为例，双向计量的流量计上、下游直管段及整流器配置方案如图2。
图2 双向计量的流量计上、下游直管段及整流器配置方案Fig.2 Configuration scheme of the upstream and downstream straight pipe sections and rectifiers of the flowmeter for bidirectional metering
2.1.4 控制系统部分
计量及分析仪系统可独立配置一套控制系统，用于数据采集及处理，电动/气动阀门的控制和流程切换等功能。计量及分析仪系统通过数据通信方式，将计量数据、控制数据和状态报警信息上传至站控系统。
如无特殊要求，计量及分析仪系统亦可依托站控系统，完成上述描述功能。
由于流量计直接关系到贸易计量的准确性，流量计精度就显得尤为重要。一般来说，流量计厂家会在国际知名认证机构（如中国的PAC、欧洲的MID、国际上的OIML等）中获得流量计的精度认证。但由于流量计产品在取得精度证书认证时，一般是采用空气下进行标定，当流量计用在压缩天然气计量时，尤其在高压条件下，标定条件与实际工况存在显著差异，会造成很大的计量误差。这就要求高压天然气计量时，应尽量在实际工况下标定后再进行测量。
所以，即使流量计产品在出厂时取得了精度认证证书，为保证测量精度，流量计用在天然气贸易计量时还需在国际认可的第三方标定中心（世界知名的标定中心有美国CEESI标定中心、美国SWRI标定中心、德国Pigsar标定中心、荷兰NMI标定中心，加拿大TCC标定中心等）进行实流标定，并取得标定中心出具的标定认证证书。
由于不同的标定中心标定装置存在差异，导致各实验室能够标定流量计的最大压力和最大流量都不一样，因而需要根据流量计的类型、尺寸、压力等级等方面，再结合业主要求选择合适的标定中心。以土耳其某输气管道项目为例，业主方只认可在欧洲标定中心出具的标定证书。
以下为一般需与标定中心明确的标定内容：
1）标定的压力等级。标定中心一般都只有几个压力等级可以选择。以土耳其某输气管道项目为例：管道的设计压力为管道设计压力为86bar(G)，由于标定中心均无法达到此标定压力，业主方要求在不低于60bar(G)标定压力下进行标定。当业主方没有要求时，标定的压力等级不宜小于最大操作压力的50%。
2）标定的流量。流量计的流量标定方式不尽相同，以土耳其某输气管道项目为例：当流速在0.3m/s～0.9m/s之间时采用3点标定，分别在最小流量、50%最大流量、最大流量点设置；
当流速在0.9m/s至最大流速之间时采用5点标定，分别在最小流量、25%最大流量、50%最大流量、75%最大流量、最大流量5个点设置。得到上述标定数据后，标定中心根据标定数据做出精度误差曲线并出具标定认证证书。
3）对于有双向计量要求的流量计应进行双向标定。
天然气作为一种优质能源和化工原料，其计量方式越来越受到国内及国际的重视。随着中国市场经济的发展，天然气贸易变得愈发频繁，计量及分析仪系统是保证贸易交接过程规范、合理、公正的重要手段。随着中国市场经济的不断完善，国内的天然气贸易交接方式也将与国际接轨，从传统的体积计量向能量计量不断发展。
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