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天然氣流量計量及儀表選型
重慶天燃氣有限責任公司 尹梅
0 引 言
隨著天然氣的廣泛使用，各種不同使用狀況和需求對流量計量的要求有很大的差別，同時，由于氣體的可壓縮性，流量的測量，氣體要比液體困難得多。若要求氣體計量達到相當高的精度，則計量儀表的經濟投入必然巨大。因此，合理選擇測量方法及功能、特性、經濟適用的流量儀表是非常必要的。以下就天然氣的計量標準、測量方法及儀表選型進行實用性介紹。
1 天然氣計量標準及溫度、壓力修正方式
(1) 天然氣計量標準
天然氣計量以體積表示，單位：m3。由于氣體具有可以充滿任意空間和可壓縮性的特性，由氣體狀態方程式可知，作為計量用的標準體積，必須對壓力、溫度作出明確的統一規定，離開了狀態談論氣體體積是沒有意義的。
國家石油行業標準已明確規定以溫度293.15K(20℃)，壓力101.325kPa時的狀態為天然氣計量標準狀態；凡是實際狀態與此標準狀態不相符時，均應按氣體狀態方程式進行修正。
式中：Qn---標準狀態下的氣體體積量，m3；
Q---工作狀態下的氣體體積量，m3；
t---工作狀態下的氣體溫度，℃；
P---工作狀態下的表壓力，kPa；
Pa---測量時當地的大氣壓，kPa；
z---氣體的壓縮系數。
壓縮系數z是隨溫度和壓力而變化的，它與氣體的工作壓力P和氣體的臨界壓力PC的比例(P/PC)、氣體的工作溫度T(K)和氣體的臨界溫度TC(K)的比例(T/TC)有明確的函數關系。天然氣的壓縮系數z=1/F2z，超壓縮因子Fz可在國家石油行業標準SY/T6143-1996中的附錄Ａ中查出；在壓力小于0.1ＭPa時，z=1。
天然氣管網輸配的實際情況是變化復雜的，常與標準狀態不相符。故需采用一定的修正方式進行補償修正。
(2) 不同地區的固定人工修正系數
當無溫度、壓力自動補償裝置和壓力記錄儀時，并在使用壓力波動不大時，可根據各地區大氣壓不同(北京為101.32kPa，重慶為98.32kPa，上海為101.61kPa，拉薩為65.18kPa)和溫度不同制定出當地適用的固定人工修正系數K固參考表。
按(1)式可得：
式中：KT---平均溫度修正系數；
KP---平均壓力修正系數。
在確定的地區和一個時期內(冬季或夏季或全年)，平均溫度t和平均大氣壓Pa可為常數；而z隨P變化，故K僅隨P變化。由此可列出K-P關系的當地系列壓力修正系數參考表，根據實際壓力P(由表前壓力計近似讀取)直接查出K固，即可按下式求出標準狀態下的體積流量：
Qn=K固×Q
式中：Q---流量儀表的指示讀數，m3
(3) 采用壓力記錄儀人工定時修正系數
在流量儀表前安裝壓力記錄儀，連續記錄氣體在24小時內的壓力。將壓力記錄儀的起點調到當地大氣壓，采用100%圓圖刻度記錄紙，用算術平均法或相當半徑法(比例求積儀)，求出靜壓平均格數ＸP，則：
式中：Pmax---壓力記錄儀上限值，kPa。
采用溫度計，每隔2小時記錄一次溫度，算出當日平均溫度，由此可求得KT，按(2)、(3)式即可得Qn。
(4) 電子修正積算器
用微電子處理技術對采集的信號進行處理和計算，以實現對被測體積的精確修正。采集來自氣體流量儀表的脈沖訊號，根據設定的脈沖當量值計算出未經修正的實際流量體積Q，并與測得的工況壓力P(設定平均壓力固定值或壓力傳輸器引入的被測當前壓力)、工況溫度T(設定平均溫度固定值或溫度傳感器引入的被測當前溫度)、壓縮ｚ(設定為固定值或輸入公式自動計算)、當地大氣壓Pa，按(1)式進行軟件設計，使其自動計算出標準體積。它可與氣體渦輪流量計、腰輪流量計、漩渦流量計、膜式煤氣表等配合使用。
2 天然氣標準孔板流量計及配套裝置
標準孔板測量流量是當氣體流經孔板時，其前后產生的壓力不同，通過此壓力差來計算流量。標準孔板是符合GB/T2624-1993的標準節流裝置(標準孔板、噴嘴、文丘利管)的一種，有可*的實驗數據。根據GB/T2624-1993設計、加工、安裝的標準孔板不必單獨校準或標定。
(1) 節流裝置的流量計算公式：
式中：Q---工作狀態下的體積流量，m3/ｓ；
ε---可膨脹性系數；
△P---節流件前后的壓差，Pa；
ρ---節流件上游側一定溫度、壓力下的密度，kｇ/m3；
ｄ---節流件開孔直徑，m；
β=ｄ/Ｄ---節流件的直徑比，Ｄ為管道內徑，m；
C---流出系數。與工作狀態下流束的摩擦阻力、渦流損失、收縮情況和取壓孔位置有關的修正系數，可采用實驗方法求得或用Stｏｌｚ方程計算給出。
(2) 天然氣標準孔板流量測量的實用公式
天然氣采用標準孔板進行流量計量時，可按SY/T6143-1996進行流量計算，其標準體積流量計算的實用公式：
式中：Qn---標準狀態下天然氣體積流量，m3/ｓ；
ＡS---秒計量系數，視采用計量單位而定，此式ＡS=3.1794×10-6，若以小時Ｈ為單位，需乘上3600。
C---流出系數；
Ｅ---漸近速度系數，
ｄ---孔板開孔直徑，mm，ｄ=ｄ20[1+λｄ(t-t20)]，ｄ20和t20分別為20℃±2℃時孔板開孔檢測直徑(mm)和室內溫度(℃)，λｄ為孔板材料的線膨脹系數(mm/mm.ｃ)，t為天然氣流過孔板時的溫度(℃)。
FG---相對密度系數，![]() ，Gｒ為真實相對密度；
P1---孔板上游側取壓孔氣流絕對靜壓，ＭPa；
△P---氣流流經孔板時產生的差壓，Pa；
ε---可膨脹系數，ε=1-(0.41+0.35β4)![]() ，k為等熵指數；
Fz---超壓縮因子，![]() zn和z1分別為標態下和流態下的壓縮系數；
FT---流動溫度系數，
式中C、ε、λｄ、Gｒ、FG、FT、Fz、z1等參數均是對實際工況轉換為標準狀態的修正系數，其具體數據可查該標準的相關附錄表。
(3) 天然氣用標準孔板計量的流量積算
a) 用雙波紋管差壓流量計積算
雙波紋管差壓流量計由測量孔板(差壓、靜壓)和顯示部分及附件求積儀組合而成，用100%圓圖刻度記錄紙(即開方卡片)來記錄孔板的差壓△P和靜壓P1，由求積儀算出當日流量，按(6)式，可得其實用公式：
取
![]() X104
對于一臺確定的計量裝置，當天然氣成分一定時，ｄ、Pmax、△Pmax、Gｒ可視為常數；當β值(即ｄ、Ｄ值一定時)一定的節流件在雷諾數較高的區域內使用時，C可視為常數；對于特定環境下，Fz(=1/z)值基本可視為常數(供氣壓力低于0.5ＭPa時，可取z約為1)；當用壓力比較穩定，氣量變化不很大時，則ε也可視為常數，由此K雙在特定的情況下為常數。則：
根據此公式，可人工積算出一天的用氣量。
雙波紋差壓計由于性能穩定性好，經濟投入不大，常用于中、高壓，大中流量的工業管線和總計量以及臨時計量中，但因人工積算不便且積算精確受人為因素影響，現逐漸被較先進的儀表取代。
ｂ) 微機流量計量裝置
微機流量計量裝置由孔板(或其它一次流量儀表和渦輪、漩渦等)、差壓和壓力變送器(或渦輪、漩渦變送器等)、溫度變送器和工控式微處理器及其相應配套設施，將孔板的差壓、壓力、溫度信號由變送器轉換成模擬量4～20mＡ，經過Ａ/Ｄ轉換器傳送到已事先輸入并嚴格按(6)式(或其它流量儀表變送器相應的計算公式)程序設計軟件的微處理器內，從而通過顯示器獲得氣體的流量；它可實現管道運行數據實時采樣(每二秒一次或幾秒一次)，比人工每小時采樣精確很多，并可安裝多套計量管線和多種流量儀表的信號，同時記錄、運算和顯示。其原理圖如圖1所示。
可接收來自孔板經壓力、差壓、溫度變送器產生的4～20mＡ(或1～5Ｖ)模擬量信號(以及來自渦輪、漩渦等流量計的脈沖信號，頻率量范圍為0～5000Ｈｚ幅值12Ｖ)。可設計出顯示瞬時流量、時和日月累計流量、差壓和壓力、溫度及其上下限、密度、報警、記錄參數更改的內容、時間以及壓力、差壓、流量曲線等多項功能。
3 膜式煤氣表和腰輪流量計
此兩種儀表屬于容積式流量儀表。其特點具有測量準確度高，量程比寬，被測氣體的密度和粘度的變化對儀表示值和準確度影響小，對儀表前后直管段要求不高，但儀表傳動機構復雜，制造要求高，關鍵件易磨損。腰輪流量計需定期清洗和添加、更換潤滑油。
膜式煤氣表工作原理：在儀表進出口的壓差作用下，氣體通過滑閥和分配室，使兩個計量室的隔膜形成交替進排氣的往復運動；各自往復進排氣一次巡回體積為一額定值即一回轉體積量(Ｖ1)；與此同時連接于隔膜主軸上的傳動轉換機構，將隔膜一回轉的次數連續輸入到計數機構，進行流量累計，從而顯示出氣體流出的總量。如圖2所示。
腰輪流量計又稱羅茨或轉動流量計，當氣體由進口流入，在進出口壓差作用下，處于圖3a位置時，腰輪Ａ上的合成力矩不平衡，故腰輪Ａ不能轉動。而腰輪B上的合成力矩不平衡，故腰輪B按順時針方向轉動，同時把計量室內的氣體排向出口，與此同時腰輪B轉軸上的驅動齒輪帶動了腰輪Ａ轉軸上的驅動齒輪，使腰輪Ａ按逆時針方向轉動，逐漸由圖3ｂ位置到達圖3ｃ位置，同樣通過兩腰輪上所受力矩和轉動過程則形成圖3ｄ位置，兩腰輪如此主從交替轉動，腰輪旋轉一周就有四個如圖中陰影部分容積的氣體排出，通過腰輪的轉數和齒輪減速系統，輸入到指示機械從而顯示出氣體的總流量。如圖3所示。
膜式煤氣表大量用于居民用氣，腰輪流量計常用于中壓用戶。兩種儀表一般未帶溫度壓力補償裝置，故需采取如前“計量標準”中所述三種修正方式之一進行補償修正。當采用電子修正積算器時，需加裝溫度、壓力、示值傳感器，一是可在儀表出廠前預留信號管(壓力、溫度)和示值傳感器；另外可在儀表現場天然氣輸配管線上引出壓力、溫度信號管并配相應傳感器和示值傳感器。
兩種儀表可通過加裝示值傳感器實現數據遠傳，從而實現微機數據集中管理。
4 氣體渦輪流量計、卡門渦街流量計和旋進漩渦流量計
三種儀表均屬速度式流量計。氣體渦輪流量計特點是結構緊湊、準確度高、重復性好、量程比較寬、反應迅速、壓損小，但安裝使用(表前需安過濾器和整流器)和軸承耐磨性的要求較高；漩渦流量計是儀表內部無活動機件、壽命長、準確度高、量程比寬，但流速分布情況和脈動流、振動對測量有不同程度影響。
氣體渦輪流量計工作原理：當被氣體流經渦輪體時，氣體推動帶有螺旋形導磁葉片的葉輪旋轉，當由鐵磁材料制成的葉片旋經固定在殼體上的磁感應或信號檢出器中的磁鋼時，引起磁路中磁阻的周期性變化，并在感應線圈內產生近似正弦波的電脈沖信號，在渦輪儀表規定的流量范圍內，脈沖信號的頻率ｆ(Ｈｚ)與流速即流量成正比，將此脈沖信號經過積算顯示部分運算、處理可顯示出流量，如圖4所示。
卡門渦街流量計工作原理：在流體管道內插入一根非線型的柱狀物(圓柱或三角柱)，當氣體流經并達到一定雷諾數范圍內，柱狀物的下游即產生兩列不對稱而有規律的交替漩渦，漩渦的頻率ｆ(Ｈｚ)與流速即流量成正比，通過檢出器、放大和轉換器，可獲得流體的流量。如圖5所示。
旋進漩渦流量計工作原理：當氣體沿著軸向進入流量計入口，螺旋錐體強迫流體旋轉，形成漩渦流經文丘利管旋進、節流、加速，在中心軸線處形成高速旋轉的渦核，到了擴散器，因壓力的變化產生回流，使渦核轉折偏離軸線，形成錐旋線進動。若儀表有關的幾何形狀和尺寸設計合理，檢測點的螺旋漩渦進動頻率ｆ(Ｈｚ)與流速即流量在很寬的流量范圍內成正比，經過放大整形成電脈沖信號，傳輸至顯示部分，即可運算出流體的流量。如圖6所示。
三種代表的工況流量公式：
式中，K儀---儀表系數，它與儀表設計的具體形狀、尺寸、檢出點、生產工藝等多種因素有關，并需經檢測標定。
結合(1)式和(10)式，三種儀表同樣可采用如前所述的三種修正方式之一進行修正，從而獲得標態下的流量。
除采用上述修正方式外，也可將(1)式、(10)式綜合融進智能一體化設計，使儀表直接顯示出標態下的流量，例如：智能旋進旋渦流量計，其結構圖見圖6，其流量積算原理圖見圖7；氣體渦輪流量計和卡門渦街流量計均可按此結構形式和原理進行一體化設計。
5 儀表選型參考表(如表1)
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