淺談質(zhì)量流量計在天然氣計量的應(yīng)用
 

科氏力質(zhì)量流量計大的特點就是能夠直接測量流體的質(zhì)量，在液體流量測量中應(yīng)用廣泛，尤其是成品油的長輸管道貿(mào)易計量；但在天然氣計量方面，還很少應(yīng)用，本文根據(jù)質(zhì)量流量計的特點，介紹一下其在天然氣計量方面的應(yīng)用。
    1 質(zhì)量流量計工作原理
    科氏力質(zhì)量流量計的工作原理在很多資料里都有詳細的介紹，只簡要介紹雙U型管質(zhì)量流量計的原理，其結(jié)構(gòu)及工作原理，如圖1所示。
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圖1 雙U型管質(zhì)量流量計的結(jié)構(gòu)及工作原理
    從圖1可以看出，在雙U型測量管質(zhì)量流量計當(dāng)中，入口處的分流管把流入的介質(zhì)均等地一分為二，送到兩根測量管中，兩根測量管由于驅(qū)動線圈的作用，以一定的固有頻率及一定的振幅，產(chǎn)生以支點為軸的相對振動。在沒有流體流動的情況下，兩根測量管平行振動，進出口檢測線圈檢測出來的信號相同，沒有相位差。
    當(dāng)測量管中有流體流過時，雙U型振動管由于振動方向相反，在科里奧利里的作用下，產(chǎn)生如圖2所示的扭動，該扭動的角度大小與流過振動管中流體的質(zhì)量流量成正比，扭動的角度可以通過進出口檢測線圈檢測出來的信號相位差測得，即質(zhì)量流量=流量計系數(shù)´相位差。
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圖2 雙U型振動管產(chǎn)生的扭動
    2 質(zhì)量流量計特點
    2.1 優(yōu)點
    根據(jù)工作原理和結(jié)構(gòu)分析，與其它流量計相比，質(zhì)量流量計測量天然氣具有以下優(yōu)點：
    （1）計量準(zhǔn)確度高（≤0.5%），穩(wěn)定性好，真正實現(xiàn)了高精度的直接流量測量。
    （2）量程比高，普遍可以達到20：1至50：1，有的質(zhì)量流量計其范圍度已高達100：1以上。
    （3）不受管內(nèi)流體流動狀態(tài)的影響，在流量計上下游不必設(shè)置直管段。
    （4）檢測管內(nèi)無可動部件，也無阻礙流體流動的部件，使流量計更便于維護和清洗，使用壽命更長。
    （5）對介質(zhì)的適應(yīng)性較廣，可應(yīng)用于維護較困難的臟氣或濕氣的計量。能應(yīng)用于氣體組份和密度變化較大的情況。
    （6）尤其適用于以質(zhì)量為基礎(chǔ)的貿(mào)易交接計量和過程控制的應(yīng)用場合。
    2.2 缺點
    當(dāng)然，質(zhì)量流量計也有缺點，選用時應(yīng)充分注意以下幾點：
    （1）不能用于測量密度太低的天然氣。
    （2）對外界振動干擾較敏感，質(zhì)量流量計對安裝固定有較高要求。
    （3）不能用于大管徑流量測量。
    （4）有較大的體積和重量；壓力損失也較大。
    （5）價格昂貴。
    3 質(zhì)量流量計計量方式
    目前，在國際上天然氣貿(mào)易計量交接有3種體系：一是標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的體積量計量，二是質(zhì)量計量，三是標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的能量計量；這三種計量方式，質(zhì)量流量計都能夠單獨或配套其它設(shè)備完成；現(xiàn)有的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)是國際的AGA11#報告和國內(nèi)的SY/T6659-2006《用科里奧利質(zhì)量流量計測量天然氣流量》。
    3.1 質(zhì)量計量
    由于質(zhì)量流量計能夠直接測量天然氣的瞬時質(zhì)量流量，在質(zhì)量計量方面有得天獨厚的優(yōu)勢，不需要其它測量設(shè)備，就可獨立完成。
    3.2 標(biāo)況體積計量
    質(zhì)量流量計測得的天然氣的瞬時質(zhì)量流量，除以根據(jù)天然氣組分計算的標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的天然氣密度，就可得到標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的體積流量。
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    式中：qn——標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的瞬時體積流量；
    qm——瞬時質(zhì)量流量；
    Pn——標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的靜壓力，0.101325MPa；
    Mn——氣體的摩爾質(zhì)量；
    Zn——標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的氣體壓縮因子；
    R——通用氣體常數(shù)；
    Tn——標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的氣體熱力學(xué)溫度，293.15k。
從公式（1）中可以看出，不需要測量流體的溫度和壓力，只需知道氣體的摩爾質(zhì)量，就可將質(zhì)量流量轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的體積流量（Zn是Mn的函數(shù)）。
    3.3 能量計量
    能量流量通過質(zhì)量流量與發(fā)熱量乘積計算得到。
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    式中：qe——瞬時能量流量；
    qm——瞬時質(zhì)量流量；
    流量計信息網(wǎng)內(nèi)容圖片——標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的天然氣質(zhì)量發(fā)熱量。
    4 在天然氣計量中的應(yīng)用范圍
    4.1 質(zhì)量流量計在管輸天然氣中的應(yīng)用
    盡管質(zhì)量流量計有很多優(yōu)點，但其不能用于大管徑流量測量、壓力損失較大、價格昂貴等缺點，限制了其在天然氣長輸管道的計量應(yīng)用；目前，長輸管道的主流天然氣計量儀表是超聲波流量計、渦輪流量計和孔板流量計。
    孔板流量計由于有準(zhǔn)確度較低，量程比小，壓力損失大，流量計前后的直管段要求較長，占地面積大，參與檢測的元件較多需要維護的環(huán)節(jié)較多等缺點。而超聲波流量計準(zhǔn)確度高、量程比大，無壓力損失，節(jié)省能源；無運動部件，維護量小，可節(jié)省大量的人力和物力。所以超聲波流量計的性能價格比要遠遠高于孔板流量計，目前超聲波流量計已經(jīng)逐漸取代了孔板流量計成為天然氣貿(mào)易交接的理想產(chǎn)品。
    氣體渦輪流量計的應(yīng)用歷史較長，技術(shù)較為成熟，目前在國際天然氣計量領(lǐng)域應(yīng)用也較為普遍。其特點是準(zhǔn)確度較高，穩(wěn)定性較好，量程比較寬，所需的直管段較短，占地面積小。但是氣體渦輪流量計對被測介質(zhì)的清潔度要求較高，由于渦輪流量計的葉輪容易損壞，所以一般要求流量計前安裝過濾器；且在投運操作上也有很高的要求。導(dǎo)致渦輪流量計的后期維護維修量較大。
    盡管超聲波流量計有諸多優(yōu)點，但是由于超聲波流量計的測量原理為傳播時間差法，當(dāng)超聲流量計的口徑變小時其聲波傳播的聲程變短，傳播時間也相應(yīng)變短，傳播時間差就會很難得到準(zhǔn)確的測量，這使小口徑的超聲波流量計的量程比和準(zhǔn)確度都會下降。
    所以在管輸天然氣計量中，給質(zhì)量流量計留下的使用空間基本上只有小口徑（DN100以下），和較臟的天然氣兩種情況，在這兩種情況下，質(zhì)量流量計可充分發(fā)揮出其優(yōu)點。
    此外，在燃驅(qū)壓氣站自耗氣計量中，也會有出色的表現(xiàn)，由于站內(nèi)生活用氣和壓縮機燃料氣的用氣量供氣啟停頻率較高，特別是流量波動范圍很大（現(xiàn)波動大的站達到5~20000Nm3/h之多），造成對流量計的沖擊較大，就目前的技術(shù)而言，在全范圍內(nèi)測量比較困難。質(zhì)量流量計具有具有50：1的量程比（示值范圍達到500：1），遠遠大于其他幾類流量計，加上安裝檢測管內(nèi)無可動部件，也無阻礙流體流動的部件，不需要前后直管段，節(jié)省占地面積等優(yōu)點。適合用于自耗氣流量總計量。
    4.2 質(zhì)量流量計在天然氣生產(chǎn)井計量的應(yīng)用
    天然氣生產(chǎn)井外輸管線內(nèi)，壓力、溫度、雜質(zhì)含量以及生產(chǎn)狀況下密度多變，準(zhǔn)確計量非常困難，這種狀況不適用于常規(guī)的流量計，而質(zhì)量流量計由于上述特點，可以徹底解決這些問題。
    4.3 質(zhì)量流量計在液化天然氣（LNG）計量中的應(yīng)用
    液化天然氣（LNG）是能源結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，我國已有多個LNG項目投用或正在建設(shè)；LNG液化后的體積約為標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體的1/600，輸送成本僅為管道輸送的1/6左右，但LNG的運輸一般采用高壓、低溫（約-160°C），整個儲運過程對設(shè)備、生產(chǎn)工藝、人員都有很高要求。從LNG的生產(chǎn)過程來看，其計量可分為液化前、液化后和氣化后三種，液化前和氣化后屬氣態(tài)，天然氣的氣態(tài)計量國內(nèi)外均有完備的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及成熟的流量計選型，這里只談?wù)凩NG液化后的計量。
    LNG液化后的計量與油品相似，以質(zhì)量（t）為交接單位；由于LNG自潤滑性差，采用容積式或渦輪流量計進行動態(tài)計量時，會造成轉(zhuǎn)子軸與定子軸承之間，轉(zhuǎn)子與計量腔內(nèi)壁之間磨損嚴(yán)重，直接影響流量計的壽命；而質(zhì)量流量計的計量腔內(nèi)無可動部件，克服了LNG自潤滑性不好造成的影響，同時，它直接測得LNG的交接質(zhì)量，而其它類型流量計測得的是體積流量，必須再測得溫度、壓力和密度等參數(shù)，才能換算成交接質(zhì)量；其中的密度測量如果采用在線密度計，其價格與質(zhì)量流量計相近，如果采用離線分析，由于高壓、低溫，采樣的代表性不好，同時，由于LNG飽和蒸汽壓高，在常壓下無法檢測密度，只能用色譜分析法檢測，不僅檢測成本高，操作復(fù)雜，而且檢測準(zhǔn)確度難以保證。由此可以看出，質(zhì)量流量計是測量LNG的理想流量計；目前，大的問題是缺少在線實流檢定的數(shù)據(jù)來證實實際的測量不確定度符合測量要求。
    5 注意事項
    質(zhì)量流量計對安裝固定有較高要求，經(jīng)過近年來質(zhì)量流量計在成品油計量的應(yīng)用實踐，質(zhì)量流量計安裝要求已很成熟，并且量化，在實際應(yīng)用中要嚴(yán)格遵守，才能保證達到質(zhì)量流量計的各項指標(biāo)，此內(nèi)容在各種資料中已有詳細描述，本文不再贅述。以下重點說說其它問題。
    5.1 結(jié)構(gòu)問題
    由于天然氣密度小，相同流速下，質(zhì)量流量比液體要小得多，檢測到的由科氏力產(chǎn)生的相位差也小得多，為保證測量準(zhǔn)確度，應(yīng)選取在測量的質(zhì)量相同時能產(chǎn)生形變較大的質(zhì)量流量計結(jié)構(gòu)；在相同的大小的科氏力作用下，測量徑向距離越長的結(jié)構(gòu)其形變越大，根據(jù)某廠家的提供的資料，在大流量下，U型測量管測得的相位差是直管測量管的5倍，所以，測量天然氣時，應(yīng)優(yōu)先選用U型測量管的質(zhì)量流量計。
    5.2 壓力補償問題
    質(zhì)量流量計的操作壓力上升后，測量管會增大、變硬，產(chǎn)生一個負向偏差，其值在壓力較高是不容忽視的；例如，CMF400型質(zhì)量流量計的壓力修正系數(shù)是-0.15%/MPa，在8MPa的操作壓力下，會產(chǎn)生-1.2%的誤差，遠超過流量計本體誤差，這就需要增加壓力變送器進行實時補償。
    5.3 校準(zhǔn)/檢定問題
    SY/T6659-2006中要求用于天然氣貿(mào)易計量的質(zhì)量流量計在使用前、修理后和使用達到檢定周期時應(yīng)進行檢定，并宜進行實流檢定。但AGA11#報告中明確指出，科氏力質(zhì)量流量計校準(zhǔn)使用液體而不是使用氣體，使用液體校準(zhǔn)而應(yīng)用于氣體計量，具有相同的指標(biāo)，也就是說，經(jīng)過研究，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)與國際標(biāo)準(zhǔn)在適當(dāng)?shù)臈l件下對標(biāo)，那么，用于天然氣測量的的質(zhì)量流量計可以在常見的液體標(biāo)準(zhǔn)裝置上進行檢定，將大大改善目前天然氣貿(mào)易計量流量計只能送南京或華陽檢定的現(xiàn)狀，節(jié)約大量的送檢成本。
    6 結(jié)論
    科氏力質(zhì)量流量計以其自身的優(yōu)點，短短幾年時間，在成品油貿(mào)易計量等方面迅速發(fā)展并普及，雖然在天然氣貿(mào)易計量應(yīng)用還比較少，但在小口徑、臟污天然氣，燃驅(qū)壓氣站自耗氣，天然氣生產(chǎn)井，LNG等方面的計量，有著其它流量計不可比擬的優(yōu)點，在這些領(lǐng)域必將迅猛發(fā)展。