浅谈质量流量计在天然气计量的应用

浅谈质量流量计在天然气计量的应用
 

科氏力质量流量计大的特点就是能够直接测量流体的质量，在液体流量测量中应用广泛，尤其是成品油的长输管道贸易计量；但在天然气计量方面，还很少应用，本文根据质量流量计的特点，介绍一下其在天然气计量方面的应用。
    1 质量流量计工作原理
    科氏力质量流量计的工作原理在很多资料里都有详细的介绍，只简要介绍双U型管质量流量计的原理，其结构及工作原理，如图1所示。
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图1 双U型管质量流量计的结构及工作原理
    从图1可以看出，在双U型测量管质量流量计当中，入口处的分流管把流入的介质均等地一分为二，送到两根测量管中，两根测量管由于驱动线圈的作用，以一定的固有频率及一定的振幅，产生以支点为轴的相对振动。在没有流体流动的情况下，两根测量管平行振动，进出口检测线圈检测出来的信号相同，没有相位差。
    当测量管中有流体流过时，双U型振动管由于振动方向相反，在科里奥利里的作用下，产生如图2所示的扭动，该扭动的角度大小与流过振动管中流体的质量流量成正比，扭动的角度可以通过进出口检测线圈检测出来的信号相位差测得，即质量流量=流量计系数´相位差。
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图2 双U型振动管产生的扭动
    2 质量流量计特点
    2.1 优点
    根据工作原理和结构分析，与其它流量计相比，质量流量计测量天然气具有以下优点：
    （1）计量准确度高（≤0.5%），稳定性好，真正实现了高精度的直接流量测量。
    （2）量程比高，普遍可以达到20：1至50：1，有的质量流量计其范围度已高达100：1以上。
    （3）不受管内流体流动状态的影响，在流量计上下游不必设置直管段。
    （4）检测管内无可动部件，也无阻碍流体流动的部件，使流量计更便于维护和清洗，使用寿命更长。
    （5）对介质的适应性较广，可应用于维护较困难的脏气或湿气的计量。能应用于气体组份和密度变化较大的情况。
    （6）尤其适用于以质量为基础的贸易交接计量和过程控制的应用场合。
    2.2 缺点
    当然，质量流量计也有缺点，选用时应充分注意以下几点：
    （1）不能用于测量密度太低的天然气。
    （2）对外界振动干扰较敏感，质量流量计对安装固定有较高要求。
    （3）不能用于大管径流量测量。
    （4）有较大的体积和重量；压力损失也较大。
    （5）价格昂贵。
    3 质量流量计计量方式
    目前，在国际上天然气贸易计量交接有3种体系：一是标准参比条件下的体积量计量，二是质量计量，三是标准参比条件下的能量计量；这三种计量方式，质量流量计都能够单独或配套其它设备完成；现有的相关标准是国际的AGA11#报告和国内的SY/T6659-2006《用科里奥利质量流量计测量天然气流量》。
    3.1 质量计量
    由于质量流量计能够直接测量天然气的瞬时质量流量，在质量计量方面有得天独厚的优势，不需要其它测量设备，就可独立完成。
    3.2 标况体积计量
    质量流量计测得的天然气的瞬时质量流量，除以根据天然气组分计算的标准参比条件下的天然气密度，就可得到标准参比条件下的体积流量。
    流量计信息网内容图片   （1）
    式中：qn——标准参比条件下的瞬时体积流量；
    qm——瞬时质量流量；
    Pn——标准参比条件下的静压力，0.101325MPa；
    Mn——气体的摩尔质量；
    Zn——标准参比条件下的气体压缩因子；
    R——通用气体常数；
    Tn——标准参比条件下的气体热力学温度，293.15k。
从公式（1）中可以看出，不需要测量流体的温度和压力，只需知道气体的摩尔质量，就可将质量流量转化为标准参比条件下的体积流量（Zn是Mn的函数）。
    3.3 能量计量
    能量流量通过质量流量与发热量乘积计算得到。
    流量计信息网内容图片   （2）
    式中：qe——瞬时能量流量；
    qm——瞬时质量流量；
    流量计信息网内容图片——标准参比条件下的天然气质量发热量。
    4 在天然气计量中的应用范围
    4.1 质量流量计在管输天然气中的应用
    尽管质量流量计有很多优点，但其不能用于大管径流量测量、压力损失较大、价格昂贵等缺点，限制了其在天然气长输管道的计量应用；目前，长输管道的主流天然气计量仪表是超声波流量计、涡轮流量计和孔板流量计。
    孔板流量计由于有准确度较低，量程比小，压力损失大，流量计前后的直管段要求较长，占地面积大，参与检测的元件较多需要维护的环节较多等缺点。而超声波流量计准确度高、量程比大，无压力损失，节省能源；无运动部件，维护量小，可节省大量的人力和物力。所以超声波流量计的性能价格比要远远高于孔板流量计，目前超声波流量计已经逐渐取代了孔板流量计成为天然气贸易交接的理想产品。
    气体涡轮流量计的应用历史较长，技术较为成熟，目前在国际天然气计量领域应用也较为普遍。其特点是准确度较高，稳定性较好，量程比较宽，所需的直管段较短，占地面积小。但是气体涡轮流量计对被测介质的清洁度要求较高，由于涡轮流量计的叶轮容易损坏，所以一般要求流量计前安装过滤器；且在投运操作上也有很高的要求。导致涡轮流量计的后期维护维修量较大。
    尽管超声波流量计有诸多优点，但是由于超声波流量计的测量原理为传播时间差法，当超声流量计的口径变小时其声波传播的声程变短，传播时间也相应变短，传播时间差就会很难得到准确的测量，这使小口径的超声波流量计的量程比和准确度都会下降。
    所以在管输天然气计量中，给质量流量计留下的使用空间基本上只有小口径（DN100以下），和较脏的天然气两种情况，在这两种情况下，质量流量计可充分发挥出其优点。
    此外，在燃驱压气站自耗气计量中，也会有出色的表现，由于站内生活用气和压缩机燃料气的用气量供气启停频率较高，特别是流量波动范围很大（现波动大的站达到5~20000Nm3/h之多），造成对流量计的冲击较大，就目前的技术而言，在全范围内测量比较困难。质量流量计具有具有50：1的量程比（示值范围达到500：1），远远大于其他几类流量计，加上安装检测管内无可动部件，也无阻碍流体流动的部件，不需要前后直管段，节省占地面积等优点。适合用于自耗气流量总计量。
    4.2 质量流量计在天然气生产井计量的应用
    天然气生产井外输管线内，压力、温度、杂质含量以及生产状况下密度多变，准确计量非常困难，这种状况不适用于常规的流量计，而质量流量计由于上述特点，可以彻底解决这些问题。
    4.3 质量流量计在液化天然气（LNG）计量中的应用
    液化天然气（LNG）是能源结构中的重要组成部分，我国已有多个LNG项目投用或正在建设；LNG液化后的体积约为标准状况下气体的1/600，输送成本仅为管道输送的1/6左右，但LNG的运输一般采用高压、低温（约-160°C），整个储运过程对设备、生产工艺、人员都有很高要求。从LNG的生产过程来看，其计量可分为液化前、液化后和气化后三种，液化前和气化后属气态，天然气的气态计量国内外均有完备的相关标准及成熟的流量计选型，这里只谈谈LNG液化后的计量。
    LNG液化后的计量与油品相似，以质量（t）为交接单位；由于LNG自润滑性差，采用容积式或涡轮流量计进行动态计量时，会造成转子轴与定子轴承之间，转子与计量腔内壁之间磨损严重，直接影响流量计的寿命；而质量流量计的计量腔内无可动部件，克服了LNG自润滑性不好造成的影响，同时，它直接测得LNG的交接质量，而其它类型流量计测得的是体积流量，必须再测得温度、压力和密度等参数，才能换算成交接质量；其中的密度测量如果采用在线密度计，其价格与质量流量计相近，如果采用离线分析，由于高压、低温，采样的代表性不好，同时，由于LNG饱和蒸汽压高，在常压下无法检测密度，只能用色谱分析法检测，不仅检测成本高，操作复杂，而且检测准确度难以保证。由此可以看出，质量流量计是测量LNG的理想流量计；目前，大的问题是缺少在线实流检定的数据来证实实际的测量不确定度符合测量要求。
    5 注意事项
    质量流量计对安装固定有较高要求，经过近年来质量流量计在成品油计量的应用实践，质量流量计安装要求已很成熟，并且量化，在实际应用中要严格遵守，才能保证达到质量流量计的各项指标，此内容在各种资料中已有详细描述，本文不再赘述。以下重点说说其它问题。
    5.1 结构问题
    由于天然气密度小，相同流速下，质量流量比液体要小得多，检测到的由科氏力产生的相位差也小得多，为保证测量准确度，应选取在测量的质量相同时能产生形变较大的质量流量计结构；在相同的大小的科氏力作用下，测量径向距离越长的结构其形变越大，根据某厂家的提供的资料，在大流量下，U型测量管测得的相位差是直管测量管的5倍，所以，测量天然气时，应优先选用U型测量管的质量流量计。
    5.2 压力补偿问题
    质量流量计的操作压力上升后，测量管会增大、变硬，产生一个负向偏差，其值在压力较高是不容忽视的；例如，CMF400型质量流量计的压力修正系数是-0.15%/MPa，在8MPa的操作压力下，会产生-1.2%的误差，远超过流量计本体误差，这就需要增加压力变送器进行实时补偿。
    5.3 校准/检定问题
    SY/T6659-2006中要求用于天然气贸易计量的质量流量计在使用前、修理后和使用达到检定周期时应进行检定，并宜进行实流检定。但AGA11#报告中明确指出，科氏力质量流量计校准使用液体而不是使用气体，使用液体校准而应用于气体计量，具有相同的指标，也就是说，经过研究，国内标准与国际标准在适当的条件下对标，那么，用于天然气测量的的质量流量计可以在常见的液体标准装置上进行检定，将大大改善目前天然气贸易计量流量计只能送南京或华阳检定的现状，节约大量的送检成本。
    6 结论
    科氏力质量流量计以其自身的优点，短短几年时间，在成品油贸易计量等方面迅速发展并普及，虽然在天然气贸易计量应用还比较少，但在小口径、脏污天然气，燃驱压气站自耗气，天然气生产井，LNG等方面的计量，有着其它流量计不可比拟的优点，在这些领域必将迅猛发展。