淺談質量流量計在天然氣計量的應用

淺談質量流量計在天然氣計量的應用
 

科氏力質量流量計大的特點就是能夠直接測量流體的質量，在液體流量測量中應用廣泛，尤其是成品油的長輸管道貿易計量；但在天然氣計量方面，還很少應用，本文根據質量流量計的特點，介紹一下其在天然氣計量方面的應用。
    1 質量流量計工作原理
    科氏力質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型管質量流量計的原理，其結構及工作原理，如圖1所示。
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圖1 雙U型管質量流量計的結構及工作原理
    從圖1可以看出，在雙U型測量管質量流量計當中，入口處的分流管把流入的介質均等地一分為二，送到兩根測量管中，兩根測量管由于驅動線圈的作用，以一定的固有頻率及一定的振幅，產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，即質量流量=流量計系數´相位差。
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圖2 雙U型振動管產生的扭動
    2 質量流量計特點
    2.1 優點
    根據工作原理和結構分析，與其它流量計相比，質量流量計測量天然氣具有以下優點：
    （1）計量準確度高（≤0.5%），穩定性好，真正實現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，有的質量流量計其范圍度已高達100：1以上。
    （3）不受管內流體流動狀態的影響，在流量計上下游不必設置直管段。
    （4）檢測管內無可動部件，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）對介質的適應性較廣，可應用于維護較困難的臟氣或濕氣的計量。能應用于氣體組份和密度變化較大的情況。
    （6）尤其適用于以質量為基礎的貿易交接計量和過程控制的應用場合。
    2.2 缺點
    當然，質量流量計也有缺點，選用時應充分注意以下幾點：
    （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 質量流量計計量方式
    目前，在國際上天然氣貿易計量交接有3種體系：一是標準參比條件下的體積量計量，二是質量計量，三是標準參比條件下的能量計量；這三種計量方式，質量流量計都能夠單獨或配套其它設備完成；現有的相關標準是國際的AGA11#報告和國內的SY/T6659-2006《用科里奧利質量流量計測量天然氣流量》。
    3.1 質量計量
    由于質量流量計能夠直接測量天然氣的瞬時質量流量，在質量計量方面有得天獨厚的優勢，不需要其它測量設備，就可獨立完成。
    3.2 標況體積計量
    質量流量計測得的天然氣的瞬時質量流量，除以根據天然氣組分計算的標準參比條件下的天然氣密度，就可得到標準參比條件下的體積流量。
    流量計信息網內容圖片   （1）
    式中：qn——標準參比條件下的瞬時體積流量；
    qm——瞬時質量流量；
    Pn——標準參比條件下的靜壓力，0.101325MPa；
    Mn——氣體的摩爾質量；
    Zn——標準參比條件下的氣體壓縮因子；
    R——通用氣體常數；
    Tn——標準參比條件下的氣體熱力學溫度，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量，就可將質量流量轉化為標準參比條件下的體積流量（Zn是Mn的函數）。
    3.3 能量計量
    能量流量通過質量流量與發熱量乘積計算得到。
    流量計信息網內容圖片   （2）
    式中：qe——瞬時能量流量；
    qm——瞬時質量流量；
    流量計信息網內容圖片——標準參比條件下的天然氣質量發熱量。
    4 在天然氣計量中的應用范圍
    4.1 質量流量計在管輸天然氣中的應用
    盡管質量流量計有很多優點，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節較多等缺點。而超聲波流量計準確度高、量程比大，無壓力損失，節省能源；無運動部件，維護量小，可節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逐漸取代了孔板流量計成為天然氣貿易交接的理想產品。
    氣體渦輪流量計的應用歷史較長，技術較為成熟，目前在國際天然氣計量領域應用也較為普遍。其特點是準確度較高，穩定性較好，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點，但是由于超聲波流量計的測量原理為傳播時間差法，當超聲流量計的口徑變小時其聲波傳播的聲程變短，傳播時間也相應變短，傳播時間差就會很難得到準確的測量，這使小口徑的超聲波流量計的量程比和準確度都會下降。
    所以在管輸天然氣計量中，給質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，質量流量計可充分發揮出其優點。
    此外，在燃驅壓氣站自耗氣計量中，也會有出色的表現，由于站內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，就目前的技術而言，在全范圍內測量比較困難。質量流量計具有具有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，節省占地面積等優點。適合用于自耗氣流量總計量。
    4.2 質量流量計在天然氣生產井計量的應用
    天然氣生產井外輸管線內，壓力、溫度、雜質含量以及生產狀況下密度多變，準確計量非常困難，這種狀況不適用于常規的流量計，而質量流量計由于上述特點，可以徹底解決這些問題。
    4.3 質量流量計在液化天然氣（LNG）計量中的應用
    液化天然氣（LNG）是能源結構中的重要組成部分，我國已有多個LNG項目投用或正在建設；LNG液化后的體積約為標準狀況下氣體的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），整個儲運過程對設備、生產工藝、人員都有很高要求。從LNG的生產過程來看，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，天然氣的氣態計量國內外均有完備的相關標準及成熟的流量計選型，這里只談談LNG液化后的計量。
    LNG液化后的計量與油品相似，以質量（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計量時，會造成轉子軸與定子軸承之間，轉子與計量腔內壁之間磨損嚴重，直接影響流量計的壽命；而質量流量計的計量腔內無可動部件，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，才能換算成交接質量；其中的密度測量如果采用在線密度計，其價格與質量流量計相近，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，操作復雜，而且檢測準確度難以保證。由此可以看出，質量流量計是測量LNG的理想流量計；目前，大的問題是缺少在線實流檢定的數據來證實實際的測量不確定度符合測量要求。
    5 注意事項
    質量流量計對安裝固定有較高要求，經過近年來質量流量計在成品油計量的應用實踐，質量流量計安裝要求已很成熟，并且量化，在實際應用中要嚴格遵守，才能保證達到質量流量計的各項指標，此內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 結構問題
    由于天然氣密度小，相同流速下，質量流量比液體要小得多，檢測到的由科氏力產生的相位差也小得多，為保證測量準確度，應選取在測量的質量相同時能產生形變較大的質量流量計結構；在相同的大小的科氏力作用下，測量徑向距離越長的結構其形變越大，根據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，應優先選用U型測量管的質量流量計。
    5.2 壓力補償問題
    質量流量計的操作壓力上升后，測量管會增大、變硬，產生一個負向偏差，其值在壓力較高是不容忽視的；例如，CMF400型質量流量計的壓力修正系數是-0.15%/MPa，在8MPa的操作壓力下，會產生-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/檢定問題
    SY/T6659-2006中要求用于天然氣貿易計量的質量流量計在使用前、修理后和使用達到檢定周期時應進行檢定，并宜進行實流檢定。但AGA11#報告中明確指出，科氏力質量流量計校準使用液體而不是使用氣體，使用液體校準而應用于氣體計量，具有相同的指標，也就是說，經過研究，國內標準與國際標準在適當的條件下對標，那么，用于天然氣測量的的質量流量計可以在常見的液體標準裝置上進行檢定，將大大改善目前天然氣貿易計量流量計只能送南京或華陽檢定的現狀，節約大量的送檢成本。
    6 結論
    科氏力質量流量計以其自身的優點，短短幾年時間，在成品油貿易計量等方面迅速發展并普及，雖然在天然氣貿易計量應用還比較少，但在小口徑、臟污天然氣，燃驅壓氣站自耗氣，天然氣生產井，LNG等方面的計量，有著其它流量計不可比擬的優點，在這些領域必將迅猛發展。