天然氣輸氣管道工程中計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)綜述

郭 亮

(大慶油田工程有限公司，大慶 163712)

0 引言

隨著西氣東輸一線管道的投運(yùn)，國(guó)內(nèi)天然氣工業(yè)的發(fā)展十分迅猛，尤其天然氣輸氣站(分輸站或計(jì)量站)計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展更快。目前，國(guó)內(nèi)中石油、中石化、中海油及各個(gè)省市燃?xì)夤舅捎玫奶烊粴廨敋庹镜挠?jì)量系統(tǒng)大多都是以西氣東輸一線管道的設(shè)置模式為基礎(chǔ)，通過(guò)近十年的發(fā)展演變，已日趨成熟，與目前歐美發(fā)達(dá)國(guó)家采用的天然氣輸氣站計(jì)量系統(tǒng)基本相同。

天然氣輸氣站主要由進(jìn)出站閥組、過(guò)濾分離系統(tǒng)、計(jì)量系統(tǒng)、調(diào)壓系統(tǒng)、氣質(zhì)測(cè)量系統(tǒng)、自用氣橇以及輔助設(shè)施組成(有的設(shè)有加熱系統(tǒng))，其中進(jìn)出站閥組還包括收發(fā)球筒系統(tǒng)、ESD緊急切斷閥系統(tǒng)等。下面對(duì)有關(guān)天然氣計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行總結(jié)歸納。

1 基本設(shè)計(jì)原則

在天然氣輸氣管道工程設(shè)計(jì)中，計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)專業(yè)性強(qiáng)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)掌握國(guó)家、行業(yè)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，具有豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，熟悉天然氣輸氣站場(chǎng)的工藝流程、流量測(cè)量原理及配套儀表的性能和選型。其計(jì)量系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)原則如下：

1)計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須符合《中華人民共和國(guó)計(jì)量法》、《天然氣計(jì)量系統(tǒng)技術(shù)要求》GB/T 18603、《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50251、《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB 50183及其它有關(guān)國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，滿足系統(tǒng)安全防火、計(jì)量準(zhǔn)確和性能穩(wěn)定的要求。

2)所選用的計(jì)量器具應(yīng)具有國(guó)家技術(shù)監(jiān)督部門頒發(fā)的計(jì)量器具型式批準(zhǔn)證書或計(jì)量器具制造許可證。

3)計(jì)量器具在投運(yùn)前，應(yīng)進(jìn)行首次檢定；在使用過(guò)程中，應(yīng)依據(jù)相關(guān)檢定規(guī)程進(jìn)行周期檢定。

4)計(jì)量系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)站場(chǎng)地理環(huán)境和氣候條件選擇露天、半露天或室內(nèi)安裝方式。

5)進(jìn)、出站道路的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮移動(dòng)式流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的轉(zhuǎn)彎半徑和載重量對(duì)道路的要求，并考慮安全距離和消防通道的要求。

6)在工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)注意避免脈動(dòng)流和振動(dòng)，使得彎頭、三通、大小頭和有關(guān)擾流設(shè)備盡量遠(yuǎn)離天然氣流量計(jì)[1]。

7)在天然氣輸氣站設(shè)計(jì)中，為了確保流量測(cè)量的準(zhǔn)確可靠，應(yīng)優(yōu)先選用軸流式壓力調(diào)節(jié)閥或流量調(diào)節(jié)閥。當(dāng)調(diào)節(jié)管路的噪音高于80dBA時(shí)，應(yīng)在設(shè)計(jì)中考慮降噪措施。

8)計(jì)量系統(tǒng)應(yīng)按《爆炸性環(huán)境》GB 3836進(jìn)行分級(jí)，在危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)，任何電氣設(shè)備的防爆等級(jí)都應(yīng)符合GB 3836的規(guī)定，具有防爆證書。

9)計(jì)量系統(tǒng)應(yīng)依據(jù)有關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，采取有關(guān)措施進(jìn)行防雷、防靜電、防電磁干擾、防振動(dòng)性和防噪聲等設(shè)計(jì)，設(shè)置相應(yīng)的接地，接地電阻應(yīng)符合要求。

10)在天然氣交接計(jì)量中，天然氣的標(biāo)準(zhǔn)參比條件溫度為20 ℃(熱力學(xué)溫度為293.15K)、壓力為101.325kPa，也可采用雙方所簽訂合同中規(guī)定的參比條件。

11)計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)或顯示輸出的變量應(yīng)采用我國(guó)法定計(jì)量單位，體積流量為m3/h，質(zhì)量流量為kg/h，能量為kW·h或MJ，密度為kg/m3，壓力為kPa或MPa，溫度為 ℃。

2 計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

計(jì)量系統(tǒng)通常是天然氣輸氣站中的核心部分，其它部分都是其輔助部分。目前，計(jì)量系統(tǒng)一般主要由工藝系統(tǒng)、測(cè)量?jī)x表和控制系統(tǒng)三部分組成。

2.1 工藝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

工藝系統(tǒng)主要是由前、后匯氣管和幾路并聯(lián)的流量計(jì)測(cè)量管路組成，每路流量計(jì)測(cè)量管路是由前后截?cái)嗲蜷y、流量計(jì)、前后直管段、整流器、壓力和溫度變送器等組成，還包括與前截?cái)嗲蜷y并聯(lián)的入口壓力平衡閥管路，放空閥管路。在前、后匯氣管上還設(shè)有排污閥和壓力表等。

2.1.1 匯氣管設(shè)計(jì)

當(dāng)測(cè)量?jī)x表的規(guī)格選型確定后，就應(yīng)開(kāi)展工藝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。首先根據(jù)輸送測(cè)量的天然氣流量大小，計(jì)算確定匯氣管的尺寸，一般匯氣管主管內(nèi)的流速應(yīng)不超過(guò)10m/s及支管流速應(yīng)不超過(guò)20m/s，匯氣管的支管直徑與主管直徑的比值應(yīng)≤0.50(最大不超過(guò)0.7)。為了防止天然氣流經(jīng)匯氣管時(shí)產(chǎn)生擾流，匯氣管的主管和支管之間的連接處應(yīng)為圓滑過(guò)渡，匯氣管應(yīng)采用熱拔工藝，按《固定式壓力容器》GB150進(jìn)行制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收，其內(nèi)表面應(yīng)進(jìn)行噴砂和打磨，內(nèi)表面應(yīng)光滑，不允許有焊瘤、焊疤痕和氧化皮。當(dāng)支管直徑與主管直徑之間比>0.7時(shí)，匯氣管可采用三通與主管對(duì)焊制作方式，其它部分支管仍然采用熱拔工藝制造。

2.1.2 整流器和直管段要求

對(duì)于超聲、渦輪等速度式流量計(jì)，為了保證管道內(nèi)流體的流態(tài)達(dá)到充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)，應(yīng)配置一定長(zhǎng)度的前、后直管段，并與流量計(jì)同心、同徑，直管段按技術(shù)要求加工制造。直管段長(zhǎng)度按照流量計(jì)供貨商的要求或者參照相關(guān)流量計(jì)的使用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行配置。通常，在前直管段10D處安裝整流器，根據(jù)流量計(jì)的種類選用板式整流器或管束式整流器。

2.1.3 截?cái)嚅y門選用

在幾路并聯(lián)的流量計(jì)測(cè)量管路中都設(shè)有前、后兩個(gè)閥門，另外在比對(duì)流程和檢定口處也設(shè)有閥門，這些閥門應(yīng)為密封性能好、零泄露的全通徑(等徑)球閥。如果投資允許，建議在每路并聯(lián)的流量計(jì)測(cè)量管路的下游、比對(duì)流程和檢定口處設(shè)置強(qiáng)制密封球閥。

2.1.4 計(jì)量系統(tǒng)成橇要求

計(jì)量橇是指把計(jì)量系統(tǒng)整體集成安裝在一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)橇座上，可以確保流量計(jì)測(cè)量管路的設(shè)計(jì)、安裝滿足要求，但是成橇具有投資高、運(yùn)輸困難等缺點(diǎn)。在西氣東輸一線設(shè)計(jì)中，計(jì)量系統(tǒng)都是采用成橇從國(guó)外引進(jìn)方式。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)在計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，有些采用國(guó)內(nèi)成橇或者不成橇設(shè)計(jì)。所以，應(yīng)對(duì)投資、時(shí)間、運(yùn)輸和地質(zhì)條件以及設(shè)計(jì)、安裝施工人員等因素進(jìn)行全面分析和綜合考慮，確定計(jì)量系統(tǒng)是否成橇。如果流量計(jì)口徑≥DN300時(shí)，建議不成橇。

對(duì)于成橇的計(jì)量系統(tǒng)，應(yīng)設(shè)計(jì)整體基礎(chǔ)。不成橇的計(jì)量系統(tǒng)，匯氣管、閥門、直管段和流量計(jì)的支撐基礎(chǔ)應(yīng)進(jìn)行專業(yè)處理，避免基礎(chǔ)下沉和傾斜。

2.1.5 在線實(shí)流檢定(校準(zhǔn))接口的設(shè)置

1)當(dāng)輸氣站的設(shè)計(jì)壓力≤10MPa，輸氣量≥5×104m3/h或流量計(jì)口徑≥DN250時(shí)，宜設(shè)檢定口。

2)當(dāng)流量計(jì)口徑≥DN250時(shí)，計(jì)量系統(tǒng)宜設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)比對(duì)流程。在多路并聯(lián)的計(jì)量管路中，只選用1路作為比對(duì)回路，在其下游管路上設(shè)置檢定口，其它回路都可分別與其串聯(lián)。

3)用于檢定口切斷的閥門，應(yīng)采用零泄露、密封性好的全通徑強(qiáng)制密封球閥。

4)在檢定口的尺寸設(shè)計(jì)時(shí)，宜參考所用國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的移動(dòng)式流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的進(jìn)、出口口徑、中心距和高度尺寸。

5)檢定口與移動(dòng)式流量標(biāo)準(zhǔn)裝置之間的連接管線應(yīng)盡量短，彎頭、變徑管不宜過(guò)多。

6)在檢定口附近應(yīng)設(shè)置防爆儀表接線箱，以便移動(dòng)式流量標(biāo)準(zhǔn)裝置將現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)處的有關(guān)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行采集。

7)在檢定口附近應(yīng)設(shè)置電力接線箱和接地系統(tǒng)，以便給移動(dòng)式流量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行配電和接地，其配電要求為380VAC、15kW。

2.1.6 其它方面

1)計(jì)量系統(tǒng)上應(yīng)有多路并聯(lián)流量計(jì)測(cè)量管路，其中至少1路為備用。

2)在計(jì)量系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)置放空管路，在前、后匯氣管上應(yīng)設(shè)置排污管路。

3)對(duì)于口徑≥DN300的流量計(jì)管路，建議在流量計(jì)后直管段下游安裝管路伸縮器或采用其它方式以方便流量計(jì)的安裝和拆卸。

4)流量計(jì)、前后直管段、閥門和匯氣管等都應(yīng)采用法蘭連接形式，法蘭密封面應(yīng)選用突面法蘭連接方式。

5)在輸氣站投產(chǎn)初期，應(yīng)在渦輪流量計(jì)、腰輪流量計(jì)上游單獨(dú)加裝臨時(shí)過(guò)濾網(wǎng)，以免顆粒雜質(zhì)損壞流量計(jì)。

6)站場(chǎng)內(nèi)道路的轉(zhuǎn)彎半徑應(yīng)≥12m，站外道路交通條件也應(yīng)良好，滿足移動(dòng)式流量標(biāo)準(zhǔn)裝置車的正常通行。

7)在現(xiàn)場(chǎng)檢定時(shí)，移動(dòng)式流量標(biāo)準(zhǔn)裝置不能占用站內(nèi)消防通道，其站內(nèi)停放處的道路寬度應(yīng)≥7m，其道路承載重量應(yīng)≥20t。

2.2 測(cè)量?jī)x表的設(shè)計(jì)選用

測(cè)量?jī)x表主要包括流量計(jì)和配套的流量計(jì)算機(jī)、壓力和溫度變送器等，在必要的情況下，還應(yīng)配有氣相色譜分析儀表等。

2.2.1 流量計(jì)選用

近年來(lái)，在國(guó)內(nèi)外天然氣長(zhǎng)輸管道工程中，主要采用渦輪流量計(jì)、超聲流量計(jì)、孔板流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)、旋進(jìn)旋渦流量計(jì)、渦街流量計(jì)和腰輪流量計(jì)等。

在流量計(jì)選型時(shí)，應(yīng)根據(jù)各種流量計(jì)的優(yōu)、缺點(diǎn)以及流量范圍、操作壓力、流動(dòng)狀態(tài)、介質(zhì)潔凈程度、物性參數(shù)、環(huán)境條件、檢定條件和工程投資等因素綜合考慮。選用的流量計(jì)在正常運(yùn)行條件下，應(yīng)性能穩(wěn)定、計(jì)量準(zhǔn)確。

1)渦輪流量計(jì)。通常，在天然氣流量較小、較干凈時(shí)，可選用渦輪流量計(jì)；在流量變化較大時(shí)，則不宜選用。渦輪流量計(jì)的安裝應(yīng)遠(yuǎn)離脈動(dòng)源或在脈動(dòng)源后設(shè)置脈動(dòng)衰減器。

為了防止誤操作把葉輪吹壞，應(yīng)設(shè)置壓力平衡閥或者在渦輪流量計(jì)下游直管段后設(shè)置限流孔板(噴嘴)。高壓差管路中，不應(yīng)快速開(kāi)啟渦輪流量計(jì)的上游截?cái)嚅y，而應(yīng)先打開(kāi)壓力平衡閥，再打開(kāi)上游截?cái)嚅y。

2)超聲流量計(jì)。超聲流量計(jì)應(yīng)選用時(shí)間傳播法的多聲道超聲流量計(jì)，對(duì)于大流量或流量變化大的條件宜選用超聲流量計(jì)。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮振動(dòng)、噪聲對(duì)超聲流量計(jì)性能的影響，必要時(shí)，可采用T型頭等降噪措施。

為了便于今后對(duì)超聲流量計(jì)進(jìn)行聲速核查，所選用的超聲流量計(jì)應(yīng)具備聲速檢驗(yàn)所需的各項(xiàng)功能。

目前，國(guó)內(nèi)在天然氣輸氣管道工程中，超聲流量計(jì)和渦輪流量計(jì)使用數(shù)量最多，通常口徑≥DN150以上時(shí)選用超聲流量計(jì)；口徑≤DN100以下時(shí)選用渦輪流量計(jì)。

3)標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)。近年來(lái)，在天然氣管道工程中標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)的應(yīng)用越來(lái)越少，一些老的輸氣站場(chǎng)正逐漸的用超聲或渦輪流量計(jì)將其替換。

4)其它流量計(jì)。質(zhì)量流量計(jì)應(yīng)選用科里奧利型，其在中高壓、中小口徑和城市燃?xì)庥?jì)量中應(yīng)用較多。安裝時(shí)，質(zhì)量流量計(jì)的兩端法蘭間不應(yīng)有安裝應(yīng)力；旋進(jìn)旋渦流量計(jì)適用于中低壓流量計(jì)量，在小流量、壓力變化較大的民用天然氣測(cè)量中應(yīng)用較多；渦街流量計(jì)分辨率低，不適用于低流速、小口徑流量計(jì)量；腰輪流量計(jì)適用于中低壓、介質(zhì)干凈的流量計(jì)量。

2.2.2 流量計(jì)算機(jī)的選用

通常，流量計(jì)算機(jī)與流量計(jì)是一對(duì)一配置，負(fù)責(zé)將流量、溫度、壓力和組分等測(cè)量信號(hào)進(jìn)行采集、處理及流量補(bǔ)償計(jì)算，并通信上傳至控制系統(tǒng)或調(diào)控中心。流量計(jì)算機(jī)應(yīng)獲得法制機(jī)構(gòu)的認(rèn)證，例如國(guó)家質(zhì)檢總局或國(guó)際法制計(jì)量組織等計(jì)量認(rèn)證，才能用于貿(mào)易計(jì)量。

2.2.3 溫度和壓力測(cè)量?jī)x表選用

1)溫度測(cè)量?jī)x表

溫度變送器用于溫度的準(zhǔn)確測(cè)量，雙金屬溫度計(jì)只用于溫度的監(jiān)測(cè)。雙金屬溫度計(jì)應(yīng)安裝在溫度變送器后，并與溫度變送器垂直交叉安裝。在高壓天然氣測(cè)量系統(tǒng)中，可不設(shè)置雙金屬溫度計(jì)。

在標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測(cè)量系統(tǒng)中，溫度變送器應(yīng)符合《用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》GB/T 21446的使用要求。除孔板流量計(jì)以外，應(yīng)在流量計(jì)下游直管段上安裝溫度變送器，測(cè)溫孔設(shè)在流量計(jì)下游距法蘭端面2D～5D之間。對(duì)DN50和DN80的測(cè)量管路，溫度變送器套管宜按迎流45°方式安裝，插入深度到管中心；對(duì)于口徑≥DN300的管道，套管插入深度宜為75～125mm。保護(hù)套管連接方式應(yīng)采用法蘭或焊接連接，在每個(gè)保護(hù)套管內(nèi)應(yīng)注入硅油。

2)壓力測(cè)量?jī)x表

壓力變送器用于壓力的準(zhǔn)確測(cè)量，壓力表只用于壓力的監(jiān)測(cè)。壓力變送器應(yīng)選用電容式絕壓壓力變送器。

2.2.4 組分分析儀

在一些天然氣輸氣站中，設(shè)有在線氣相色譜分析儀、在線水(烴)露點(diǎn)測(cè)量?jī)x和在線硫化氫測(cè)量?jī)x。對(duì)于天然氣流量計(jì)算，需要用天然氣組分計(jì)算出壓縮因子、密度和熱值等參數(shù)，所以本文只對(duì)在線氣相色譜分析儀提出要求。

1)在線氣相色譜分析儀是用于測(cè)量天然氣的組分，應(yīng)設(shè)置在計(jì)量系統(tǒng)的入口管線或者輸氣站的進(jìn)站管線處，安裝時(shí)應(yīng)盡量靠近天然氣流量計(jì)。

在輸氣管道的首站、新氣源接入站、輸氣量≥10×104m3/h(標(biāo)況流量)的輸氣站或者供需雙方在合同中要求的輸氣站時(shí)，可以設(shè)置在線氣相色譜分析儀。

對(duì)于沒(méi)有安裝在線色譜分析儀的站場(chǎng)，可使用相鄰輸氣站的天然氣組分值。

2)分析小屋的要求

當(dāng)輸氣站內(nèi)設(shè)有在線氣相色譜分析儀、在線水(烴)露點(diǎn)測(cè)量?jī)x或在線硫化氫測(cè)量?jī)x時(shí)，可把這些氣質(zhì)測(cè)量?jī)x表都安裝在分析小屋內(nèi)。分析小屋及電氣部分應(yīng)按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行防火防爆設(shè)計(jì)，并設(shè)置防爆通風(fēng)機(jī)，必要時(shí)可設(shè)防爆空調(diào)。在分析小屋內(nèi)應(yīng)設(shè)置可燃?xì)怏w、硫化氫(必要時(shí))探測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)。

3)天然氣取樣口和取樣器的設(shè)置

在輸氣站應(yīng)設(shè)置離線取樣口，以便在線取樣進(jìn)行離線分析。取樣口應(yīng)設(shè)置在靠近分析儀表的取樣口處，并采用專用取樣探頭。在有合同要求的輸氣站或國(guó)際貿(mào)易的輸氣站內(nèi)，可設(shè)置累積取樣系統(tǒng)。

2.3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要包括二個(gè)部分，一是與流量計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)的采集通信，由流量計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)將流量、溫度、壓力和組分等信號(hào)進(jìn)行采集、計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果上傳至控制系統(tǒng)；二是對(duì)站場(chǎng)內(nèi)電動(dòng)閥門進(jìn)行操作控制，實(shí)現(xiàn)流程切換，以及站場(chǎng)進(jìn)出口處的壓力、溫度和ESD等信號(hào)進(jìn)行采集處理、監(jiān)測(cè)控制，還包括把有關(guān)計(jì)量數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)和狀態(tài)參數(shù)上傳至調(diào)控中心。

3 結(jié)論

國(guó)內(nèi)天然氣輸氣管道工程計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)歷了十年的發(fā)展演變，已比較完善，技術(shù)水平與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相當(dāng)。在天然氣計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，天然氣流量計(jì)及配套測(cè)量?jī)x表的選用、流量測(cè)量管路的設(shè)置、工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)、計(jì)量系統(tǒng)成橇與否等內(nèi)容都是設(shè)計(jì)的核心。計(jì)量系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)，對(duì)于確保流量測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確可靠，減少工程投資、縮短建設(shè)周期都具有重要意義。

[1] 郭亮.西氣東輸南京計(jì)量測(cè)試中心的設(shè)計(jì)實(shí)踐與思考.2010′中國(guó)油氣計(jì)量技術(shù)論壇論文集.中國(guó)計(jì)量協(xié)會(huì)石油計(jì)量分會(huì)編，2010年5月