氣體渦輪流量計(jì)能量計(jì)量的可行性研究

梅茜迪 劉良果

摘? 要：天然氣貿(mào)易結(jié)算方式主要有兩種：體積計(jì)量和能量計(jì)量。天然氣能量計(jì)量已成為國(guó)際上天然氣貿(mào)易和消費(fèi)計(jì)量與結(jié)算的發(fā)展趨勢(shì)，而我國(guó)普遍采用體積計(jì)量。2019年《油氣管網(wǎng)設(shè)施公平開放監(jiān)管辦法》的出臺(tái)標(biāo)志著國(guó)家將天然氣能量交接計(jì)量提上日程。目前川渝地區(qū)天然氣體積交接計(jì)量裝置使用最多的流量計(jì)為高級(jí)孔板閥、氣體智能流量計(jì)與氣體超聲流量計(jì)。高級(jí)孔板閥可通過(guò)計(jì)量系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)能量計(jì)量，超聲流量計(jì)配套的流量計(jì)算機(jī)也具備能量計(jì)量的功能，但市面氣體智能流量計(jì)包括氣體渦輪、氣體羅茨和氣體旋進(jìn)旋渦流量計(jì)目前均無(wú)能量計(jì)量功能，采用該類型流量計(jì)的計(jì)量點(diǎn)實(shí)現(xiàn)能量計(jì)量存在瓶頸。本文結(jié)合企業(yè)實(shí)際開展智能流量計(jì)中應(yīng)用最廣的氣體渦輪流量計(jì)能量計(jì)量功能研究，探索采用氣體渦輪流量計(jì)進(jìn)行能量計(jì)量的可行性。

關(guān)鍵詞： 氣體渦輪流量計(jì) 能量計(jì)量 可行性

1 引言

目前川渝地區(qū)天然氣體積交接計(jì)量裝置使用最多的是高級(jí)孔板閥、氣體智能流量計(jì)與氣體超聲流量計(jì)三類。高級(jí)孔板閥可通過(guò)計(jì)量系統(tǒng)及軟件實(shí)現(xiàn)能量計(jì)量，超聲流量計(jì)配套的流量計(jì)算機(jī)也具備能量計(jì)量的功能，但市面銷售的所有氣體智能流量計(jì)包括氣體渦輪、氣體羅茨和氣體旋進(jìn)旋渦流量計(jì)目前均無(wú)能量計(jì)量功能，采用該類型流量計(jì)的計(jì)量點(diǎn)實(shí)現(xiàn)能量計(jì)量存在瓶頸。本文將結(jié)合企業(yè)實(shí)際，開展智能流量計(jì)計(jì)中應(yīng)用最廣的氣體渦輪流量計(jì)能量計(jì)量功能研究，研發(fā)一種具備在流量計(jì)內(nèi)完成能量值計(jì)算和顯示的氣體渦輪流量計(jì)，探索采用氣體渦輪流量計(jì)進(jìn)行能量計(jì)量的可行性。

2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

在國(guó)外，流量計(jì)標(biāo)定裝置技術(shù)水平較高，工業(yè)上采用的測(cè)量?jī)x表主要有差壓式流量計(jì)、渦輪流量計(jì)及孔板式流量計(jì)等。國(guó)內(nèi)許多大型油氣田采用的計(jì)量?jī)x表是從國(guó)外采購(gòu)的，基本上反映了國(guó)外流量測(cè)量?jī)x表的技木水平，腰輪流量計(jì)和渦輪流量計(jì)的使用數(shù)量在歐州一些發(fā)達(dá)國(guó)家中占主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)，在北美地區(qū)更是高達(dá)九成以上;在美國(guó)使用較多的測(cè)量?jī)x表是孔板流量計(jì)，達(dá)到八成以上。在國(guó)內(nèi)，流量計(jì)標(biāo)定裝置技術(shù)水平相對(duì)比較低，工業(yè)上采用的測(cè)量?jī)x表主要是渦輪流量計(jì)，渦輪流量計(jì)占我國(guó)流量計(jì)使用總數(shù)的一半左右。氣體渦輪流量計(jì)是一種速度式體積流量計(jì)，國(guó)內(nèi)外大多數(shù)的研究集中在葉輪、軸承、潤(rùn)滑油等因素對(duì)渦輪流量計(jì)測(cè)量性能的影響，無(wú)能量計(jì)量方面的相關(guān)研究，因此開展氣體渦輪流量計(jì)能量計(jì)量功能研究是很有必要的。

3 氣體渦輪流量計(jì)調(diào)研

3.1 現(xiàn)狀

目前市面上用于貿(mào)易計(jì)量的氣體渦輪流量計(jì)主要為帶流量積算儀的智能計(jì)量?jī)x表，包括渦輪流量計(jì)表體、溫度傳感器、壓力傳感器、流量檢測(cè)，流量積算儀采用AGA NX-19、AGA8-92DC或SGERG-88方法對(duì)天然氣的壓縮因子進(jìn)行實(shí)時(shí)在線計(jì)算，并據(jù)此對(duì)溫度、壓力進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，具備瞬時(shí)工況體積流量、標(biāo)況體積流量、總量、壓力、溫度、電量顯示功能，可用于計(jì)量天然氣、液化石油氣、空氣、氮，或其他惰性氣體。輸氣管理處目前使用氣體渦輪流量計(jì)197臺(tái)，占所有流量計(jì)的26%。

3.2 原理

氣體渦輪流量計(jì)是一種在氣流作用下葉輪受力旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速與氣體體積流量成函數(shù)關(guān)系的測(cè)量設(shè)備。在一定的流量范圍內(nèi)，脈沖頻率f與流經(jīng)傳感器的流體的瞬時(shí)流量Q成正比，流量方程為：

Q=3600×f/K

f：脈沖頻率Hz;

K：儀表系數(shù);

Q：瞬時(shí)工況體積流量m3/h或L/h。

3.3 結(jié)構(gòu)

氣體渦輪流量計(jì)主要由計(jì)量室、渦輪、表體（殼體）、溫度傳感器、壓力傳感器、信號(hào)檢測(cè)器、加油泵系統(tǒng)以及流量積算儀組成。流量積算儀主要由電源管理、信號(hào)檢測(cè)、微處理器、通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和顯示屏等幾部分組成。微處理將傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將處理計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示，可輸出給上位計(jì)算機(jī)或二次儀表。

3.4 能量計(jì)量原理及方法

GB/T22723-2008《天然氣能量的測(cè)定》規(guī)定天然氣能量值的計(jì)算方法為，在相同參比條件下，分別測(cè)量和計(jì)算天然氣單位體積的發(fā)熱量和某一時(shí)間段內(nèi)通過(guò)的天然氣的體積，兩者的乘積就是輸送段時(shí)間內(nèi)通過(guò)儀表的天然氣累計(jì)發(fā)熱量。計(jì)算公式為[1]：

E=HQ

E：天然氣能量，MJ;

H：天然氣的標(biāo)況體積發(fā)熱量，MJ/m3

Q：天然氣的標(biāo)況體積，m3

讓氣體渦輪流量計(jì)顯示能量值的方法是用單位時(shí)間內(nèi)的標(biāo)況體積乘以高位發(fā)熱量，然后對(duì)該值進(jìn)行累積。（標(biāo)況：101.325kPa，20℃）

4 氣體渦輪流量計(jì)能量計(jì)量功能研發(fā)

制作氣體渦輪流量計(jì)樣機(jī)，采用氣體渦輪流量計(jì)基表，結(jié)合現(xiàn)有溫度傳感器、壓力傳感器、流量檢測(cè)、按鍵、液晶顯示、RS485/Modbus通信，使用SGERG-88方法對(duì)天然氣的壓縮因子進(jìn)行計(jì)算，增加原流量積算儀計(jì)算程序，在現(xiàn)有瞬時(shí)工況流量、標(biāo)況流量、體積累量顯示的基礎(chǔ)上增加能量值計(jì)算及顯示功能。

4.1 嵌入式軟件程序編寫及改造

進(jìn)行氣體渦輪流量計(jì)主板（圖3）功能程序編寫及改造，通信協(xié)議、操作菜單設(shè)計(jì)，完成了氣體渦輪流量計(jì)能量計(jì)量功能研發(fā)和與計(jì)量系統(tǒng)RTU的通信協(xié)議的對(duì)接和聯(lián)合開發(fā)。

4.2 完善軟件功能

開展氣體渦輪流量計(jì)樣機(jī)制作和按表1開展系統(tǒng)內(nèi)部測(cè)試及嵌入式程序測(cè)試、修訂，完善試驗(yàn)用氣體渦輪流量計(jì)軟件的能量計(jì)量功能。

4.3 樣機(jī)測(cè)試

將改造后的氣體渦輪流量計(jì)樣機(jī)送中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院進(jìn)行型評(píng)測(cè)試及能量計(jì)量功能驗(yàn)證，取得測(cè)試合格報(bào)告。為確保試驗(yàn)樣機(jī)各部件性能完好性，同時(shí)對(duì)樣機(jī)的壓力傳感器進(jìn)行了檢定和溫度傳感器進(jìn)行了校準(zhǔn)。

4.3 樣機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試

將測(cè)試合格的兩臺(tái)樣機(jī)安裝到工藝管道現(xiàn)場(chǎng)，下發(fā)在線色譜分析儀實(shí)時(shí)分析的天然氣組分、高位發(fā)熱量至樣機(jī)，完成流量計(jì)實(shí)時(shí)能量計(jì)量結(jié)果與工況流量、溫度、壓力同步采集和組態(tài)。

4.4 數(shù)據(jù)分析

讀取兩臺(tái)樣機(jī)流量計(jì)上傳工況瞬時(shí)流量、溫度、壓力，以及組分信息，運(yùn)用PC端計(jì)算軟件獲得瞬時(shí)標(biāo)況流量和瞬時(shí)能量流量，與流量計(jì)自身計(jì)算瞬時(shí)標(biāo)況流量和瞬時(shí)能量流量進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)3個(gè)月的比較，結(jié)果表明瞬時(shí)能量流量的相對(duì)誤差均小于0.05%。

5結(jié)論

綜上，結(jié)合現(xiàn)有氣體渦輪流量計(jì)工作原理，對(duì)流量計(jì)進(jìn)行了升級(jí)改造，完成具有能量計(jì)量功能的氣體渦輪流量計(jì)樣機(jī)制作，流量計(jì)樣機(jī)具備在體積修正儀完成能量值計(jì)算和顯示的功能，經(jīng)中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院測(cè)試合格。

通過(guò)分析連續(xù)3個(gè)月的氣體渦輪流量計(jì)樣機(jī)現(xiàn)場(chǎng)安裝獲取的能量計(jì)量相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)上述方法改造后的氣體渦輪流量計(jì)進(jìn)行能量計(jì)量是可行的，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

參考文獻(xiàn)

[1]GB/T 22723-2008 《天然氣能量的測(cè)定》[S].