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常見天然氣計量儀表的研究現狀及特征分析


天然氣作為高熱值、環境友好的化石燃料,目前國內的主要城市都在推行天然氣工程。尤其是隨著我國大氣污染情況的加 劇,各大城市對天然氣的需求量大大增加,對天然氣計量準確性的要求也隨之提高。文章綜述了目前常見天然氣計量儀發展的基本情 況,簡述了天然氣的常見物理性質和特點,分析了天然氣計量方式及優缺點,探討了常見天然氣計量儀表選擇考慮因素和環境影響。
          
天然氣一般采用管道輸送,計量具有連續性和長期性的特點,一旦出現計量誤差,長年累月之后,這個誤差將非常大。因為天然氣計量誤差的存在,導致天然氣計價存在 偏差,引發了很多貿易糾紛問題。因而,如何能夠準確地計量天然氣用量成為亟待解決的一個關鍵問題,得到了社會 各界的關注。
西方發達國家對天然氣的計量技術比較成熟,研究和生產了多種型號的天然氣計量儀表。渦街流量計量設備、 腰輪流量計量設備在歐洲國家的應用較為廣泛?,F階段中國在工業生產中常用到的天然氣儀表主要為孔板流量計。
天然氣計量儀表普遍呈現出這樣的發展趨勢:70 年代 主要盛行孔板流量計量設備,80 年代渦街流量計量設備的 使用進入高峰期,90 年代以后超聲波流量計量設備逐漸發 展起來。
目前我國使用的天然氣計量儀表中,孔板流量計量設 備由于其獨特的優點而備受青睞,是企業和用戶的優選, 占有相當大的市場比例[3-4]。我國對天然氣儀表的設計起步 較晚,上世紀 70 年代以后才逐漸發展起來,我國的專家學 者參照國外的一些標準,結合我國的天然氣輸送現狀,制定了一系列的天然氣儀表設計、制造、安裝、檢修和管理標 準。不過這些標準并不完善,與國外的技術和標準還存在一定的差距,主要體現在:
(1)天然氣計量儀表的質量較
低;(2)缺少配套設備和智能附件;(3)計量精度有待提高。 目前天然氣計量日益成為人們關注的焦點。因此,要投入 更大的精力來研發高精度的天然氣計量儀表。 
1 天然氣的常見物理性質
天然氣內主要包括例如甲、乙、丙烷這種低分子類的 飽和氣體以及氧氣、二氧化碳這種非烴類的氣體。這些組 成氣體會決定天然氣的運輸計量,主要包括以下幾點天然氣的主要性質:
(1)天然氣的分子量;
(2)天然氣的相對密度;
(3)天然氣的壓縮因子;
(4)天然氣的導熱系數;
(5)天 然氣的流動性能。
 2 天然氣計量特點
(1)天然氣的流動狀態、閥門開關機壓縮機啟停等均 會影響計量的準確度。尤其是管路中帶有往復式壓縮機的 工藝,對流量計量準確性的影響更大;
(2)天然氣是一種產自地下的混合氣體,不同氣井、不同開采時期,其組分都會發生變化,而且天然氣含水和腐蝕性組分等,也對流量測 量儀表本身和修正提出了要求;
(3) 由于天然氣的可壓縮性,所以體積流量應該標定當時所處的狀態,國內一般情 況默認的是工程標準狀態;
(4)天然氣是易燃易爆氣體,在選用配套電氣儀表時必須采用防爆型,確保測量系統乃至 整個輸氣系統的安全。 
3 常見天然氣計量方式及優缺點
在生產的過程中天然氣流量的測量方法可按照測量參數分為容積流量、質量流量和能量流量三種。其中,能量流量測量是直接測量天然氣發出的熱量的多少,用戶使用 燃氣與組分無關,按熱量多少取費,更具有科學性和經濟 價值,是未來計量發展的趨勢。但是目前非常常用的依然是以下幾種天然氣計量方式: 
(1)孔板流量計 
孔板流量計是當所測天然氣通過節流裝置時,氣體會在孔板處產生收縮,導致氣體流動速度明顯增加,致使靜 壓力降低,在氣體經過的孔板前后形成壓力差。根據孔板 前后差壓即可計算出天然氣流量。
優點:該流量計可用于管道的直徑較大的工況下,而且組成部件較少,操作簡單, 數據穩定,使用壽命較長,成本低,校準容易等。
缺點:對于 運輸管線較長的工況應用受限,而且量程范圍較小,體積較大,孔板前后所連接的緩沖線較長,較難提升**度,可 重復性差。
 (2)渦輪流量計 
渦輪流量計的主要工作原理是通過待測氣體的流動 力推動流量計中的轉子轉動,再計算轉子轉動的次數得出氣體流量。
優點:測量范圍廣,精度高,體積小,安裝和后期 保養方便,輸出信號穩定,而且其信號頻段易與現階段計 算機系統匹配。
缺點:內部構件易被污染,對待測氣體的干 凈程度要求較高,抗震動能力差。 
(3)超聲波流量計 
超聲波流量計的工作原理是利用超聲轉換裝置將電 能轉換為超聲波能量后,由于超聲波具有強的穿透能力,將發出能夠穿透待測氣體波頻,終端的接收裝置將收到該 頻段信號,通過計算儀器計算出所測流量并顯示在儀表 上。超聲波流量計的使用范圍,**度和耐用性均高于其它流量計,在歐美等發達國家應用較多。中國非常好次采用超聲波流量計的工況是西氣東輸的大口徑天然氣管道運 輸中。
優點:準確度高,量程范圍廣,可進行雙向測量操作, 體積小,耐用性高,對環境要求低,受壓力、溫度、待測氣體分子質量和組成等影響較少,工作原理簡單,是今后流量計發展的重要方向,可能會成為標準氣體流量計。
缺點:成 本高,設備價格昂貴,目前主要使用在中大型工程項目中。 
4 天然氣流量計量儀表選擇考慮因素
(1)精度,流量儀表的精度等級是保證在某一較寬的 流量范圍內,如果使用條件是在某一特定流量或很窄的范 圍,此時使用的測量精度比規定值高。
(2)重復性,重復性由儀表本身的原理和制造質量決定。嚴格地說,重復性是 指環境條件、介質參量等不變的情況,對某上等量值短時間內同方向進行多次測量的一致性。然而,實際應用儀表 的重復性被許多因素如流體粘度、密度等參量變化所影響,因這些參量影響還未達到需要修正的地步,往往被誤 認為儀表重復性不好。
(3)輸出信號特性,可分為模擬量和 脈沖量。模擬量輸出適合于過程控制,與調節閥接配,但較 易受干擾;脈沖量適用于總量和高精度測量,長距信號傳 輸不受干擾。
(4)響應時間,應用于脈動流場所應注意儀表 對流動階躍變化的響應。有些使用場所要求儀表輸出跟隨 流動變化,而另一些為獲得綜合平均值要求有較慢響應的 輸出。瞬態響應常以時間常數幾毫秒到幾秒,或響應頻率 數百赫茲等以下表示。配用顯示儀表可能要相當大地延長 響應時間。 
5 天然氣流量計量儀表環境影響
環境條件對于天然氣計量儀表安裝與使用也十分重要,主要是從以下幾方面考慮的:
(1)溫度,環境溫度超過 規定會影響儀表電子元件而改變測量性能,因此某些現場 儀表需要有環境受控的外罩。
(2)濕度,高濕度會加速儀表的大氣腐蝕和電解腐蝕,降低電氣絕緣;低濕度容易感生 靜電。
(3)安全性,應用于爆炸性危險環境,按照氣氛適應 性、爆炸性混合物分級分組、防護電氣設備類型以及其他安全規則或標準選擇儀表。如果其中可能具有腐蝕性的化學物質,則需要儀表的整個外包裝耐腐蝕性,或者防水性 良好,可采用定期沖洗等方式。
(4)電磁干擾環境,應注意 電磁干擾環境以及各種干擾源。
 6 結束語
隨著科技的進步,我國的數字技術愈發成熟,作為其中的核心芯片業接連產出,都為超聲波流量計的快速發展做了鋪墊。這些精準技術保證了天然氣管網運行時數據的 精準度。同時檢測流量計是否滿足具體的施工難易程度也 凸顯得尤為重要,國內也針對此情況建立了相關配套設 施,引進國外的先進儀器與技術增加了測量的精準性,降 低測量誤差,為實際施工做了堅強的后盾。在一個智能的 時代,對于天然氣的測量也向這邊靠攏,省去人力的投入, 換來的是實時監控、精準數據以及安全保障等等。檢查方 法普遍是用實際管內天然氣為測定流體,其中測試顯示的 數據也向多方面發展。為了面對不同管內流體和施工狀況 而選擇不同的儀器,與此同時實現對整條管線的各個管段 的監控。
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