天然氣長(cháng)輸管道計量系統設計

第23卷第1期儀器儀表用戶(hù)EIC Vol 232016年1月INSTRUMENTATION2016No.1天然氣長(cháng)輸管道計量系統設計劉朋(中石化石油工程設計有限公司,山東東營(yíng)257026)摘要:計量系統是天然氣長(cháng)輸管道中的重要組成部分,介紹了長(cháng)輸管道計量系統中常用流量計特點(diǎn),給出了計量系統儀表選型及設計的一般過(guò)程,詳細說(shuō)眀了精度考慮、口徑考慮、流速計算及回路配置等冋題的設計原則及計算方法。給出了以氣體超聲流量計、在線(xiàn)氣體色譜分析儀、流量計算機等構建的體積流量和能量流量的計量系統的典型配置關(guān)鍵詞:長(cháng)輸管道;計量系統;超聲波流量計;典型配置中圖分類(lèi)號:TE978;TP211文獻標識碼:B章編號:1671-1041(2016)01-0012-03Design of Metering System in Long-Distance Natural Gas Transportation PipelineLiu PengSinopec Petroleum Engineering Corporation, Shandong Dongying, 257026, ChinaAbstract: Flow measurement system is an important component in long-distance natural gas transportation pipe; flowmetersusually used in gas metering are introduced and compared in this paper. Meter selection and general design procedure are alsogiven out including accuracy consideration. diameter consideration, velocity calculation, loop configration, etc. A typical meteringsystem based on ultrasonic meter, online chromatographic analyzer, flow computer is construeKeywords: long-distance transportation pipe; metering system; ultrasonic flowmeter; typical configuration0概述超聲波流量計是最常用的天然氣計量?jì)x表。下面對孔板流隨著(zhù)國內普光氣田、大灣氣田等大型氣田的開(kāi)發(fā),西量計和渦輪流量計做簡(jiǎn)要介紹,并詳細介紹超聲流量計吲。氣東輸、陜京線(xiàn)、川氣東送、榆濟管道等大型管道紛紛建1.1.1孔板流量計孔板流量計是一種差壓式流量計,通過(guò)測量孔板前后成,各省地方管網(wǎng)等發(fā)展迅猛,新疆煤制氣輸氣管道、中差壓來(lái)計量天然氣流量?？装宓挠嬃烤壤碚撋峡梢赃_到俄輸氣管道等超大型輸氣管道也均在不斷推進(jìn)中。天然氣1%,但由于對整套流量計的精度影響因素多且錯綜復雜能源的使用在我國呈現出強勁的增長(cháng)勢頭。近些年煤制氣現場(chǎng)精度最高能達到2%,一般情況下在3%左右?？装辶黜?yè)巖氣也得到快速發(fā)展,也將推動(dòng)天然氣長(cháng)輸管道的建設。量計是規范最全,使用最早,數量最多的一種流量計。其在天然氣長(cháng)輸管線(xiàn)中,計量系統關(guān)系著(zhù)管線(xiàn)上、中、下游優(yōu)點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單牢固、性能穩定可靠、按標準制造的孔板各方的經(jīng)濟利益,天然氣生產(chǎn)、輸送、交易和使用的過(guò)程中不需要標定、價(jià)格低廉等。同時(shí)其缺點(diǎn)同樣十分明顯:壓首先需要解決的一個(gè)問(wèn)題就是計量,長(cháng)輸管線(xiàn)本身的特點(diǎn)損大、精度低、量程比小、所需直管段長(cháng)等。又對計量系統提出了特定的要求。在工程設計中,如何構1.1.2渦輪流量計建一個(gè)精準、可靠、易于維護的計量系統是一個(gè)十分重要氣體渦輪流量計利用氣體推動(dòng)流量計轉子轉動(dòng),通過(guò)和有意義的課題。測轉子轉動(dòng)次數來(lái)計量氣體流量。它具備完備的規范,性能1天然氣長(cháng)輸管道流量?jì)x表選型優(yōu)良,其特點(diǎn)是:測量精度高,精確度可以為0.5%-1.0%測量范圍寬,量程比可達1:30;輸出為脈沖頻率信號,無(wú)21常用天然氣計量?jì)x表簡(jiǎn)介及比較零點(diǎn)漂移、抗干擾能力強;結構緊湊輕巧、安裝維護方便。目前國內用于天然氣計量的儀表種類(lèi)繁多,主要有孔但與此同時(shí)由于渦輪本身結構的特點(diǎn),也帶來(lái)了缺點(diǎn):有板、渦輪、腰輪、勻速管、渦街、超聲波流量計等。各類(lèi)可動(dòng)部件,易于損壞;要求氣體潔凈度較高,顆粒雜質(zhì)容儀表性能不一,適用場(chǎng)合上存在差異。其中孔板、渦輪、易損壞渦輪。中國煤化工收稿日期:2015-114CNMHG作者簡(jiǎn)介:劉朋(1984-),男,山東鄒城人,工學(xué)碩士,工程師,研究方向:工業(yè)自動(dòng)化系統設計。第1期劉朋·天然氣長(cháng)輸管道計量系統設計131.1.3超聲波流量計量系統。如在長(cháng)輸管道中設置大量孔板,會(huì )因孔板產(chǎn)生大氣體超聲流量計是20世紀0年代中后期被廣泛采用量壓損,造成下游管道需增加壓縮機進(jìn)行增壓;同時(shí)孔板的高精度的流量測量?jì)x表,它已成為繼孔板、渦輪之后最本身精度低,不適合作為交接計量使用,目前新建管道中有發(fā)展前途的一種高精度氣體流量?jì)x表。目前天然氣計量只用于臨時(shí)投產(chǎn)或生產(chǎn)計量場(chǎng)合。而超聲波流量計由于其領(lǐng)域使用的超聲波流量計均是基于時(shí)差法原理國。自身的優(yōu)越性,廣泛應用于DN80及以上管道。DN80口徑根據聲道的數量,超聲波流量計可分為單聲道和多聲以下,由于管道口徑小,導致基于時(shí)差法的超聲波流量計道兩種。在天然氣站場(chǎng)中,由于流量計上下游阻力件(如測量精度降低,而渦輪在DN80孔徑下精度更高,且更具閥門(mén)、匯管、分離器等)的存在,對氣體的流動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生價(jià)格優(yōu)勢,DN80以下管道計量選用渦輪。影響,可能導致渦流等情況,造成速度分布的畸變。單聲道的測量結果就不能精確地反映管道中的氣體的軸向流2天然氣長(cháng)輸管道流量計量系統設計速,測量精度較低。多聲道對管道內流速的分布進(jìn)行了更一套計量系統通常采用一用一備或多用一備的配置方為全面的測量,在很大程度上消除了渦流等干擾因素對測式?？紤]到占地面積、經(jīng)濟性及維護工作量,計量回路盡量量結果的影響,測量精度大大提高。為保證測量精度,天采用一用一備的配置;當氣量特別大時(shí),采用多用一備的配然氣長(cháng)輸管線(xiàn)中應用的超聲波流量計要求具有不少于4聲置方式。如各站場(chǎng)分輸支路的一般采用一用一備配置方式,道的配置。整條管線(xiàn)的氣源下載點(diǎn)通常采用多用一備的配置方式多聲道超聲波流量計的優(yōu)點(diǎn)是:準確度等級優(yōu)于0.5%,量程比最高可達1:30,無(wú)壓損,堅固耐用、維護量少,活2.1計量系統設計合于中、大口徑應用等;缺點(diǎn)是:價(jià)位高、對噪聲比較敏感2.1.1綜合考慮長(cháng)輸管線(xiàn)天然氣計量系統的體積計量準確度一般要管道、閥、節流元件布置等都會(huì )在一定程度上影響超聲波求為05%,但無(wú)論是超聲波流量計還是渦輪流量計,都測量精度。但通過(guò)合理的設計措施可以將噪聲、元件布置存在一個(gè)分界流量的問(wèn)題,當流量值小于分界流量時(shí),等影響降低到最小程度。超聲波流量計已成為天然氣長(cháng)輸流量計的計量準確度降低,不能保證全流量范圍的測量管道工程中大口徑計量系統設計首選。精度均為0.5級,此時(shí)需考慮進(jìn)行分段計量。中大口徑1.1.4性能比較表1列出了孔板、渦輪、超聲波流量計的各項性能,大流量時(shí)選用超聲波流量計,如出現小流量值小于超聲通過(guò)表1可以看出,渦輪、超聲波流量計的性能遠高于孔波流量計的分界流量的情況,則考慮用一路小口徑的渦板流量計,而超聲波流量計又優(yōu)于渦輪流量計,尤其是適輪或超聲流量計計量該小流量,使全流量范圍測量準確合中大口徑應用場(chǎng)合。度都能達到0.5級。流量計的分界流量定義為儀表最大流量的表1孔板、渦輪、超聲波流量計性能比較設計計算時(shí)通常將工藝給定的流量上限作為儀表最大流Table 1 Performance comparisonorifice plate, turbine and量。如果工藝最小流量小于最大流量的10%,則認為不ultrasonic flowmeter能保證全量程內的精度均為0.5級,需設置一路小口徑流孔板渦輪超聲波量計。就目前天然氣計量發(fā)展趨勢來(lái)看,用氣量高低峰量程比差距一般不會(huì )特別大,設置小流量計量回路的方式越來(lái)精度0.5%0.5%越少。實(shí)際上,如僅是短期小流量或小流量與分界流量很大較小的值相差不大,從經(jīng)濟、占地面積等方面考慮設置小流對渦流量計量也無(wú)必要。敏感度很敏感(加整流器)不敏感對流速分2.1.2口徑考慮布敏感度很敏感不敏感(加整流器)不敏感天然氣長(cháng)輸管線(xiàn)的口徑一般較大,如川氣東送干線(xiàn)管測脈動(dòng)流不適合不適合適合道口徑為Φl016,雖然超聲波流量計可以做到該口徑,但測雙向流不能不能可以目前國內流量計標定口徑在DN400及以下,為方便用戶(hù)定測濕氣體不能不能可以期對流量計的標定,工程設計中,選取流量計的最大口徑為清洗管路不能不能可以DN400;另一方面,DN8O以下管徑目前無(wú)可用超聲波流量計,直管段要求上游4D上游10D上游10D因此超聲波流量計的口徑通常選取在DN8O-DN400之間,即游下游5D下游5DDN80、DN100、DN150、DN200、DN250、DN300、DN40適用口徑中大口徑中小口徑中大口徑7種選擇。1.2天然氣長(cháng)輸管道流量?jì)x表選型2.1.3口徑RYH中國煤化工超聲波流速法,該法天然氣長(cháng)輸管線(xiàn)具有設計壓力高、距離長(cháng),管線(xiàn)口徑的核心是限定CNMHG許流速和最小流量大,沿線(xiàn)站場(chǎng)、閥室多等特點(diǎn),多數站場(chǎng)均需設置計儀器儀表用戶(hù) INSTRUMENTATION第23卷允許流速。算天然氣能量,長(cháng)輸管道分輸站、計量站通常配置一套在GB?18604-2014規定閃,天然氣流速一般在03~30m線(xiàn)色譜分析系統,實(shí)現對天然氣的組分分析,并將信號傳范圍內,根據實(shí)際工程經(jīng)驗,對于超聲波流量計,一般將遞給流量計算機;流量計算機接收計量回路的流量、壓力最高允許流速限制到25m/s,大于此上限流速后,管道內溫度以及色譜分析儀的信號,通過(guò)規定的算法可以計算出可能產(chǎn)生不利因素,如噪聲、震動(dòng)、沖擊等,且影響計量天然氣標況下的體積流量、質(zhì)量流量和能量流量;流量計精度。算機的信號可上傳至站控系統,并可接受站控系統命令,限定最大允許流速是為了使天然氣流速不超過(guò)管道天進(jìn)行遠程組態(tài)和維護。一套典型的天然氣能量計量系統配然氣允許流速,并保護流量計;限定最小流速是為了得到置如圖2所示。最經(jīng)濟合理的口徑。天然氣流速計算可根據工藝給定的流量值(標況)和操作溫度、壓力,結合氣體的物理學(xué)方程推導。真實(shí)氣體的流速計算相當復雜,對于工程計算來(lái)說(shuō),根據理想氣體狀態(tài)方程對流速進(jìn)行估算完全可以滿(mǎn)足工程需要。2.1.4計量系統配置通過(guò)上述分析和計算,可以確定計量系統口徑和路數。為了增加計量系統的可用性和可維護性,計量系統中一般設置一路備用回路,在計量系統中某一回路發(fā)生故障時(shí)系統可以開(kāi)啟備用計量回路維持系統正常工作。典型流量計量系統回路配置(一用一備)如圖1所示。kg2圖2天然氣能量計量系統配置圖Fig 2 Configuration of gas energy metering systen3結論本文對氣體流量計量?jì)x表進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹和對比,給圖1天然氣計量系統計量回路典型配置Fig. 1 Typical configuration of metering system出了渦輪流量計和超聲波流量計是長(cháng)輸管線(xiàn)計量系統中優(yōu)通常計量回路的人口設置強制密封球閥作為回路切斷先選用的計量?jì)x表的原因。在工藝參數確定后,確定計量及切換用;計量回路的下游通常是調壓支路,兩者之間使系統結構、配置計量系統是系統設計中的一個(gè)重要過(guò)程,用τ型彎做降噪用。每一計量回路配置一臺流量計算機,合理的配置結果不僅能保證精度,還可以使投資最優(yōu)化本文給出了詳細的系統設計過(guò)程,并給出了以流量計、色流量計算機盤(pán)裝于機柜間計量機柜上譜分析儀、流量計算機等為基礎實(shí)現的體積流量和能量流22天然氣能量計量系統量計量系統。作為一種燃料氣,天然氣的商品價(jià)值是其所含的能量,基于優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)的原則,天然氣能量計量是最公平合理的計參考文獻量方式,也是當前國際通行的貿易計量方法。能量E0可以甘霞,天然氣流量計量技術(shù)現狀及發(fā)展趨勢D油氣田地面工通過(guò)體積或質(zhì)量與發(fā)熱量H的乘積計算得到。按體積計算程,2004,23(8:31-32的公式為2]熊光德,新型天然氣超聲波流量計量技術(shù)團天然氣與石油2002,20(2):57-603]陳松,黃坤,馬國光,等.用于天然氣流量計量的超聲流量計E0=g×H2油氣儲運,202.21(5:37-40式中:E天然氣的能量,MJ;[4]孫金明,魏巍,閆峰.噪聲對超聲波流量計的影響及案例分Q天然氣的體積,m析,測量與設備U2006119-115國家質(zhì)量監督GR/T18604-014用氣體超聲H5一天然氣的發(fā)熱量,M/m3。波流量計測量中國煤化工出版社,014隨著(zhù)我國天然氣市場(chǎng)與國際的接軌,由體積流量計量CNMHG轉向能量計量是我國天然氣法制計量的必然趨勢。為了計