國內外天然氣計量技術現狀及發展趨勢
發布時間：2019-05-17 發布作者：
【摘 要】文章首先介紹了目前國內外天然氣計量技術的現狀，接著又講述了天然氣計量方法的分類，并對目前世界上較為常見的幾種流量計進行闡述，重點說明了能量流量計的重要性；著重對幾種常見流量計的原理、計算公式以及優缺點進行對比。較后分析并展望了未來天然氣計量的發展趨勢以及我國開展天然氣能量計量的可行性與必要性。
1國內外天然氣計量技術研究現狀
目前天然氣作為世界上較為流行的能源之一，具有清潔、高發熱量、成本低廉的優點，因此被人們越來越重視，并且具有很好的發展前景。而隨著人類對天然氣需求量的不斷增長，天然氣貿易也在飛速的發展，對天然氣計量的準確性便顯得越來越重要，因此，有必要對天然氣計量技術展開研究。精確、高效、經濟的計量技術不僅能實現貿易雙方的公平交易，而且能夠大大降低企業成本，提高經濟效益，減少環境污染，有利于企業的良性發展。
1.1國外天然氣計量技術發展現狀
國外對天然氣計量技術的研究起步較早，從上個世紀七十年代，歐美一些發達國家便開始使用
孔板流量計及氣體渦輪流量計作為天然氣計量的主要工具，到了九十年代超聲波流量計開始進入了人們的視野當中，并逐漸地得到了廣泛的應用，比如在美國，孔板流量計的使用率達到了80%；加拿大和荷蘭主要以氣體渦輪以及腰輪流量計為主，使用率占到了90%左右[1]。而從八十年代開始，美國已經開始使用能量計量方法對天然氣進行計量，在此之后，其他西方國家也開始使用能量計量方法，這也是未來我國實現天然氣精準計量的發展趨勢。
1.2國內天然氣計量技術發展現狀
我國在天然氣計量技術研究方面發展較晚，上個世紀七十年代以來，我國結合自身實際情況，并參照國外的計量技術和標準也開發出了適合自己的新型天然氣計量儀器，實現了智能化和自動化的計量，并提高了儀表的精確度和可靠性。目前，我國主要使用的計量裝置有孔板流量計、氣體渦輪流量計以及超聲波流量計等，但是
氣體渦輪流量計以及超聲波流量計所占比重越來越大，而傳統的孔板流量計使用率逐漸減小，這也恰恰反映了我國的計量技術正向著更加精細化、智能化的方向發展。
2國內外天然氣計量方法
天然氣計量方法主要有體積計量法、質量計量法以及能量計量法。國外一些工業發達國家已普遍使用能量計量法對天然氣進行計量，而在國內體積計量法仍然占據主流地位。
2.1體積計量法
天然氣體積計量法所用到的流量計主要有孔板流量計、氣體渦輪流量計、旋進漩渦流量計、
超聲波流量計、渦街流量計、腰輪流量計等。
2.1.1孔板流量計
孔板流量計屬于差壓流量計，發展歷史較為悠久，是人們較早應用的流量計[2]。其工作原理：依據流量守恒定律，并以流動連續性方程作為基礎運算理論，當天然氣經過孔板時，在孔板處形成局部收縮，從而使流速增加，孔板下游壓力降低，在孔板前后形成壓力差，氣體流速越大，孔板前后形成的壓差就越大。因此，孔板流量計就是通過計算孔板前后壓差來對天然氣流量進行計量的。
孔板流量計具有價格低廉、結構簡單、便于安裝、性能穩定等優點；但其測量精度一般、測量流量上下限范圍較窄，一般為3∶1-5∶1，并且經過孔板后的壓損較大，維護保養也比較麻煩復雜。孔板流量計對其上下游直管段長度也有著嚴格的要求，上游直管段長度不應小于10D（D為管道內徑），下游直管段長度不應小于4D。
2.1.2氣體渦輪流量計
氣體渦輪流量計屬于速度式流量計，在天然氣管道中的分輸場站內較為普遍。其工作原理：當天然氣通過流量計時，氣體帶動流量計里面的轉子轉動，并通過計算出轉子轉動的次數來計量氣體流量。
渦輪流量計具有結構簡單且牢固、可靠性強、精度高、重復性好且測量范圍大的特點；但是在計量過程中渦輪高速旋轉易引起機械摩擦，因此，需經常對其進行加潤滑油保養，并且必須在流量計上游加裝過濾器避免較大顆粒污物損壞葉輪葉片。
2.1.3超聲波流量計
超聲波流量計屬于速差式流量計，即通過測量時間差來對天然氣進行計量，并且適用于高壓力、大口徑、高精度的天然氣計量。工作原理：超聲波流量計利用超聲波轉換器將電能轉換為超聲波能量，讓超聲波在天然氣介質中按照不同的方向傳遞，此時接收器接收到來自不同方向的超聲波信號的時間也不同，超聲波流量計就是通過時間差來計算天然氣的流量的[3]。
超聲波流量計工作原理相對簡單，世界范圍內使用占比逐年增加，已經成為主流流量計。它的測量精度較高，較高可達到0.5%，并且量程比較大，一般為1:20，可精確測量脈動流；占地空間少；堅固耐磨，可直接進行清管作業。但是它的缺點就在于不適合在冬季極為寒冷的東北地區使用，受低溫影響較大，且價格昂貴，只適用于大、中口徑；對流量計上下游直管段長度有較高要求。
2.1.4氣體腰輪流量計
氣體腰輪流量計屬于直接式流量計，也叫羅茨流量計。其工作原理：天然氣在流動過程中會經過流量計并進入流量計里面一個固定大小的空間，此空間會在天然氣的推動作用下運動到一定位置后而流出流量計，而當不停地重復這個過程時，就會有很多個這樣的空間流出。因此，通過統計流出的空間數量就可以計算出天然氣流量。
它的主要特點有測量精度高，有時可達到0.2%；量程比極大，可達到1∶400；可靠性強；較主要的是對直管段無任何要求。但自身也存在著一定的不足，安裝腰輪流量計時，其殼體不能承受來自管線的各種壓力；對天然氣氣質要求很高[2]。
2.1.5旋進漩渦流量計
旋進漩渦流量計屬于新型流量計，主要應用于用氣量較少的小型城市燃氣輸氣站，在天然氣長輸管道中應用較少。它的工作原理：當天然氣進入流量計流量傳感器入口時，葉片迫使流體進行旋轉運動，在漩渦發生體中心產生漩渦流，當天然氣進入擴散段時，旋渦流受到回流的作用，發生二次旋轉形成陀螺式的渦流進動現象。而漩渦流的旋轉頻率與天然氣流速成正比。
旋進漩渦流量計結構簡單而牢固，易于安裝，維修方便，可靠性強，使用壽命較長；抗振抗干擾性較渦街流量計強；量程比較大，一般可達到1∶10。但它的壓損較大，抗電磁干擾能較差。
2.2質量計量法
天然氣質量計量法一般用科氏質量流量計對天然氣進行計量，是一種直接式質量流量計。它的量程比較大，可達50∶1，對流量計上下游直管段也無任何要求，測量精度較高，穩定性強，對天然氣清潔程度以及密度組分要求較低，適應力好；但它的缺點就在于價格昂貴，無法計量低壓天然氣，也無法計量大口徑管道天然氣（一般大于DN200）計量壓損較大，對安裝要求高。目前，科氏質量流量計應用于氣質較差、管徑較小的天然氣計量中；在CNG（壓縮天然氣）加氣站、天然氣生產井加氣機以及燃區壓氣站等領域應用較為廣泛。
2.3能量計量法
天然氣能量計量與體積計量是密不可分的，它是建立在體積計量法的基礎之上的，通過對天然氣組分的分析，計算出天然氣單位體積的高位發熱量，再與天然氣體積相乘較終得到流經管道橫截面的天然氣總能量[3]。天然氣作為一種清潔能源，其較大的價值就體現在燃燒所產生的熱量，而天然氣是一種含有多種組分的混合氣體，不同地區天然氣的組分也有所不同，燃燒所產生的熱量也不盡相同。因此，能量計量法要比體積計量法和質量計量法更能體現出天然氣的價值，也更加公平化、合理化、科學化。
天然氣單位發熱量測定包括直接測定和間接測定兩種。直接測定就是通過燃燒單位體積量的天然氣來直接得到天然的發熱量，一般用來檢測和核查氣相色譜間接測定法的準確性；間接測定法就是通過氣相色譜儀測得天然氣的組分，進而根據天然氣組分來計算出天然氣的發熱量，目前的能量計量大多采用這種方法。
能量計量中流量及高位發熱量應符合國家計量標準。同樣地，天然氣流量計量儀表也應符合國家天然氣流量計量標準儀器標準；高位發熱量通過氣相色譜儀測得的量值要經氣體標準物質來進行。
3天然氣計量技術的未來發展趨勢
隨著我國加入WTO，在天然氣市場上與世界的貿易往來越來越頻繁[4]，因此我國的天然氣計量技術也要與世界接軌。在未來，天然氣計量技術的發展趨勢主要體現在以下幾個方面：
3.1計量技術朝著智能化和自動化的方向發展
隨著當今世界通信技術、互聯網技術以及物聯網技術的快速發展，天然氣計量技術也在多種高科技技術的影響下向著智能化和自動化的方向發展，目前已經可以實現流量計流量的實時在線監測和遠程調控，并且在不久的將來，流量計還很可能同時具備自我診斷和故障檢測的功能。
3.2計量管理越來越嚴格化
隨著人類對天然氣的需求不斷擴大，貿易量也在與日俱增，天然氣計量方面所占的比重也是越來越大，因此必須加大對現場流量計以及計量人員的管理力度。同時對流量計的選型標準、使用安裝方法、數據傳輸以及檢測檢定都要進行明確的規定，避免出現不必要的計量糾紛和利益損失。
3.3計量標準體系更加完善化
盡管我國天然氣計量標準的起步較晚，但這些年一直在迅猛的發展，通過吸取國外先進的標準再結合我們自己的實際情況，我國已基本完成一套完整的天然氣流量計量標準體系，并且正在由單一標準向多重標準發展。
3.4計量方式向能量化方向發展
前文提到過，天然氣的能量計量是建立在體積計量的基礎之上的，在天然氣貿易計量中，能量計量是較為合理、公平、公正的計量方法。并且目前國外發達國家在天然氣國際貿易中均以能量計量作為計量標準，因此我國計量方法必須向能量計量方向發展，這也是未來天然氣計量技術發展的必然趨勢。
4結論
本文從國內外天然氣計量技術的發展現狀開始講述，列舉了目前較常用的幾種天然氣計量方式與技術，并展望了未來天然氣計量技術的發展趨勢。較終得出結論：天然氣能量計量方法必將成為未來天然氣計量技術的主流；并且能量計量方法在我國天然氣計量領域具有可行性和必然性。
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