淮安三畅-专注仪器仪表研发与制造Focus on Pressure Sensor Manufacturing for 15 Years.
摘要: 考察燃气（重点是天然气）计量流量计的经济性，既要考察它们在设备采购成本和运行维护成本方面的经济性，更要考察它们对于输差的影响。本文针对目前多种燃气计量仪表的特点，首先分析气体超声流量计、涡轮流量计、腰轮流量计和孔板流量计等常见的天然气计量仪表的工作原理、适应范围、各自特点等。接下来，从不同的角度对燃气管网计量输差产生的因素进行解析，分析不同种类流量计对输差可能造成的影响。非常后，结合常用流量计类型的自身特点和输差控制，对各类型流量计做出了经济性的分析。
引言
天然气作为清洁能源在国内能源消耗的占比逐年增长，油气田采集油气后经过油气分离工艺，将天然气通过加压长输管道输送到各城市门站，再到各种燃气用户。天然气输送量由燃气管道上安装的流量计量仪表上的测量数据决定。在高压天然气输送工程中选择一款高精度、高稳定性、压力损失小，同时又具有经济性的计量仪表具有重要的意义[1]。考察燃气计量流量计的经济性，既要考察它们在设备采购成本和运行维护成本方面的经济性，更要考察它们对于输差的影响。
本文首先分析气体超声流量计、涡轮流量计、腰轮流量计和孔板流量计等常见的天然气计量仪表的工作原理、适应范围、优缺点等。在此基础上，从不同的角度对燃气计量输差产生的因素进行解析，分析不同种类流量计对输差可能造成的影响。非常后，结合常用流量计类型的自身特点和输差控制，对各类型流量计做出经济性的分析。
1 燃气流量流量仪表
流量计是燃气计量的一个重要设备，它提供了贸易计量或内部管理的数据。目前国际和国内被广泛应用的燃气计量仪表有气体超声流量计、涡轮流量计、罗茨流量计以及孔板流量计等。研究分析这些气体流量计的性能特点、适用范围，可以帮助找到一种更准确、更稳定和合理的计量手段。
1.1 气体超声流量计
主流的气体超声流量计是基于时差法开展的流量测量，其原理是测量超声波信号在气体介质中顺向流和逆向流的时间差 Δt，在已知一对探头间的距离 L 时，计算出流速 V，然后乘以测量管段的截面积 S=π*D2/4，获得非常终的流量值(见公式 1 和 2)。超声流量计工作原理见图 1。
气体超声流量计非常大的特点是能在高压和中低压或条件下准确地测量气体的单、双向流量，测量范围宽，量程比大；直接测量气体的流速，测量精度不受介质组分变化的影响；能测量稳态及低频脉动气体的流量；无阻流机械部件，压力损失极小，且不会因固体杂质导致阻流部件损坏；一般采用多声道的测量，可有效地减小因流场不均匀分布对测量结果的影响，并能在一个声道出现故障时继续用其它正常的声道进行有效测量，从而提高仪表的准确度和可靠性；适合于压力变化范围大，流量波动大的应用场合。该种流量计目前正在高、中、低压各种天然气计量应用中逐步替代涡轮流量计、腰轮流量计和差压式孔板流量计[2]。
1.2 气体涡轮流量计
在涡轮流量计测量表体中装有一个叶轮，上面的叶片与被测介质流向成一定角度。有流体通过时，它的冲力带动叶片旋转，这个叶片的旋转速度与流体的流速成正比关系，而这种叶片本身具有磁性，它在由用yongjiu磁钢和线圈组成的信号检测器中旋转并切割磁力线，由此感应出与流速成一定比例的脉冲信号，通过脉冲信号放大器获得流量信息。涡轮流量计的脉冲频率 f 与流经测量表体的流体的瞬时流量 Q 成正比，流量方程为：Q=3600×f/k （3）式中：k 为流量计的仪表系数，3600 为换算系数。
涡轮流量计由其机械结构特点决定了其具有测量精度高、重复性好、基本无零点漂移等优点。但是，涡轮流量计对气体介质的清洁度要求较高，气体的温度、粘度和密度对仪表的示值误差也有较大的影响；对气流脉动和漩涡流敏感，防气流冲击能力差，容易损坏；量程范围相对有限；且在使用一段时间后轴承间隙加大，测量精度呈现变负的趋势。
1.3 罗茨流量计
罗茨流量计也称腰轮流量计，它是利用 2 个椭圆形的机械测量元件把被测介质分割成单个已知的体积部分，通过计量室逐次、重复地充满和排放该体积部分流体的次数来计算被测介质的流量体积总量。
罗茨流量计优点是：计量腔保持一定的容积，很少受紊流及脉动流的影响；无须前后直管段；受被测气体介质的粘度等物理性质、流动状态的影响小，可测量不易测量的脉动流量；适用的量程、温度范围宽，安装要求不高。
但是，罗茨流量计对气体的清洁度要求较高，含有油污和杂质时要预先处理，加装过滤器；当流量增加时，压力损失也增大；使用一定时间后，腰轮与计量腔体间的间隙会增大，影响测量精度；运行维护工作量大；大口径时价格较贵，经济性变差[3]。
1.4 孔板流量计
孔板流量计是差压式流量计，它是由一次检测件（节流件）和二次装置（差压变送器和流量显示仪）组成。当被测介质通过节流件时局部产生收缩，流速增加，在节流件后面产生静压力，由此在节流件前后产生了压差，而此压差随流量的变化而变化，流量大则压差就大。作为二次装置的差压变送器测量节流件前后的压差，计算出对应的流量值。孔板流量计工作原理见图 2。
孔板流量计的优点是结构简单、制造、加工和使用方便。
但该种流量计对压力、流量的适应性差，特别是大口径的孔板流量计由于静压力差测量的误差，会造成流量计的综合不确定度增大；对流场的要求比较苛刻，需要的前直管段非常长；压损大；上游易积液；孔板损耗快，维修维护率高[4]。 2 燃气计量输差产生的原因 输差是燃气在输送过程中输入和输出在量值上产生的差异，即 Q 差=Q 进-Q 出。从理论上讲，在一个全封闭的输送管网中，只要输送管道没有泄漏，就没有输差产生。但在实际的油气计量过程中，在输入的流量和输出的流量之间会出现一些偏差量。细分下来主要是由以下几方面造成的。
2.1 测量仪表引出的偏差
燃气计量的量值确定是靠测量仪表完成的，而测量仪表的测量误差值不会是 0%，在计量仪表选型的初期，如果没有仔细考虑计量的流量范围（用气量的多少）、工作压力的适用范围、气体介质的工艺处理结果及使用现场的工况条件等影响因素，使流量测量仪表工作在一个不适合的工况条件下，就会造成计量误差值。另外，各种原理的流量计对安装条件的要求也是不同的，如前后直管段长度要求、流量计前端过滤器的要求、新管道吹扫流程的要求、单向流流量计的流向要求、仪表润滑油的选择要求等等。如果没有按照要求进行安装，就会影响燃气的计量准确度。选择量程宽、对工况适应能力更强的流量计类型，如超声波流量计，有助于避免这一问题[5]。
另外，目前在天然气主干网的门站均已采用高精度的气体超声流量计，而面向中小用户的流量计很多仍是采用孔板流量计、涡轮流量计或罗茨流量计。孔板流量计的测量精度本身就不高，涡轮或罗茨流量在使用一段时间后由于轴承的磨损或气体介质中污物的影响，往往造成测量精度的大幅下降。也就是说，由于在输入和输出端采用了准确度不同的流量计，也会加剧燃气输差[6]。
2.2 管存气体量值的偏差
天然气管输系统中由于环境温度、输气压力和温度的变化，被测天然气的组分也会发生变化，这会导致管道中的管存天然气的量值发生变化，如式（4）所示：
因此，在不同的温度、压力和组分条件下，管存天然气的量值 Q 存也会不同，由此也会造成了管网输入和输出的量值发生了偏差 Q 差： Q 差=Q 进-Q 出-Q 存 （5）
2.3 管网泄露
燃气管网在运行的过程中，由于温度的变化和应力的作用，不可避免地发生渗漏，这种渗漏主要发生在管道及法兰密封处；管网老化锈蚀破损，在改造施工过程中的野蛮操作，也可能会造成燃气的泄漏。
2.4 流量计运行维护的影响
机械式的流量计，包括涡轮、罗茨、孔板等，需要定期进行维护。如果疏于维护，没有按照规范加注润滑油，没有更换磨损的部件，或者没有定期清理或排放过滤器中的油水杂物等，也会使仪表随着时间的推移，准确度逐步下降。而超声流量计基本上可以免维护，有效避免了这一问题[7]。
2.5 经营管理方面产生的偏差
有些输气管网还未实现计量系统自动化的管理，设备停运或维修信息不够及时和完善；天然气气体组分发生变化时没有及时准确地更新各类计量仪表中的组分信息；量值计算和统计时间的节点不完全一致，造成流量计量仪表的统计周期不完全统一；未按规定的时间对计量以及相关联的温度和压力等仪表进行周期检定或校准等等，均会造成一定程度的输入和输出量值的偏差。相比于传统的机械式流量计，超声流量计具有代际优势，智能化程度高，便于进行计量系统的智能化管理[8]。
3 流量计经济性分析
3.1 设备采购成本
在设备采购价格方面，虽然超声流量计近年来的价格已大幅下降了超过 50%，但传统的机械式流量计仍然具有一定优势。在小口径时，罗茨和涡轮价格具有相对优势，而在大口径时，孔板更有优势。但是，通过第 2 节的内容大家已经了解到，超声流量计在精度等级，量程范围，对工艺条件的适应性等方面具有诸多优势。因此，在作出采购决策时切不能以初始的设备采购成本作为主要考量。况且，由于超声流量计没有机械部件损耗，不会因为固体杂质导致阻流部件损坏，因而使用寿命长因此如果按一定时期内折旧成本来看的话，超声流量计更具有综合性价比优势[9]。
3.2 运行维护成本
涡轮和罗茨流量计等机械式流量计由于有转动部件，需要定期加注润滑油；随着使用时间变长，会出现机械磨损；由于存在阻流部件，容易因固体杂质造成流量计损坏。超声流量计没有机械转动部件，没有阻流部件，不易损坏，且超声流量计本身的智能、自动化程度高，具有免维护、少维护的特点，维护成本极低。因此在运行维护成本方面具有明显优势。
3.3 输差控制
相比于设备采购成本和运行维护成本，输差的金额有可能会大得多，因此在分析流量计经济性时一定不能忽略其在输差控制方面的影响。从第三节的内容大家可以看到，输差产生的原因主要有五个方面：1）测量仪表引出的偏差；2）管存气体量值的偏差；3）管网泄露；4）流量计运行维护的影响；5）经营管理方面产生的偏差。其中，第 1）、4）、5）项都与流量计直接相关[10]。做为更新型的流量计，超声流量计相对于传统机械式流量计来说具有代际优势，因测量仪表引出的偏差而导致输差的可能性更低；由于其几乎免维护，因流量计运行维护的影响而导致输差的可能性也更小；由于超声流量计智能化程度高，也有助于减少因经营管理方面产生的偏差。
4 结语
与涡轮、罗茨、孔板等传统流量计相比，超声流量计更具经济性，理由是：1）虽然一次性采购成本较高，但性价比好，且按一定时期内折旧成本来看的话可能更具有价格优势；2）不易损坏，维护非常简单，维护成本极低，因此在运行维护成本方面具有明显优势；3）作为更新型的流量计，超声流量计相对于传统机械式流量计更有利于输差控制。
咨询热线
0517-86998326
