國內(nèi)在能源和資源的開發(fā)利用及國際合作中，對(duì)于大口徑、大流量流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置的需求十分突出。計(jì)量交接逐步發(fā)展為集中式、大口徑、高氣量的貿(mào)易交接方式，大流量天然氣的計(jì)量方式也已由單一的孔板流量計(jì)發(fā)展到孔板、渦輪、超聲流量計(jì)共用的格局。綜合分析現(xiàn)有的天然氣大流量計(jì)量方式，對(duì)比研究孔板、渦輪以及超聲流量計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)，得出流量計(jì)在大流量計(jì)量方面的適用性以及流量計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，以達(dá)到合理有效地使用各類計(jì)量?jī)x表的目的，提高天然氣的交接計(jì)量精確度。
近幾年，國內(nèi)天然氣產(chǎn)量增長較快，流量計(jì)量在國民經(jīng)濟(jì)中的作用也更加明顯。隨著西氣東輸三線、四線的動(dòng)工，預(yù)計(jì)到到2019年，這2個(gè)管線建設(shè)以后，初步形成的天然氣管網(wǎng)輸氣能力將達(dá)800多億m3。同時(shí)，天然氣在一次能源結(jié)構(gòu)中的比重也在加大，預(yù)計(jì)到2015年前后，國內(nèi)天然氣的利用在能源結(jié)構(gòu)中所占比例將達(dá)到10%以上。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，2008年國內(nèi)用于天然氣計(jì)量的器具為900多臺(tái)，預(yù)計(jì)2015年將可能達(dá)到2300多臺(tái)。從整體上來看，在流量計(jì)使用上，20世紀(jì)70年代形成了孔板使用高峰期，20世紀(jì)80年代形成了渦輪流量計(jì)使用的高峰期，20世紀(jì)90年代中后期則形成了使用超聲流量計(jì)的高峰期。
1 天然氣計(jì)量類型
在大流量計(jì)量方面，目前國內(nèi)外采用的流量計(jì)主要有3種類型：超聲流量計(jì)、渦輪流量計(jì)和孔板流量計(jì)。
1.1 超聲流量計(jì)
氣體超聲流量計(jì)的應(yīng)用始于20世紀(jì)90年代，以前主要是用于液體測(cè)量，在超聲流量計(jì)應(yīng)用于氣體測(cè)量上，由于氣體聲阻抗大，氣體聲能衰減大這個(gè)課題一直未能得到很好的解決，氣體超聲的發(fā)展由此受到限制。20世紀(jì)80年代以來，隨著高速數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和先進(jìn)的壓電陶瓷技術(shù)的發(fā)展，氣體超聲流量計(jì)測(cè)量天然氣技術(shù)有了突破性進(jìn)展。
超聲流量計(jì)根據(jù)換能器數(shù)量分類，目前氣體超聲流量計(jì)有一至六聲道流量計(jì)；根據(jù)超聲波在管壁上的反射情況，又可分為直射、單反射和雙反射3種。目前，超聲波流量計(jì)一般都采用單反射技術(shù)，計(jì)量不確定度為1.0%～2.0%。圖1中，五聲道超聲流量計(jì)有3個(gè)聲道采用單反射技術(shù)，2個(gè)聲道采用旋轉(zhuǎn)方向相反的雙反射技術(shù)，對(duì)旋渦流的流量測(cè)量準(zhǔn)確度較高。
1.2 渦輪流量計(jì)
在歐洲和美國，渦輪流量計(jì)是繼孔板流量計(jì)之后的第二個(gè)法定天然氣流量計(jì)，已經(jīng)發(fā)展為多品種、全系列、多規(guī)格，批量生產(chǎn)規(guī)模的天然氣流量計(jì)。渦輪流量計(jì)在用量上是僅次于孔板流量計(jì)的天然計(jì)量?jī)x表，僅荷蘭在天然氣管線上就采用了2600多臺(tái)各種尺寸儀表。
圖1 五聲道超聲流量計(jì)結(jié)構(gòu)圖
渦輪流量計(jì)由渦輪流量傳感器及與之配套的計(jì)算儀表構(gòu)成。主要研究工作集中于渦輪流量傳感器本身和其信號(hào)的處理方法。Shafer、Furness、Baker、Da-vid曾分別對(duì)渦輪流量傳感器研究工作進(jìn)行過總結(jié)，提供了非常有價(jià)值。
為了提高渦輪流量計(jì)的計(jì)量性能和適應(yīng)性，不同廠家都對(duì)渦輪進(jìn)行了改進(jìn)，目前有如下產(chǎn)品：雙葉輪，提高渦輪的可靠性；鋁合金葉輪，提高渦輪的靈敏度和抗沖擊能力；一體化整流器，提高渦輪的準(zhǔn)確度和和抗沖擊能力；密封式軸承，提高渦輪的抗臟污能力。
1.3 孔板流量計(jì)
孔板流量計(jì)是在20世紀(jì)初即使用的天然氣流量測(cè)量?jī)x表，經(jīng)過1個(gè)世紀(jì)的發(fā)展過程，它已經(jīng)是國內(nèi)外研究得最早、最細(xì)，使用經(jīng)驗(yàn)最豐富，試驗(yàn)數(shù)據(jù)最多，標(biāo)準(zhǔn)化程度最高的計(jì)量?jī)x表。據(jù)估計(jì)，國外約占60%，國內(nèi)占80%以上，數(shù)據(jù)點(diǎn)多（16000多個(gè)），不過隨著超聲流量計(jì)在國內(nèi)的逐漸使用，孔板流量計(jì)所占比例有所下降。
目前，眾多新型流量計(jì)的出現(xiàn)對(duì)孔板流量計(jì)形成了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，為著保持其主導(dǎo)地位，其功能在積極地完善著，現(xiàn)列舉如下：
（1）孔板流量計(jì)配套的二次儀表部分。差壓變送器和流量計(jì)算機(jī)在微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、新材料、新工藝的迅速發(fā)展下，性能及可靠性顯著提高。
（2）定值節(jié)流件的采用。定值節(jié)流件是指對(duì)每種通徑測(cè)量管道配以有限數(shù)量的節(jié)流件。節(jié)流件的p值（直徑比）則按優(yōu)先數(shù)系選用，節(jié)流件實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，為擴(kuò)大使用創(chuàng)造條件，給用戶帶來方便等。
2 優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比
各種流量計(jì)的分析、對(duì)比結(jié)果如表1所示。表1中，D為管徑，ρ為管道輸送介質(zhì)的密度，C為壓力損失系數(shù)。
表1 流量計(jì)比較表
3 實(shí)用性分析
天然氣計(jì)量?jī)x表的選用首先要遵循一個(gè)基本的原則，就是所選用的計(jì)量?jī)x表一定能夠滿足和用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)計(jì)量。在選用流量計(jì)之前，首先需要摸清用戶近期和遠(yuǎn)期的用氣情況，每日調(diào)峰和季節(jié)性調(diào)峰多少及現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際工藝情況，然后才可以確定選用何種流量計(jì)，從而確定所選儀表的規(guī)格、型號(hào)。具體需考慮的因素以及各流量計(jì)的性能對(duì)比如表2和表3所示。
表2 天然氣流量計(jì)選型依據(jù)
表3 流量計(jì)性能比較表
通過以上比較及目前的發(fā)展趨勢(shì)可以看出，氣體超聲流量計(jì)將是未來天然氣大流量交接計(jì)量?jī)x表的主流。使用氣體超聲流量計(jì)測(cè)量天然氣流量，尤其是在高壓大流量貿(mào)易交接計(jì)量的場(chǎng)合，有較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。多聲道超聲流量計(jì)己被氣體工業(yè)界所接受，可在天然氣貿(mào)易交接計(jì)量中應(yīng)用。目前，己部分取代了孔板流量計(jì)、渦輪流量計(jì)等傳統(tǒng)的氣體流量計(jì)量技術(shù)。超聲流量計(jì)解決了大管徑、大流量及各類明渠、暗渠測(cè)量困難的問題。
目前，國內(nèi)外在對(duì)渦輪流量計(jì)用于天然氣測(cè)量的選用比例上也在不斷上升。由于其具有高精度和寬量程等諸多優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)成為對(duì)中低流量和城市燃?xì)庹{(diào)峰計(jì)量的首選儀表。
孔板差壓流量計(jì)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壽命長、成本低等特點(diǎn)更適合國情，而且使用量仍占80%以上。采用先進(jìn)的智能變送器、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)等進(jìn)行技術(shù)改造，是孔板差壓流量計(jì)的發(fā)展方向。
4 結(jié)束語
預(yù)計(jì)到2015年前后，國內(nèi)天然氣的利用將在能源結(jié)構(gòu)中所占比例達(dá)到10%以上。因此，努力搞好天然氣計(jì)量工作尤為重要。其意義體現(xiàn)在：搞好天然氣的精確計(jì)量有利于以天然氣為原料的化工企業(yè)分析原因，改進(jìn)工藝流程更新設(shè)備，達(dá)到節(jié)能降耗的目的；為在計(jì)量上與國際接軌創(chuàng)造有利條件；為計(jì)量交接雙方提供公平合理的計(jì)量數(shù)據(jù)。
天然氣計(jì)量技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)：智能式流量計(jì)的發(fā)展，微型、微功耗計(jì)算機(jī)在流量計(jì)二次儀表的使用，可利用校準(zhǔn)技術(shù)提高流量計(jì)的準(zhǔn)確度和拓寬量程；大流量計(jì)量將使用工作原理簡(jiǎn)單、受安裝和環(huán)境條件影響小、準(zhǔn)確度高的流量計(jì)；各種類型的流量計(jì)有其工作原理和計(jì)量特性，在不同工作條件下使用不同工作原理的流量計(jì)；在國內(nèi)，超聲流量計(jì)、渦輪流量計(jì)及孔板流量計(jì)將在大中流量計(jì)量中成為主流流量計(jì)。小口徑超聲、腰輪等寬量程流量計(jì)將在用量波動(dòng)大的民用氣計(jì)量中發(fā)揮作用。
