在天然氣集輸過程中，配氣站是天然氣外輸?shù)淖罱K環(huán)節(jié)，配氣站的天然氣計量至關(guān)重要，計量準(zhǔn)確與否不但影響天然氣供需雙方的經(jīng)濟(jì)利益，而且影響計量交接、氣量結(jié)算、企業(yè)信譽(yù)。由于天然氣計量的難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于液體計量，計量結(jié)果的影響因素繁多，計算公式復(fù)雜，因此，采用高準(zhǔn)確度的自動計量是供需雙方的迫切要求，也是計量技術(shù)新發(fā)展的迫切需要。
一、自動計量基本原理及組成
目前，我國天然氣計量執(zhí)行SY/T6143-1996《天然氣流量的標(biāo)準(zhǔn)孔板計量方法》，過去，天然氣計量廣泛采用標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置配雙波紋差壓計模式。其測量過程是由節(jié)流裝置產(chǎn)生與流量相對應(yīng)的差壓信號，通過導(dǎo)壓管將孔板上下兩側(cè)的靜壓和差壓信號分別傳送到雙波紋管差壓計的高低壓室，由兩只表筆在開方卡片上繪制兩條靜、差壓曲線。，用徑向方根求積儀求取平均后，通過計算公式，手工計算天然氣流量，這種計算方法不但計量誤差大，人為因素多，而且故障頻繁，管理難度大，
隨著計量測試技術(shù)的迅猛發(fā)展，計算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，天然氣自動計量成為了可能，采用差壓、壓力變送器代替了雙波紋管差壓計，熱電阻溫度變送器代替了玻璃棒溫度計，在線色譜儀代替了取樣分析，用計算機(jī)代替了手工計算流量，從而從整體上實現(xiàn)了天然氣流量計量的全過程自動計量。
二、 自動計量在配氣站的應(yīng)用
自動計量在配氣站的應(yīng)用有三種模式：單片機(jī)簡單系統(tǒng)、工控機(jī)自編軟件系統(tǒng)、流量計算機(jī)系統(tǒng)，這也是我們過去所經(jīng)歷的三次變革：八十年代初，我們采用了單片機(jī)計量系統(tǒng)，由于系統(tǒng)穩(wěn)定性差、多種修正系數(shù)采用定值而帶來的計量誤差太大，該系統(tǒng)沒能真正投入使用。隨后，我們改為采用了工控機(jī)自編軟件系統(tǒng)，采用 1151變送器和熱電阻溫度變送器，采用C語言編制數(shù)據(jù)采集和流量計算程序，但由于自編軟件的認(rèn)可問題遇到很多困難，該系統(tǒng)也未在交接計量上使用。
通過多次試驗和對比，我們采用了以下比較成熟的流量計算系統(tǒng)，其主要部件如下：
1、三合一變送器
采用美國ROSEMOUNT公司生產(chǎn)的三合一式多變量智能變送器，它將壓阻式絕壓傳感器和電容式差壓傳感器和四線制RTD溫度模塊合為一體，傳感器的電子電路將過程變量直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，可在傳感器內(nèi)進(jìn)行修正和補(bǔ)償。此變送器的設(shè)計精度是0.075級，可同時采集靜壓、差壓和溫度三個參數(shù)，并支持 HART協(xié)議，可隨時對其進(jìn)行校驗或校準(zhǔn)，并可根據(jù)需要對量程進(jìn)行調(diào)節(jié)。
2、流量計算機(jī)
目前，國外有不少專用于天然氣流量計算的集成設(shè)備，它們的構(gòu)成大至相同，都是通過采集的壓力、差壓和溫度和密度計算出瞬時流量和累計流量，只是存在功能的多少和強(qiáng)弱之分。柳屯配氣站采用的是美國 FISHER-ROSEMOUNT公司ROC407 FLOBOSS產(chǎn)品，它是由采集、處理、存儲、通訊四個模塊組成。①采集模塊：接收數(shù)字信號，可在1秒鐘中內(nèi)采集四組計量點傳來的壓力、差壓、溫度信號，當(dāng)連接數(shù)少于四組時，采集時間更短。②處理模塊：由CPU處理器將采集到的數(shù)據(jù)根據(jù)內(nèi)置的天然氣流量算法和密度算法，計算出各組計量點的瞬時流量和累計流量。③存儲模塊：由一塊RAM和一塊ROM組成，其中ROM是只讀存儲器，存儲有國際通用的天然氣流量計算方法(AGA 3號報告)和天然氣壓縮因子計算方法(AGA 8號報告)；RAM是隨機(jī)存儲器，由外接電源或自帶鈕扣電池供電，存儲各組計量點的瞬時壓力、差壓、溫度、流量及累計流量和天然氣組分、密度。④通訊模塊：提供RS232和RS485通訊接口各一組，可與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。
3、在線色譜儀
天然氣密度是計量參數(shù)中很重要的一個，密度如果相差1%，天然氣流量將相差0.5%。為了準(zhǔn)確計量，我們在柳屯配氣站安裝了美國千得樂公司2920型BTU在線色譜儀。該儀器露天安裝，不需要分析小屋，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，通過切換閥可周期性對六路天然氣樣進(jìn)行分析測試，使用氦氣作為載氣，運行成本低，特別適用于小型配氣站自動計量的需要。
4、上位機(jī)軟件及信號傳輸
上位機(jī)使用IPC 610 工控機(jī)，顯示器使用PHILIPS 20"彩色顯示器，組態(tài)軟件使用intuch 7.0，軟件系統(tǒng)．該系統(tǒng)自1996年月在中原油田柳屯配氣站建成投產(chǎn)以來，經(jīng)過多次現(xiàn)場調(diào)試和整改，目前運行正常，能較好地滿足油田天然氣計量管理需要。其特點是：
⑴、自動計量系統(tǒng)自接引進(jìn)了國外的流量計算機(jī)，避免了人工編制開發(fā)軟件程序，用戶信任度好；
?、?、在集配氣站系統(tǒng)中運行可靠，故障率低，使現(xiàn)場值班人員的操作、維護(hù)以及資料錄取工作大量的減少；
?、?、微機(jī)畫面實時監(jiān)測、報警，可及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中遇到的工藝、計量等故障現(xiàn)象，縮短了調(diào)配氣量和處理事故的時間，提高了現(xiàn)場的管理能力；
?、?、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能使上級管理部門能隨時掌握了解生產(chǎn)動態(tài)，及時調(diào)節(jié)氣量，提高系統(tǒng)工作效率。
三、自動計量存在的問題
天然氣自動計量只是二次儀表的自動計量，并沒有解決節(jié)流裝置的準(zhǔn)確計量問題，在國內(nèi)天然氣的整體計量水平比國外低的情況下，采用自動計量仍需考慮以下問題：
1．孔板銳利度問題：由于國內(nèi)孔板材質(zhì)較差，孔板只是在最初使用時才可能符合標(biāo)準(zhǔn)要求，使用一段時間后孔板的入口邊緣的磨損加劇，在孔板的上下游產(chǎn)生的差壓減少，使流量計算的結(jié)果比實際流量偏小，而采用流量計算機(jī)不能使用銳利度修正系數(shù)補(bǔ)償這部分氣量。(我們通過孔板綜合測量儀用電輪廓法測量孔板銳利度，發(fā)現(xiàn)孔徑小于50mm的新孔板也很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，退貨率較高)。
2 ．氣體介質(zhì)臟污問題：由于礦場分離器的設(shè)備老化，管線的銹蝕，以及天然氣中的油水及砂粒粉塵，在孔板表面沉積了大量污物，使孔板計量嚴(yán)重偏低，例如：我們請勝利油田技術(shù)檢測中心來我廠進(jìn)行現(xiàn)場流量計測試時，發(fā)現(xiàn)某一用戶的計量結(jié)果比其車載音速噴嘴檢定裝置低-3%,當(dāng)清洗孔板后，計量誤差降至-1%左右,這部分氣量損失是無法用公式補(bǔ)償?shù)摹?br> 3．管道粗糙的問題：在計量標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定節(jié)流裝置的前后直管段必需是光管，但現(xiàn)場施工時往往采用的是無縫鋼管代替了光管，一開始就達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求，使用一段時間后，管線磨損加劇，特別在管道含硫，二氧化碳等腐蝕介質(zhì)時，管道粗糙度更加偏離，以Φ273×6孔板孔徑為180 mm為例，其γ0如下表：
新無縫管 螺旋焊接管 輕微銹蝕管 銹蝕鋼管 結(jié)皮鋼管
1.0000 1.0004 1.0029 1.0066 1.0127
從上表看出，計量管粗糙與否對計量結(jié)果影響是相當(dāng)大的，而這部分量差在流量計算機(jī)中也是不能得到補(bǔ)償?shù)摹?br> 4．節(jié)流裝置取壓孔問題：我們在計量不斷求精的過程中，發(fā)現(xiàn)目前的孔板計量中有一個影響因素被大家忽略：在一次計量內(nèi)部糾紛的處理過程中，我們詳細(xì)檢查了該單位的節(jié)流裝置，發(fā)現(xiàn)孔板厚度比一般的孔板要厚得多，接近標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大值，孔板閥的前后取壓孔位置也不符合標(biāo)準(zhǔn)，從而造成取壓信號不標(biāo)準(zhǔn)。說明了取壓孔的位置前后不標(biāo)準(zhǔn)也是影響計量結(jié)果的因素之一。
5．計量管彎頭問題：計量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最短直管段長度，在現(xiàn)場實際中一般很難滿足，特別是由于輸氣工藝的原因，在計量裝置的上游，往往有多個彎頭，氣流在計量前不能充分發(fā)展，造成計量嚴(yán)重偏低，而這部分的氣量仍是無法補(bǔ)償?shù)摹?br>除以上五點外，平衡閥內(nèi)漏，導(dǎo)壓管漏氣，油水在孔板前或后沉積，β比過大或過小，脈動流等等都可能造成計量不準(zhǔn)確，這些問題自動計量不能予以很好的、定量的解決。
四、解決問題的辦法
1．嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行計量
從上面我們的分析不難看出，我們不能簡單地把雙波紋管差壓計進(jìn)行自動計量改造就以為實現(xiàn)準(zhǔn)確計量了，而是必須對原有的計量裝置進(jìn)行剖析，查找有沒有使計量偏低或偏高的原因，從硬件上把問題解決，例如加強(qiáng)油水分離，氣流脈動的處理，對氣質(zhì)較臟的場合在計量之前加裝過濾器，加裝整流器等，不然將會給供方造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。
2．采用實流檢定、系數(shù)交接
目前國家正在制定《天然氣計量系統(tǒng)技術(shù)要求》國家標(biāo)準(zhǔn)，這個標(biāo)準(zhǔn)實施后，將對天然氣計量產(chǎn)生很大的影響，對于以上問題解決的根本辦法就是實流檢定或校準(zhǔn)，將計量裝置和自動計量系統(tǒng)整體與天然氣標(biāo)準(zhǔn)裝置(如音速噴嘴、氣渦輪等)串聯(lián)，進(jìn)行不同流量點測試，檢定結(jié)果得出流量計系數(shù)．
日常計量交接就可以在實際流量計量結(jié)果上乘以流量計系數(shù)Fm 得到準(zhǔn)確的計量結(jié)果，從而能使天然氣計量準(zhǔn)確度大幅度提高。
3．統(tǒng)一制定天然氣流量計算軟件包
目前天然氣流量計算方法很多，開發(fā)軟件的單位也很多，標(biāo)準(zhǔn)不一，公式不一，修正系數(shù)取值也不統(tǒng)一，造成計量軟件的認(rèn)可困難，急需要國家或行業(yè)在制定標(biāo)準(zhǔn)的同時開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的計算程序和軟件包，便于具體的各個用戶的軟件測試和比對。
五、結(jié)束語
天然氣自動計量是目前天然氣計量的優(yōu)選方式，但我們不能不正視孔板計量這種傳統(tǒng)計量方式給我們帶來很多不利因素，盡快實施“計量系數(shù)交接法”，使我們的計量水平更上一個新臺階。
一、自動計量基本原理及組成
目前，我國天然氣計量執(zhí)行SY/T6143-1996《天然氣流量的標(biāo)準(zhǔn)孔板計量方法》，過去，天然氣計量廣泛采用標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置配雙波紋差壓計模式。其測量過程是由節(jié)流裝置產(chǎn)生與流量相對應(yīng)的差壓信號，通過導(dǎo)壓管將孔板上下兩側(cè)的靜壓和差壓信號分別傳送到雙波紋管差壓計的高低壓室，由兩只表筆在開方卡片上繪制兩條靜、差壓曲線。，用徑向方根求積儀求取平均后，通過計算公式，手工計算天然氣流量，這種計算方法不但計量誤差大，人為因素多，而且故障頻繁，管理難度大，
隨著計量測試技術(shù)的迅猛發(fā)展，計算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，天然氣自動計量成為了可能，采用差壓、壓力變送器代替了雙波紋管差壓計，熱電阻溫度變送器代替了玻璃棒溫度計，在線色譜儀代替了取樣分析，用計算機(jī)代替了手工計算流量，從而從整體上實現(xiàn)了天然氣流量計量的全過程自動計量。
二、 自動計量在配氣站的應(yīng)用
自動計量在配氣站的應(yīng)用有三種模式：單片機(jī)簡單系統(tǒng)、工控機(jī)自編軟件系統(tǒng)、流量計算機(jī)系統(tǒng)，這也是我們過去所經(jīng)歷的三次變革：八十年代初，我們采用了單片機(jī)計量系統(tǒng)，由于系統(tǒng)穩(wěn)定性差、多種修正系數(shù)采用定值而帶來的計量誤差太大，該系統(tǒng)沒能真正投入使用。隨后，我們改為采用了工控機(jī)自編軟件系統(tǒng)，采用 1151變送器和熱電阻溫度變送器，采用C語言編制數(shù)據(jù)采集和流量計算程序，但由于自編軟件的認(rèn)可問題遇到很多困難，該系統(tǒng)也未在交接計量上使用。
通過多次試驗和對比，我們采用了以下比較成熟的流量計算系統(tǒng)，其主要部件如下：
1、三合一變送器
采用美國ROSEMOUNT公司生產(chǎn)的三合一式多變量智能變送器，它將壓阻式絕壓傳感器和電容式差壓傳感器和四線制RTD溫度模塊合為一體，傳感器的電子電路將過程變量直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，可在傳感器內(nèi)進(jìn)行修正和補(bǔ)償。此變送器的設(shè)計精度是0.075級，可同時采集靜壓、差壓和溫度三個參數(shù)，并支持 HART協(xié)議，可隨時對其進(jìn)行校驗或校準(zhǔn)，并可根據(jù)需要對量程進(jìn)行調(diào)節(jié)。
2、流量計算機(jī)
目前，國外有不少專用于天然氣流量計算的集成設(shè)備，它們的構(gòu)成大至相同，都是通過采集的壓力、差壓和溫度和密度計算出瞬時流量和累計流量，只是存在功能的多少和強(qiáng)弱之分。柳屯配氣站采用的是美國 FISHER-ROSEMOUNT公司ROC407 FLOBOSS產(chǎn)品，它是由采集、處理、存儲、通訊四個模塊組成。①采集模塊：接收數(shù)字信號，可在1秒鐘中內(nèi)采集四組計量點傳來的壓力、差壓、溫度信號，當(dāng)連接數(shù)少于四組時，采集時間更短。②處理模塊：由CPU處理器將采集到的數(shù)據(jù)根據(jù)內(nèi)置的天然氣流量算法和密度算法，計算出各組計量點的瞬時流量和累計流量。③存儲模塊：由一塊RAM和一塊ROM組成，其中ROM是只讀存儲器，存儲有國際通用的天然氣流量計算方法(AGA 3號報告)和天然氣壓縮因子計算方法(AGA 8號報告)；RAM是隨機(jī)存儲器，由外接電源或自帶鈕扣電池供電，存儲各組計量點的瞬時壓力、差壓、溫度、流量及累計流量和天然氣組分、密度。④通訊模塊：提供RS232和RS485通訊接口各一組，可與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。
3、在線色譜儀
天然氣密度是計量參數(shù)中很重要的一個，密度如果相差1%，天然氣流量將相差0.5%。為了準(zhǔn)確計量，我們在柳屯配氣站安裝了美國千得樂公司2920型BTU在線色譜儀。該儀器露天安裝，不需要分析小屋，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，通過切換閥可周期性對六路天然氣樣進(jìn)行分析測試，使用氦氣作為載氣，運行成本低，特別適用于小型配氣站自動計量的需要。
4、上位機(jī)軟件及信號傳輸
上位機(jī)使用IPC 610 工控機(jī)，顯示器使用PHILIPS 20"彩色顯示器，組態(tài)軟件使用intuch 7.0，軟件系統(tǒng)．該系統(tǒng)自1996年月在中原油田柳屯配氣站建成投產(chǎn)以來，經(jīng)過多次現(xiàn)場調(diào)試和整改，目前運行正常，能較好地滿足油田天然氣計量管理需要。其特點是：
⑴、自動計量系統(tǒng)自接引進(jìn)了國外的流量計算機(jī)，避免了人工編制開發(fā)軟件程序，用戶信任度好；
?、?、在集配氣站系統(tǒng)中運行可靠，故障率低，使現(xiàn)場值班人員的操作、維護(hù)以及資料錄取工作大量的減少；
?、?、微機(jī)畫面實時監(jiān)測、報警，可及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中遇到的工藝、計量等故障現(xiàn)象，縮短了調(diào)配氣量和處理事故的時間，提高了現(xiàn)場的管理能力；
?、?、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能使上級管理部門能隨時掌握了解生產(chǎn)動態(tài)，及時調(diào)節(jié)氣量，提高系統(tǒng)工作效率。
三、自動計量存在的問題
天然氣自動計量只是二次儀表的自動計量，并沒有解決節(jié)流裝置的準(zhǔn)確計量問題，在國內(nèi)天然氣的整體計量水平比國外低的情況下，采用自動計量仍需考慮以下問題：
1．孔板銳利度問題：由于國內(nèi)孔板材質(zhì)較差，孔板只是在最初使用時才可能符合標(biāo)準(zhǔn)要求，使用一段時間后孔板的入口邊緣的磨損加劇，在孔板的上下游產(chǎn)生的差壓減少，使流量計算的結(jié)果比實際流量偏小，而采用流量計算機(jī)不能使用銳利度修正系數(shù)補(bǔ)償這部分氣量。(我們通過孔板綜合測量儀用電輪廓法測量孔板銳利度，發(fā)現(xiàn)孔徑小于50mm的新孔板也很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，退貨率較高)。
2 ．氣體介質(zhì)臟污問題：由于礦場分離器的設(shè)備老化，管線的銹蝕，以及天然氣中的油水及砂粒粉塵，在孔板表面沉積了大量污物，使孔板計量嚴(yán)重偏低，例如：我們請勝利油田技術(shù)檢測中心來我廠進(jìn)行現(xiàn)場流量計測試時，發(fā)現(xiàn)某一用戶的計量結(jié)果比其車載音速噴嘴檢定裝置低-3%,當(dāng)清洗孔板后，計量誤差降至-1%左右,這部分氣量損失是無法用公式補(bǔ)償?shù)摹?br> 3．管道粗糙的問題：在計量標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定節(jié)流裝置的前后直管段必需是光管，但現(xiàn)場施工時往往采用的是無縫鋼管代替了光管，一開始就達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求，使用一段時間后，管線磨損加劇，特別在管道含硫，二氧化碳等腐蝕介質(zhì)時，管道粗糙度更加偏離，以Φ273×6孔板孔徑為180 mm為例，其γ0如下表：
新無縫管 螺旋焊接管 輕微銹蝕管 銹蝕鋼管 結(jié)皮鋼管
1.0000 1.0004 1.0029 1.0066 1.0127
從上表看出，計量管粗糙與否對計量結(jié)果影響是相當(dāng)大的，而這部分量差在流量計算機(jī)中也是不能得到補(bǔ)償?shù)摹?br> 4．節(jié)流裝置取壓孔問題：我們在計量不斷求精的過程中，發(fā)現(xiàn)目前的孔板計量中有一個影響因素被大家忽略：在一次計量內(nèi)部糾紛的處理過程中，我們詳細(xì)檢查了該單位的節(jié)流裝置，發(fā)現(xiàn)孔板厚度比一般的孔板要厚得多，接近標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大值，孔板閥的前后取壓孔位置也不符合標(biāo)準(zhǔn)，從而造成取壓信號不標(biāo)準(zhǔn)。說明了取壓孔的位置前后不標(biāo)準(zhǔn)也是影響計量結(jié)果的因素之一。
5．計量管彎頭問題：計量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最短直管段長度，在現(xiàn)場實際中一般很難滿足，特別是由于輸氣工藝的原因，在計量裝置的上游，往往有多個彎頭，氣流在計量前不能充分發(fā)展，造成計量嚴(yán)重偏低，而這部分的氣量仍是無法補(bǔ)償?shù)摹?br>除以上五點外，平衡閥內(nèi)漏，導(dǎo)壓管漏氣，油水在孔板前或后沉積，β比過大或過小，脈動流等等都可能造成計量不準(zhǔn)確，這些問題自動計量不能予以很好的、定量的解決。
四、解決問題的辦法
1．嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行計量
從上面我們的分析不難看出，我們不能簡單地把雙波紋管差壓計進(jìn)行自動計量改造就以為實現(xiàn)準(zhǔn)確計量了，而是必須對原有的計量裝置進(jìn)行剖析，查找有沒有使計量偏低或偏高的原因，從硬件上把問題解決，例如加強(qiáng)油水分離，氣流脈動的處理，對氣質(zhì)較臟的場合在計量之前加裝過濾器，加裝整流器等，不然將會給供方造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。
2．采用實流檢定、系數(shù)交接
目前國家正在制定《天然氣計量系統(tǒng)技術(shù)要求》國家標(biāo)準(zhǔn)，這個標(biāo)準(zhǔn)實施后，將對天然氣計量產(chǎn)生很大的影響，對于以上問題解決的根本辦法就是實流檢定或校準(zhǔn)，將計量裝置和自動計量系統(tǒng)整體與天然氣標(biāo)準(zhǔn)裝置(如音速噴嘴、氣渦輪等)串聯(lián)，進(jìn)行不同流量點測試，檢定結(jié)果得出流量計系數(shù)．
日常計量交接就可以在實際流量計量結(jié)果上乘以流量計系數(shù)Fm 得到準(zhǔn)確的計量結(jié)果，從而能使天然氣計量準(zhǔn)確度大幅度提高。
3．統(tǒng)一制定天然氣流量計算軟件包
目前天然氣流量計算方法很多，開發(fā)軟件的單位也很多，標(biāo)準(zhǔn)不一，公式不一，修正系數(shù)取值也不統(tǒng)一，造成計量軟件的認(rèn)可困難，急需要國家或行業(yè)在制定標(biāo)準(zhǔn)的同時開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的計算程序和軟件包，便于具體的各個用戶的軟件測試和比對。
五、結(jié)束語
天然氣自動計量是目前天然氣計量的優(yōu)選方式，但我們不能不正視孔板計量這種傳統(tǒng)計量方式給我們帶來很多不利因素，盡快實施“計量系數(shù)交接法”，使我們的計量水平更上一個新臺階。
