隨著中國(guó)天然氣使用量激增，燃?xì)夤緦?duì)于天然氣流量計(jì)的選型和使用情況越來(lái)越重視。流量計(jì)的計(jì)量管理，直接影響燃?xì)夤镜墓╀N(xiāo)差。本文將探討在不同計(jì)量場(chǎng)合下使用不同種類(lèi)與原理的流量計(jì)，并分析每種流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，也探討了高壓天然氣標(biāo)定與空氣低壓標(biāo)定對(duì)于不同流量計(jì)的精度差異，且舉實(shí)例分析。

一、天然氣計(jì)量的流量計(jì)及精度

常用天然氣計(jì)量流量計(jì)的類(lèi)型有膜式流量計(jì)、氣體腰輪（羅茨）流量計(jì)、氣體渦輪流量計(jì)和氣體超聲流量計(jì)。其中膜式和氣體腰輪流量計(jì)屬于容積式流量計(jì)，氣體渦輪流量計(jì)和氣體超聲流量計(jì)屬于速度式流量計(jì)。根據(jù)國(guó)家對(duì)能源計(jì)量的要求，膜式、氣體腰輪流量計(jì)、渦輪流量計(jì)和氣體超聲流量計(jì)的計(jì)量精度，均要求在±1.0%～±2.0%的范圍內(nèi)。

二、天然氣計(jì)量流量計(jì)的主要適用范圍

【膜式流量計(jì)】

適用范圍：

家用和餐飲用戶(hù)的計(jì)量，用氣壓力在0.5kPa-20kPa范圍內(nèi)，用氣量在：燃?xì)庠O(shè)備用氣負(fù)荷的最大流量≤40m3/h，宜優(yōu)先選用膜式燃?xì)獗怼?

技術(shù)指標(biāo)：

工作環(huán)境溫度：-10℃-40℃的場(chǎng)所；基本誤差：Qmin≤Q＜0.1Qmax 時(shí) ±3%；0.1Qmax≤Q≤Qmax 時(shí) ±1.5%。

【氣體腰輪（羅茨）流量計(jì)】（以德聞流量計(jì)為例）

氣體腰輪流量計(jì)（帶溫度壓力補(bǔ)償）的適用范圍：

一般氣體腰輪流量計(jì)的測(cè)量范圍0.8～480m3/h，但考慮到實(shí)際安裝要求，在工商用戶(hù)的燃?xì)庠O(shè)備的用氣負(fù)荷最大流量在大于25m3/h小于250m3/h的范圍時(shí)，宜優(yōu)先選用氣體腰輪流量計(jì)。量程比可達(dá)1:200，適用于中、低壓管道中氣體流量的計(jì)量，多用于小鍋爐房、商業(yè)用氣點(diǎn)或負(fù)荷變動(dòng)大的用氣計(jì)量，計(jì)量時(shí)要求帶溫、壓補(bǔ)償裝置。

安裝條件：

計(jì)量介質(zhì)氣體溫度范圍為-20～+55℃，環(huán)境溫度為-20～55℃；避免安置在露天、長(zhǎng)期陽(yáng)光直射、容易浸水或潮濕的場(chǎng)所；與同規(guī)格的膜式表相比，最小流量和工作壓力相對(duì)較高，體積較??；氣體腰輪（羅茨）流量計(jì)上游須安裝相應(yīng)規(guī)格的過(guò)濾器并定期清洗。安裝合適的過(guò)濾器，是氣體腰輪流量計(jì)減少故障和延長(zhǎng)使用壽命的有效途徑。

【氣體渦輪流量計(jì)】（以德聞流量計(jì)為例）

適用于天然氣、LNG液化天然氣和LPG液化石油氣的計(jì)量，主要用于熱負(fù)荷相對(duì)恒定的燃?xì)庠O(shè)備，多用于工業(yè)爐窯、大型鍋爐、化工用氣設(shè)備等大客戶(hù)，具有精度高、體積小、量程比適中、流量范圍大的特點(diǎn)，可用于高、中、低壓管道中氣體流量的計(jì)量。

由于氣體渦輪流量計(jì)屬于速度式流量計(jì)，對(duì)前后直管段的要求較高，故在選擇氣體渦輪流量計(jì)，應(yīng)根據(jù)所選用流量計(jì)樣本的技術(shù)要求，確定流量計(jì)前后直管段的長(zhǎng)度，通常為前5D后3D。

與同規(guī)格的膜式表、氣體腰輪流量計(jì)比較，具有最小流量較大、工作壓力范圍寬，由于量程比不太大（一般常壓下1:20），不適合用于用氣量波動(dòng)幅度變化很大的餐飲用戶(hù)，適用于用氣量較為穩(wěn)定的工業(yè)和商業(yè)用戶(hù)。

【高壓的氣體超聲流量計(jì)】

高壓的氣體超聲流量計(jì)，適用于天然氣的長(zhǎng)輸管線(xiàn)以及城市門(mén)站的貿(mào)易交接與計(jì)量比對(duì)，此類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)合，壓力特別高，流量特別大。

與其他流量計(jì)相比，高壓氣體超聲流量計(jì)具有高量程比，可達(dá)1:100，適合于高壓天然氣的計(jì)量，由于其探頭原理的原因，超聲波探頭在高壓下工作更加穩(wěn)定與可靠，并且計(jì)量精度高，可達(dá)0.5級(jí)表精度，特別適合大流量計(jì)量場(chǎng)合。

但此類(lèi)流量計(jì)，由于技術(shù)門(mén)檻高，目前主流的品牌都為國(guó)外進(jìn)口，故價(jià)格非常昂貴，并不適用于普通的城市燃?xì)獾挠?jì)量用戶(hù)。另外，由于高壓氣體超聲流量計(jì)的設(shè)計(jì)原理，必須安裝很長(zhǎng)的前后直管段的要求（通常建議安裝前20D后10的），并需要安裝特殊的整流盤(pán)，用于氣體流態(tài)整流，必要時(shí)，還需要安裝π型降噪器，防止現(xiàn)場(chǎng)調(diào)壓器的噪音干擾超聲探頭的信號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)的安裝要求極高。

【中低壓的氣體超聲流量計(jì)】（以德聞的氣體超聲流量計(jì)為例）

此類(lèi)產(chǎn)品，有別于高壓氣體超聲流量計(jì)。雖然在工作原理上與高壓超聲流量計(jì)相似，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、探頭種類(lèi)、整流方式上，有本質(zhì)上的區(qū)別。不同廠(chǎng)家的中低壓超聲流量計(jì)，設(shè)計(jì)了不同的整流方式，有些使用外置式的整流器，有些使用內(nèi)置式整流器。高壓超聲流量計(jì)，由于需要在高壓下使用，探頭都為特殊合金，而中低壓的氣體超聲流量計(jì)，使用陶瓷表面的探頭，工作壓力在1.0MPa以下，適用于城市燃?xì)獾墓ど虡I(yè)用戶(hù)。

中低壓的氣體超聲流量計(jì)，精度為1級(jí)，符合國(guó)家對(duì)于天然氣計(jì)量的精度要求，量程比可達(dá)1:80，遠(yuǎn)高于普遍使用的氣體渦輪流量計(jì)，與氣體腰輪流量計(jì)的量程比類(lèi)似。

傳統(tǒng)的機(jī)械流量計(jì)，如氣體渦輪流量計(jì)和氣體腰輪流量計(jì)。由于在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，有機(jī)械部件持續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)，需要對(duì)軸承進(jìn)行定期的加油潤(rùn)滑，否則機(jī)械部件會(huì)有一定磨損而導(dǎo)致流量計(jì)計(jì)量偏慢，使燃?xì)夤緯?huì)造成計(jì)量損失。而應(yīng)用于中低壓的氣體超聲流量計(jì)，沒(méi)有移動(dòng)部件，不需要對(duì)其定期加油潤(rùn)滑。

氣體超聲流量計(jì)，使用超聲探頭聲波原理，可進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷流量計(jì)的工作狀態(tài)。根據(jù)AGA10美國(guó)氣體協(xié)會(huì)報(bào)告[1]，可通過(guò)輸入天然氣的組分、溫度和壓力的參數(shù)，計(jì)算出理論聲道，與流量計(jì)計(jì)算的聲速做比對(duì)，來(lái)遠(yuǎn)程診斷流量計(jì)的計(jì)量精度。氣體超聲流量計(jì)與傳統(tǒng)機(jī)械流量計(jì)比對(duì)總結(jié)表1如下：

表1 氣體超聲流量計(jì)與機(jī)械式流量計(jì)比

三、主流天然氣計(jì)量的流量計(jì)在高壓下計(jì)量精度影響

天然氣是一種潔凈的能源和化工原料，在世界能源結(jié)構(gòu)中的比例不斷上升。世界各國(guó)利用天然氣的數(shù)量也在不斷增加。以中國(guó)為例， 2018年天然氣表觀(guān)消費(fèi)量2803億立方米[2]，如若天然氣計(jì)量的誤差為1%，則每年由計(jì)量誤差損失28.03億立方米，經(jīng)濟(jì)損失巨大。

在天然氣計(jì)量行業(yè)中，由于需要長(zhǎng)距離的傳輸，天然氣的壓力需要增加到很高的壓力值（例如10MPa），到終端燃?xì)庥脩?hù)點(diǎn)（2KPa），進(jìn)行逐級(jí)降壓。不同流量計(jì)，由于不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，流體雷諾數(shù)的差異，在不同壓力及不同介質(zhì)下，同一臺(tái)流量計(jì)會(huì)有不同的精度曲線(xiàn)。對(duì)于國(guó)內(nèi)的流量計(jì)生產(chǎn)廠(chǎng)家，在出廠(chǎng)檢定時(shí)，都使用空氣低壓標(biāo)定，來(lái)確定流量計(jì)的計(jì)量精度。而在國(guó)外，雖然大部分流量計(jì)廠(chǎng)家（例如氣體渦輪流量計(jì)）有高壓空氣環(huán)道標(biāo)定裝置，但運(yùn)行費(fèi)用高昂，只在特殊要求下，才進(jìn)行高壓出廠(chǎng)標(biāo)定。

在國(guó)內(nèi)，高壓氣體超聲流量計(jì)在使用前，需送國(guó)家第三方實(shí)流檢定站（如中石油的四川華陽(yáng)檢定站、中石油大慶檢定站、中石油南京高壓檢定站等）進(jìn)行高壓天然氣標(biāo)定，再安裝使用。

而對(duì)于其他種類(lèi)的流量計(jì)，特別是城市燃?xì)夤荆贾皇且罁?jù)廠(chǎng)家的低壓空氣出廠(chǎng)檢定，以及送第三方低壓空氣檢定后（國(guó)內(nèi)第三方空氣標(biāo)定，普遍使用音速?lài)娮熵?fù)壓法），隨即安裝到現(xiàn)場(chǎng)使用。但實(shí)際使用的天然氣計(jì)量點(diǎn)，都有不同的壓力，而且氣質(zhì)為天然氣，與空氣低壓標(biāo)定的數(shù)據(jù)，是否有差異，這是本文后續(xù)探討的主要問(wèn)題。

由于燃?xì)馄つけ硎褂糜跇O低的壓力，氣體腰輪流量計(jì)也一般在較低壓力下，而高壓的氣體超聲流量計(jì)，在使用前，送實(shí)流第三方檢定時(shí)，會(huì)根據(jù)實(shí)流數(shù)據(jù)調(diào)整高壓氣體超聲流量計(jì)的內(nèi)部誤差曲線(xiàn)。所以本文主要探討氣體渦輪流量計(jì)和中低壓的氣體超聲流量計(jì)在不同壓力的計(jì)量誤差的變化。這兩類(lèi)產(chǎn)品，更多的用于有一定壓力下的工商業(yè)用戶(hù)，是燃?xì)夤镜闹攸c(diǎn)客戶(hù)群，對(duì)于燃?xì)夤镜墓╀N(xiāo)差有直接的關(guān)聯(lián)。

【氣體渦輪流量計(jì)在高壓下的計(jì)量誤差變化】

氣體渦輪流量計(jì)是工商業(yè)用戶(hù)中使用最普遍的一種流量計(jì)。舉例分析幾臺(tái)渦輪流量計(jì)，在德國(guó)PTB以及荷蘭NMI高壓天然氣標(biāo)定中心的數(shù)據(jù)，與流量計(jì)工廠(chǎng)低壓空氣標(biāo)定的數(shù)據(jù)對(duì)比。

圖1：德國(guó)PTB實(shí)驗(yàn)室

圖2：荷蘭NMI實(shí)驗(yàn)室

圖3是一臺(tái)進(jìn)口某品牌氣體渦輪流量計(jì)DN300 G4000 ANSI150在荷蘭NMI高壓標(biāo)定，標(biāo)定壓力為2.0MPa，紅色為高壓標(biāo)定誤差曲線(xiàn)，綠色為工廠(chǎng)低壓標(biāo)定。

圖3：誤差曲線(xiàn)

圖4是一臺(tái)德國(guó)德聞的氣體渦輪流量計(jì)DN100 G250 SN143706 ANSI150在德國(guó)PTB高壓標(biāo)定，標(biāo)定壓力為2.1MPa，紅色為高壓標(biāo)定誤差曲線(xiàn)，綠色為工廠(chǎng)低壓標(biāo)定。

圖4：誤差曲線(xiàn)

圖5是一臺(tái)德聞的氣體渦輪流量計(jì)DN150 G1000 SN097571 ANSI300在德國(guó)PTB高壓標(biāo)定，標(biāo)定壓力為2.1MPa，紅色為高壓標(biāo)定誤差曲線(xiàn)，綠色為工廠(chǎng)低壓標(biāo)定。

圖5：誤差曲線(xiàn)

圖6是一臺(tái)德聞的氣體渦輪流量計(jì)DN250 G1600 SN100405 ANSI600在德國(guó)PTB高壓標(biāo)定，標(biāo)定壓力為5.06MPa，紅色為高壓標(biāo)定誤差曲線(xiàn)，綠色為工廠(chǎng)低壓標(biāo)定。

圖6：誤差曲線(xiàn)

對(duì)于氣體渦輪流量計(jì)，在高壓下的計(jì)量精度影響，總結(jié)來(lái)說(shuō)有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

• 根據(jù)渦輪流量計(jì)不同尺寸及G值（流量范圍），有些高壓曲線(xiàn)高于低壓標(biāo)定曲線(xiàn)，而有些卻低于低壓標(biāo)定曲線(xiàn)；
• 總體上，隨著標(biāo)定的壓力升高，標(biāo)定誤差的曲線(xiàn)變化趨大。相應(yīng)的，如果標(biāo)定壓力小，標(biāo)定出來(lái)的誤差曲線(xiàn)越接近負(fù)壓標(biāo)定曲線(xiàn)；
• 標(biāo)定壓力對(duì)于誤差的變化，單個(gè)流量計(jì)隨機(jī)性較大。主要原因是在高壓下，對(duì)于單個(gè)流量計(jì)機(jī)械加工的差異性，會(huì)導(dǎo)致流體狀態(tài)對(duì)于精度影響被放大。

【中低壓的氣體超聲流量計(jì)在中壓下的誤差變化】

國(guó)內(nèi)的天然氣實(shí)流檢定站有很多個(gè)，但大部分都是高壓檢定，最低運(yùn)行壓力在1.0MPa，甚至4.0MPa以上，并不適合標(biāo)定中低壓的氣體超聲流量計(jì)。而在中石油實(shí)流標(biāo)定重慶站，標(biāo)定壓力為0.3～0.7MPa，可標(biāo)定中低壓的氣體超聲流量計(jì)。

圖7：RS系列

圖8：TS系列

圖9是一臺(tái)德聞的氣體超聲流量計(jì)RS DN50 SN18520014 PN16在重慶高壓實(shí)流標(biāo)定，標(biāo)定壓力為0.4MPa，藍(lán)色為高壓標(biāo)定誤差曲線(xiàn)，紅色為工廠(chǎng)低壓標(biāo)定。

圖9：誤差曲線(xiàn)

圖10是一臺(tái)德聞的氣體超聲流量計(jì)TS DN50 SN18500013 PN16在重慶高壓實(shí)流標(biāo)定，標(biāo)定壓力為0.5～0.7MPa，藍(lán)色為高壓標(biāo)定誤差曲線(xiàn)，紫色為工廠(chǎng)低壓標(biāo)定。

圖10：誤差曲線(xiàn)

總結(jié)來(lái)說(shuō)，中低壓的超聲流量計(jì)，在中壓實(shí)流標(biāo)定時(shí)，流量計(jì)的誤差曲線(xiàn)與空氣低壓標(biāo)定的誤差曲線(xiàn)，略有變化。但變化的范圍還在1級(jí)流量計(jì)的精度范圍之內(nèi)。對(duì)于燃?xì)夤緛?lái)說(shuō)，現(xiàn)場(chǎng)使用的計(jì)量結(jié)果是完全可以接受的。

四、國(guó)外和國(guó)內(nèi)的權(quán)威技術(shù)機(jī)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于流量計(jì)高壓檢定的要求

【國(guó)外機(jī)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定】

2004年歐洲發(fā)布法律，于2016年10月29日廢除舊法規(guī)，執(zhí)行新MID 標(biāo)準(zhǔn)[3]。其中新規(guī)規(guī)定，如果渦輪流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)使用壓力在0.4MPa以上，強(qiáng)制出廠(chǎng)高壓標(biāo)定 。

歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN12261[4]，附錄E2.1中寫(xiě)明，如果流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)工作壓力在0～0.4MPa，可以使用大氣壓（低壓）進(jìn)行標(biāo)定。如果流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)工作壓力在0.4MPa或以上，需要高壓標(biāo)定，標(biāo)定的壓力Ptest，實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的使用壓力范圍在0.5Ptest～2Ptest之間。

【國(guó)內(nèi)機(jī)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定】

目前，中國(guó)計(jì)量法[5]要求，用于貿(mào)易結(jié)算的流量計(jì)，必須通過(guò)第三方機(jī)構(gòu)標(biāo)定合格，才能安裝到現(xiàn)場(chǎng)使用，但未對(duì)流量計(jì)第三方標(biāo)定規(guī)定按照低壓還是高壓標(biāo)定規(guī)定，由于第三方高壓實(shí)流檢定費(fèi)用昂貴，國(guó)內(nèi)普遍的做法只對(duì)高壓超聲流量計(jì)，在安裝現(xiàn)場(chǎng)前，送第三方實(shí)流高壓檢定。

在JJG1030-2007《超聲流量計(jì)檢定規(guī)程》[6]中，第7章描述，針對(duì)檢定用氣體，對(duì)工作壓力在0.4MPa及以上的流量計(jì),管道內(nèi)氣體的壓力不低于0.1MPa并盡量使其與實(shí)際使用條件相一致。對(duì)工作壓力在0.4MPa以下的流量計(jì),管道內(nèi)氣體的壓力不得高于0.4MPa,可在常壓下進(jìn)行檢定。

五、不同種類(lèi)的天然氣計(jì)量流量計(jì)的技術(shù)性能及高低壓第三方檢定建議

對(duì)于長(zhǎng)輸管線(xiàn)的計(jì)量，使用高壓氣體超聲流量計(jì)，很好利用了此類(lèi)流量計(jì)適合大流量、高壓力、精度高等特點(diǎn)，雖然設(shè)備較為昂貴，但對(duì)于長(zhǎng)輸管線(xiàn)建設(shè)，還是可以承擔(dān)的。對(duì)于第三方標(biāo)定，需送實(shí)流高壓檢定，實(shí)流標(biāo)定壓力盡量靠近現(xiàn)場(chǎng)使用壓力，修正流量計(jì)的誤差曲線(xiàn)，以保證準(zhǔn)確的計(jì)量精度。

對(duì)于城市燃?xì)獾馁Q(mào)易交接門(mén)站或比對(duì)計(jì)量門(mén)站，如用氣量特別大，也可使用高壓氣體超聲流量計(jì)。如果門(mén)站氣量屬于中等，可使用高壓力等級(jí)的氣體渦輪流量計(jì)，建設(shè)成本會(huì)有一定的節(jié)省，進(jìn)口的氣體渦輪流量計(jì)，也可保證高精度穩(wěn)定計(jì)量。同樣，建議使用前送第三方高壓實(shí)流檢定。

城市燃?xì)獾墓ど虡I(yè)用戶(hù)，可選用氣體渦輪流量計(jì)和中低壓超聲流量計(jì)，氣體渦輪流量計(jì)是一種歷史悠久，且適合天然氣計(jì)量的流量計(jì)，量程比適中，價(jià)格合適，穩(wěn)定可靠。對(duì)于流量偏小且用氣量波動(dòng)較大、壓力很小的商業(yè)用戶(hù)，可考慮選擇氣體腰輪流量計(jì)。而中低壓超聲流量計(jì)，集合了氣體渦輪流量計(jì)和氣體腰輪流量計(jì)的良好性能基礎(chǔ)上，增加了如不卡表、無(wú)需定期加油潤(rùn)滑、遠(yuǎn)程診斷精度等諸多優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)城市燃?xì)庥?jì)量使用流量計(jì)的方向。在工作壓力小于0.4MPa,計(jì)量性能與空氣低壓檢定的結(jié)果變化很??；而工作壓力大于0.4MPa的現(xiàn)場(chǎng)，條件允許，可考慮將流量計(jì)送實(shí)流檢定，修正流量計(jì)在高壓下的誤差曲線(xiàn)，以保證更準(zhǔn)確的計(jì)量精度。

參考文獻(xiàn)

[1] 中國(guó)天然氣發(fā)展報(bào)告（2019）

[2]AGA Report No. 10：2002 Speed of Sound in Natural Gas and Other Related Hydrocarbon Gases美國(guó)氣體協(xié)會(huì)第10號(hào)報(bào)告天然氣及其他烷類(lèi)聲速計(jì)算

[3]MID 2004/22/EC Measuring instruments歐盟計(jì)量器具指令

[4]EN12261:2002氣體流量計(jì)-渦輪流量計(jì)

[5]中華人民共和國(guó)計(jì)量法實(shí)施細(xì)則2018修正版

[6]JJG1030-2007《超聲流量計(jì)檢定規(guī)程》