與石油共存的天然氣主要是甲烷和乙烷組成的混合物，是一種優(yōu)質(zhì)能源和化工原料。在發(fā)電、民用、化工、食品加工等行業(yè)有著廣闊的前景。據(jù)《2001年中國(guó)能源發(fā)展報(bào)告》報(bào)道：世界能源專家普遍認(rèn)為，天然氣資源比石油資源更為豐富，21世紀(jì)將是天然氣的世紀(jì)，并預(yù)計(jì)中國(guó)天然氣工業(yè)將進(jìn)人黃金發(fā)展期。根據(jù)第二次油氣資源評(píng)價(jià)：我國(guó)僅油型天然氣儲(chǔ)量就達(dá)38萬(wàn)億m³，2000年產(chǎn)量?jī)H為262億m³ ，在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中僅占2.2%，遠(yuǎn)低于世界平均水平24%，亞洲平均水平8.8%。為了適應(yīng)我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的需要，加速開(kāi)發(fā)和利用天然氣的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。因此對(duì)天然氣計(jì)量工作的研究。應(yīng)用和發(fā)展就顯得更為重要和迫切。

      1 天然氣流量計(jì)量現(xiàn)狀

      國(guó)內(nèi)外天然氣的計(jì)量，在流量計(jì)的使用上主要有以下幾類：孔板流量計(jì)、渦輪和腰輪流量計(jì)、渦街和旋進(jìn)旋渦流量計(jì)、超聲波流量計(jì)，在用量上以前兩種為主。

      孔板流量計(jì)具有標(biāo)準(zhǔn)化程度高、使用簡(jiǎn)單可靠的優(yōu)點(diǎn)，但存在著壓損大，量程比小，安裝要求嚴(yán)格，不耐腐蝕，不可以測(cè)雙向流、脈動(dòng)流等缺點(diǎn)。渦輪和腰輪流量計(jì)對(duì)氣質(zhì)要求較高，遇氣質(zhì)雜質(zhì)受卡而無(wú)法計(jì)量。渦街和旋進(jìn)旋渦流量計(jì)量程寬、無(wú)叫動(dòng)部件，但其對(duì)管網(wǎng)抗于擾能力要求較高，另外旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的壓損特別大。超聲波流量計(jì)具有量程比大。雙向測(cè)量、無(wú)壓損、無(wú)可動(dòng)部件和高精度等優(yōu)點(diǎn)，但其標(biāo)準(zhǔn)不完善，干校后仍需實(shí)流檢定，探頭電氣特性的穩(wěn)定性及探頭的互換性有待于驗(yàn)證，必須同期送檢（國(guó)家原油大流量計(jì)量站成都天然氣分站可以標(biāo)定3.8MPa以下的超聲波流量計(jì)〕，從費(fèi)用和工作量上看，對(duì)用戶是個(gè)極大的負(fù)擔(dān)。因此人們期待新型流量計(jì)的出現(xiàn)，以更好地滿足天然氣汁量的需要。

      2 天然氣彎管流量計(jì)

      以李志教授為學(xué)術(shù)帶頭人的河北理工學(xué)院課題組對(duì)彎管流量計(jì)的研究工作已有十幾年的歷史，2000年在總結(jié)過(guò)去十幾年應(yīng)用成果的基礎(chǔ)上，開(kāi)始天然氣彎管流量計(jì)的應(yīng)用研制工作。2001年順利通過(guò)了與現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)口超聲波流量計(jì)的比對(duì)，證明它完全可與昂貴的進(jìn)口超聲波流量計(jì)媲美。2002年9月通過(guò)了國(guó)家原油大流量計(jì)量站成都天然氣流量分站的實(shí)流檢定工作。2003年初獲得天然氣彎管流量計(jì)計(jì)量器具生產(chǎn)許可證（CMC，準(zhǔn)確度1.0級(jí)）。截止到2003年9月份，天然氣彎管流量計(jì)在大慶采油六廠的用量已近20臺(tái)套；一年多的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用再次驗(yàn)證了它具有高精度、大量程比、雙向測(cè)量、無(wú)壓損、無(wú)可動(dòng)部件、耐磨損、耐腐蝕、一次元件長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)良性能，得到了用戶的高度評(píng)價(jià)。

      3 天然氣彎管流量計(jì)工作原理及基本參數(shù)

      3.1 工作原理

      流體流經(jīng)彎管時(shí)，由于彎曲管壁的導(dǎo)流作用，其內(nèi)側(cè)流速會(huì)逐漸增大，外側(cè)流速會(huì)逐漸減小。形成了各個(gè)過(guò)流斷面的梯形速度分布規(guī)律，且在彎管45°截面處達(dá)到最大。在流出彎管側(cè)流動(dòng)過(guò)程相反。

      根據(jù)質(zhì)量守恒定律、能量守恒定津和動(dòng)量矩守恒定律，由于各質(zhì)點(diǎn)流速的變化，就形成了彎管的內(nèi)外側(cè)壓差△p。這個(gè)壓力差在45°截面時(shí)達(dá)到最大，最穩(wěn)定。流體平均速度v與壓差△P符合平方比例關(guān)系，流量愈大，差壓愈大。

     當(dāng)彎管傳感器的幾何結(jié)構(gòu)尺寸確定之后，只要測(cè)取彎管45°面的內(nèi)、外側(cè)壓差△p和流體的密度ρ就可以確定流體的平均流速v。然后計(jì)算工況流量和標(biāo)況流量。

      數(shù)學(xué)表達(dá)式：

      式中：

      3.2 基本參數(shù)

      管徑范圍：Ф10～Ф2000mm；量程比：10:1（100:1）；直管段要求：前5D后2D；準(zhǔn)確度等級(jí)：0.5～1.0級(jí)；重復(fù)性：0.1%；流速范圍（氣體）：5～160m/s；溫度：≤600℃；壓力：≤32MPa；沒(méi)有附加能量損失。

      4 天然氣彎管流量計(jì)的系統(tǒng)組成及說(shuō)明

      4.1 系統(tǒng)組成

      天然氣彎管流量計(jì)由12個(gè)部分組成，如圖2所示。傳感器由數(shù)控機(jī)床精密加工而成，是核心部件；二次儀表精度高，具有組分輸入和壓縮因子計(jì)算功能；隔離器起到防堵的作用；隔離柵起到安全防爆的作用。

      4.2 系統(tǒng)說(shuō)明

     （1）彎管傳感器：是機(jī)加工而成幾何精度很高的90°彎頭。它是彎管流量計(jì)的核心部件。彎管傳感器的內(nèi)徑D、曲率半徑R、弧長(zhǎng)L決定了彎管傳感器的幾何結(jié)構(gòu)尺寸。而采用數(shù)控機(jī)床加工的彎管傳感器，均可保證各項(xiàng)幾何結(jié)構(gòu)尺寸的高精度、流量計(jì)的準(zhǔn)確度等級(jí)也提高到1.0級(jí)，這為彎管流量汁的批量投產(chǎn)、幾何檢定（干校）提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

      彎管傳感器對(duì)微量的磨損和結(jié)垢不敏感，無(wú)需周期檢定。因?yàn)槲⒘康哪p對(duì)彎管傳感器而言，使得內(nèi)徑D變大，同時(shí)彎徑比R/D變小、根據(jù)原理中的公式，彎管流量計(jì)實(shí)現(xiàn)了自補(bǔ)償，基本不影響測(cè)量精度；微量的結(jié)垢道理是一樣的，因此彎管流量計(jì)對(duì)微量的磨損和結(jié)垢不敏感；對(duì)于特別臟得的介質(zhì)，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行造成D變小，只要定期清洗即可（可采用蒸汽吹掃方式）。

      根據(jù)彎管流量計(jì)原理及大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，彎管傳感器的量程范圍非常寬，但受到差壓變送器量程和精度的影響，一般確定其量程比為10:1；如果采用雙差壓技術(shù)，量程比可擴(kuò)充至100:1。

      彎管傳感器沒(méi)有附加壓力損失．是節(jié)能型的流量計(jì)。在高壓天然氣的計(jì)量中不會(huì)引起氣體的節(jié)流降壓，也不會(huì)造成工藝系統(tǒng)的憋壓，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)對(duì)于低壓天然氣應(yīng)用場(chǎng)合是非?？少F的。

      （2）隔離器：在油井采氣和注氣過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)天然氣中有較多的油性物質(zhì)，易造成導(dǎo)壓系統(tǒng)的根部閥堵塞，系統(tǒng)無(wú)法正常工作。為了解決這一問(wèn)題，在彎管傳感器取壓部位加裝隔離器，油性物質(zhì)經(jīng)過(guò)取壓口進(jìn)入隔離器沉積，不會(huì)影響系統(tǒng)取壓，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后只需打開(kāi)隔離器底部的排污閥，沉積物排除即可，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行證明該方法方便可靠。

      （3）二次儀表：流量計(jì)必須具備完善的溫度和壓力的測(cè)量和補(bǔ)償功能，才能滿足天然氣高準(zhǔn)確度的計(jì)量需求，所以二次儀表的性能顯得尤為重要；二次儀表的補(bǔ)償運(yùn)算中關(guān)鍵是天然氣密度的計(jì)算，而天然氣密度是由其組份和狀態(tài)參數(shù)（溫度、壓力）確定的。天然氣具有組份的多樣性（受時(shí)間、地域、地層深度不同的影響）和不遵循理想氣體狀態(tài)方程的特點(diǎn)，在天然氣密度的計(jì)算公式中壓縮因子是溫度和壓力的函數(shù)，相比較其計(jì)算量最大、最復(fù)雜，因此計(jì)算天然氣密度的問(wèn)題實(shí)質(zhì)上就轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算壓縮因子的問(wèn)題。彎管流量計(jì)二次儀表采用GB/T17747－1999（等效ISO12213：1997）的配套算法即AGA8－92DC算法計(jì)算壓縮因子，此算法迭代程序復(fù)雜、耗時(shí)多。例如C語(yǔ)言程序在24MHz的MCS－51單片機(jī)中計(jì)算一個(gè)壓縮因子數(shù)值約需8min。經(jīng)過(guò)一系列優(yōu)化后計(jì)算一個(gè)壓縮因子也需要70s。因此彎管流量計(jì)為天然氣計(jì)量配備了功能強(qiáng)大的二次儀表。當(dāng)然，對(duì)于同一氣源，組分相對(duì)穩(wěn)定．壓縮因子不需要經(jīng)常計(jì)算。

      彎管流量計(jì)在大慶建立了14臺(tái)彎管流量計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括高性能的計(jì)算機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)二次儀表、壓縮因子的計(jì)算可由中央控制汁算機(jī)完成，這樣就大大提高了整個(gè)系統(tǒng)的跟蹤能力。

      5 國(guó)家天然氣流量計(jì)量站檢定結(jié)果

      檢定工作在國(guó)家原油大流量計(jì)量站成都天然氣流量分站進(jìn)行．采用從美國(guó)CEESI引進(jìn)臨界流音速噴嘴次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定，總精度為0.25%檢定樣品為DN100和DN200的天然氣彎管流量計(jì)各一臺(tái)。檢定結(jié)論：準(zhǔn)確度等級(jí)1.0級(jí)。

      5.1 檢定結(jié)果圖表分析 

表1   DN100天然氣彎管流量計(jì)檢定數(shù)據(jù)

      由表1可計(jì)算檢定結(jié)果：基本誤差為0.93%；流量計(jì)重復(fù)性0.07%；流量計(jì)相對(duì)示值誤差0.90%。 

表2   DN200天然氣彎管流量計(jì)檢定數(shù)據(jù)

      由表2可見(jiàn)，檢定結(jié)果：基本誤差為0.99%；流量計(jì)重復(fù)性0.04%；流量計(jì)相對(duì)示值誤差0.96%。

      5.2 檢定結(jié)論

      （1）彎管流量計(jì)經(jīng)過(guò)實(shí)流標(biāo)定可以達(dá)到準(zhǔn)確度0.5級(jí)（相對(duì)示值誤差）。從檢定的原始數(shù)據(jù)可以看出所有相對(duì)示值誤差均為正值，且基本在0.53%至0.96%之間，說(shuō)明存在一個(gè)系統(tǒng)誤差，通過(guò)改變流量系數(shù)至原系數(shù)的0.9926，即可以保證±0.25%的相對(duì)示值誤差，確定0.5級(jí)的準(zhǔn)確度等級(jí)還有相當(dāng)裕量（見(jiàn)圖3、圖4）。

      （2）彎管流量計(jì)不經(jīng)過(guò)實(shí)流標(biāo)定即可以達(dá)到準(zhǔn)確度1.0（相對(duì)示值誤差），所檢定的兩臺(tái)彎管流量計(jì)檢定前只采用幾何檢定法．檢定中最大相對(duì)示值誤差分別為0.90%和0.96%。

      （3）彎管流量計(jì)具有極好重復(fù)性。優(yōu)于0.1%，兩臺(tái)彎管流量計(jì)檢定結(jié)果重復(fù)性分別為0.07%、0.04%。

      6 感謝

      天然氣彎管流量計(jì)作為天然氣流量計(jì)量的一種新型產(chǎn)品，一出現(xiàn)就展示出了強(qiáng)勁的生命力。這里面凝聚了眾多專家和領(lǐng)導(dǎo)的智慧和心血。在此一并感謝：感謝王池、謝紀(jì)績(jī)、段慧明、鄭琦、黃飛、王學(xué)文等同志在我們研究天然氣彎管流量計(jì)工作中給予的支持和關(guān)注；感謝大慶采油六廠的全體同志給予的支持和信任；感謝華陽(yáng)天然氣流量檢定站的同志們?cè)谖覀兊臋z定試驗(yàn)過(guò)程中給予的友情配合。