1計量系統(tǒng)的應用背景

當前國內(nèi)外天然氣貿(mào)易交接越來越頻繁,買賣雙方及政府部門等各方對天然氣貿(mào)易計量的要求越來越高,計量系統(tǒng)應用的好壞與否直接影響貿(mào)易交接雙方的利益。特別是計量系統(tǒng)的測量精度直接影響天然氣貿(mào)易計算和經(jīng)濟效益,據(jù)不完全統(tǒng)計:3億Nm3/年的計量站,每0.2%的精度變化,會帶來60萬m3/年的計量偏差,相當于100萬元人民幣/年。

(1)參與天然氣貿(mào)易交接計量相關各方的關注要點:1)國家層面所建立的標準、頒布的計量法及檢定規(guī)程:2)國家質(zhì)檢總局認可的管理計量機構(gòu)和檢定機構(gòu):3)買賣雙方輸差范圍,采用的計量標準、檢定標準:4)設計院根據(jù)用戶需求設計的計量技術方案:5)制造廠商對設計意圖的理解及提供合理計量方案的計量系統(tǒng):6)施工方對于制造商提供計量產(chǎn)品安裝要求的理解及施工過程質(zhì)量控制:7)運營中生產(chǎn)單位所采取的計量管理方式、維護及維修策略。

(2)目前我國的天然氣計量系統(tǒng)中核心部件流量計主要有以下幾種:1)孔板流量計量?？装辶髁坑嫗閴翰钍搅髁坑?是國內(nèi)使用最為普遍的計量方式,技術成熟度高,其原理為在輸氣管道內(nèi)安裝孔板作為節(jié)流元件,當有天然氣通過時,流體界面突然減小,流速加快,孔板后端壓力降低,通過測量其前后壓差,在已知有關參數(shù)的條件下根據(jù)流動連續(xù)性原理和伯努利方程可以推導出差壓與流量之間的關系而求得流量。它的缺點是壓損大,測量精度低:優(yōu)點是價格低、結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定。2)渦輪流量計量。渦輪流量計測量原理是流體流經(jīng)傳感器殼體,由于葉輪的葉片與流向有一定的角度,流體的沖力使葉片旋轉(zhuǎn),在力矩平衡后轉(zhuǎn)速穩(wěn)定,在一定條件下轉(zhuǎn)速與流速成正比,由于葉片有導磁性,根據(jù)電磁場原理線圈兩端感應出電脈沖信號,脈沖頻率與流經(jīng)傳感器的流體的瞬時流量成正比,進而計算出流體流量。用其測量壓力損失小,但對于流體的性質(zhì)有較高的要求。缺點是渦輪轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生機械摩擦,需注意潤滑維護保養(yǎng),如上游配套過濾器要避免較大顆粒損壞葉片,對前后直管段有較高要求:優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、精度高、重復性好。3)超聲波流量計量。超聲波流量計的工作原理為超聲波在流動的流體中傳播時載有流體流速的信息,通過接收到的超聲波就可以檢測計算出流體的流速,從而換算成被測流體的流量。根據(jù)檢測方式,可分為傳播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法及相關法等不同類型的超聲波流量計。缺點是對前后直管段安裝有較高要求,國內(nèi)大口徑存在標定困難問題,另外價格昂貴:優(yōu)點為測量精度高,量程比大,能實現(xiàn)雙向流量計量,適應性強、占地少,無可動部件,堅固耐用。

2計量系統(tǒng)的設計

2.1總體要求

LNG接收站計量系統(tǒng)的設計應在功能、性能指標等方面滿足國家相關的法律、法規(guī)、標準要求和建設方的要求,應充分考慮如何實現(xiàn)計量的準確性、穩(wěn)定性和一致性等,同時應明確以下幾點:(1)標準的參比條件:天然氣體積計量的標準參比條件為293.15K、101.325kPa,發(fā)熱量計量的標準參比條件為293.15K。也可以采用建設方招標時合同中規(guī)定的其他參比條件。(2)計量系統(tǒng)能夠根據(jù)工作條件下和標準參比條件下的密度把流量計在工作條件下測得的體積流量轉(zhuǎn)換成標準參比條件下的體積流量或質(zhì)量或者標準參比條件下的能量。工作條件下和標準參比條件下的密度可實現(xiàn)連續(xù)測量或通過氣體組成計算,密度的計算應能連續(xù)測量溫度和壓力。保證所使用的方法具有溯源性和可靠性。(3)天然氣計量系統(tǒng)的設計要保證測量準確度,誤差在允許范圍內(nèi),同時要滿足安裝要求。

2.2環(huán)境條件

計量系統(tǒng)的設計需根據(jù)自身應用情況、所在周邊環(huán)境條件及影響,同時兼顧安全方面因素的影響,具體如下:(1)計量系統(tǒng)的設計及選址等應使干擾和危險因素對于其自身和周邊的相關工藝裝置或系統(tǒng)的影響控制在一個可接受范圍內(nèi):(2)周邊環(huán)境噪聲水平控制在當?shù)胤煞ㄒ?guī)規(guī)定的范圍內(nèi),工作區(qū)噪聲應確保有適當?shù)拇胧┓乐箤Σ僮魅藛T產(chǎn)生傷害:(3)環(huán)境溫、濕度和壓力等條件下應保證所有儀器儀表及設備等都能正常工作。

2.3典型計量系統(tǒng)的設計

通常計量系統(tǒng)應以建設方提供的基礎數(shù)據(jù)及天然氣外輸規(guī)模(包括遠期預留)為依據(jù)開展設計工作,計量系統(tǒng)并不是簡單的流量計加流量計算機,其規(guī)模雖小但卻是一個重要的系統(tǒng)工程,內(nèi)容涵蓋技術方案的確定、計量橇的集成、配套的計量儀表盤、配套的分析儀表集成等等。設計時通常主要有如下要求:

2.3.1工藝、管道方面

(1)應對計量系統(tǒng)管道的橢圓度和同心度有嚴格的技術要求:(2)為了計量準確,計量管道的設計應注意避免脈動流和振動,可適當在管路上游加裝整流器:(3)根據(jù)建設方的供氣合同合理設計備用旁路,其主要作用為某一路計量管路無法正常工作時切換至備用旁路管路仍能保證正常外輸狀態(tài):

(4)預留一比對回路來實現(xiàn)其中某一路出現(xiàn)問題時與比對回路連通以檢查、核實及校準流量計:(5)緊急情況下可安全關閉計量系統(tǒng),計量橇上下游需設計緊急切斷閥,盡可能選擇雙關斷球閥實現(xiàn)零泄漏:(6)應充分考慮計量系統(tǒng)主管線上設備、儀表等安裝、運輸、維修、維護及標定等的空間充足。

2.3.2電氣、儀表方面

(1)計量系統(tǒng)應滿足對天然氣體積和能量進行精確計量,能量計量應由體積流量和在線色譜分析儀確定的熱值計算產(chǎn)生:(2)設計應充分考慮流量計校正措施,根據(jù)JJG1030一2007《超聲流量計檢定規(guī)程》要求,計量系統(tǒng)應具有聲速核查及自診斷功能,能延長標定周期,實現(xiàn)6年標定一次:(3)對氣體在超聲波流量計中流速有具體要求,一般最大流速不宜超過20m/s:(4)應具有在線標定功能,標定回路設置合理,且便于現(xiàn)場操作:(5)根據(jù)現(xiàn)場的氣候條件、防爆區(qū)域劃分合理選擇電氣、儀表、接線箱及閥門等的材質(zhì)、防護等級、防爆等級:(6)現(xiàn)場UPs供電系統(tǒng)每個回路獨立供電及防雷接地保護的設計:(7)流量計的設計及安裝應充分考慮其前后直管段的要求:(8)流量計算機軟件應含有多種可選擇的貿(mào)易計量標準:(9)流量計算機壓縮因子的計算方法應滿足Iso12213或AGA8等標準的要求:(10)流量計需取得中國計量器具形式批準證書。

3計量系統(tǒng)應用案例

某大型LNG接收站項目一期外輸規(guī)模為200萬t/年,二期外輸規(guī)模為400萬t/年,外輸壓力9.0MPa。其中計量系統(tǒng)的設計主要包括4路12寸計量管路,計量橇的匯管尺寸為36寸,計量橇匯氣管、計量比對管路及二期預留均設置預留接口。

該計量系統(tǒng)為整體橇裝形式,主要包括氣體超聲波流量計、上游及下游匯氣管、上游及下游連接直管段、上游及下游切斷閥、溫度和壓力檢測儀表等:還包括計量儀表盤以及配套的分析儀表:分析儀表采用分析小屋橇裝形式,主要包括氣象色譜分析儀、硫化氫分析儀、烴露點結(jié)合水露點分析儀各一套。另外,計量系統(tǒng)還配置流量計算機和流量管理計算機,實現(xiàn)對計量過程的控制、監(jiān)控和相應的計算等功能,并實現(xiàn)與DCs控制系統(tǒng)之間的相關通信,以上計算機均安裝于計量控制室內(nèi)。為保證計量系統(tǒng)的可靠運行,此項目正常外輸時輸氣管路三用一備,各個管路與備用管路之間設置有相互比對的連接管路,當一路流量計可能出現(xiàn)偏差時,可以打開比對閥門,使天然氣同時通過兩個串聯(lián)的流量計,以檢查核實流量計的工作情況。為了保證計量準確度,該項目比對閥門采用DBB雙關斷帶泄壓球閥,該閥門可現(xiàn)場手動操作,閥位反饋信號引進中央控制系統(tǒng)。

本項目核心設備采用艾默生丹尼爾的4聲道超聲波流量計(3400系列),該系列產(chǎn)品技術成熟、應用穩(wěn)定,同時具有丹尼爾超聲波流量計獨特的聲道替代補償技術:如果一對探頭失靈,或在維護時拆卸一對探頭,對測量精度的影響仍然有限等。另外,其配置的診斷軟件能按照AGA10報告進行聲速計算核查,將超聲波流量計的實流標定周期延長至6年。氣相色譜分析儀采用艾默生的MD1570,流量計算機采用艾默生s600系列,與色譜分析儀配合使用,不間斷地將超聲波流量計測得的聲速與在天然氣中的理論值進行比較,可在線連續(xù)監(jiān)控或校核超聲波流量計的計量精度。

本項目其他主要設備及儀器選型具體如下:(1)流量計上游及比對回路手動球閥、匯管手動球閥為喀麥隆,型號為T31:(2)流量計下游切斷強制密封球閥采用oRBIT閥門:(3)壓力變送器采用艾默生3051系列:(4)壓力表采用品牌為wIKA:(5)溫度變送器采用艾默生3144P系列:(6)硫化氫分析儀采用阿美泰克933:(7)烴露點和水露點分析儀采用米歇爾、阿美泰克:(8)取樣分析管路及管閥件采用世偉洛克。

值得一提的是,該項目的采購周期受橇內(nèi)閥門制造周期的影響非常大,其中12寸閥門12臺、36寸閥門4臺(主要為二期預留匯管管線),由于喀麥隆oRBIT閥門在天然氣計量貿(mào)易的應用市場占比相當大,具有壓倒性優(yōu)勢,所以價格極其昂貴,訂貨通常需要排隊,一般供貨周期至少一年。

由于計量系統(tǒng)為橇裝形式,整體尺寸較大,不利于運輸,拆解為六個橇塊,現(xiàn)場拼接安裝的過程中采取了有效措施消除管道的應力對現(xiàn)場測量儀表的影響,特別是超聲波流量計安裝時經(jīng)過反復數(shù)次調(diào)整才徹底消除了對管道產(chǎn)生的附加應力,有效保證了測量的準確性。

4計量系統(tǒng)的標定

計量系統(tǒng)正式投產(chǎn)后除了日常正常的維護、維修之外,一項重要工作就是流量計的標定。一般流量計的標定有兩種:一種是拆卸后到標定站進行標定,一種是標定車到現(xiàn)場進行標定,目前第一種情況較為普遍。國內(nèi)主要標定單位是南京站,隨著國內(nèi)天然氣計量的迅猛發(fā)展,每年國內(nèi)有相當數(shù)量的流量計需要標定,一般標定至少提前半年預約,這給運營的項目公司帶來不小的壓力,運營管理人員必須根據(jù)實際的投產(chǎn)情況合理做好標定計劃。不過近年來廣州站已能進行流量計的標定,從某種程度上緩解了流量計標定需要排隊的壓力。

此外,能夠通過技術手段使得流量計標定延長至6年尤為重要,其在保證正常生產(chǎn)的同時節(jié)省了高昂的標定費用:有效的生產(chǎn)日常管理也十分重要,保證管道盡可能清潔,使其對計量系統(tǒng)產(chǎn)生影響降到最低,也可使得流量計工作得更可靠、更穩(wěn)定。

5結(jié)語

綜上所述,計量系統(tǒng)在天然氣貿(mào)易交接中占有重要地位,擁有一套好用的計量系統(tǒng),盡可能地在設計、采辦、施工及后期的運營維護、維修等各個階段把控好,做一個全生命周期的管理,才能最大限度發(fā)揮它在貿(mào)易交接中的巨大作用。