北京安控科技股份有限公司 李永成

1 引言

在天然气集输过程中，配气站是天然气外输的最终环节，配气站的天然气计量至关重要，计量准确与否不但影响天然气供需双方的经济利益，而且影响计量交接、气量结算、企业信誉。由于天然气计量的难度远远高于液体计量，计量结果的影响因素繁多，计算公式复杂，因此，采用高准确度的自动计量是供需双方的迫切要求，也是计量技术新发展的迫切需要。计量的准确性取决于三个方面的要素：

• 设备安装是否规范。

• 信号采集是否稳定可靠，误差是否符合标准。

• 计算误差是否符合标准。

对于生产计算设备的厂家来说，主要考虑2、3要素，如北京安控科技股份有限公司（以下简称“安控科技”）的天然气流量计算机HC601，首先要求信号采集稳定可靠，精度达到1‰；其次要求计算误差小于1‰。笔者在实践过程中，总结了以下几点。

2 编写计算流程容易忽略的问题

我国推行的标准是《GB/T21446-2008 用标准孔板流量计测量天然气流量》，这个标准并没有提供公开的核准软件，各鉴定机构核准计算数据的方式不尽相同，影响计算结果的因素又较多，稍有不慎就有偏差超过1‰的可能。尽管将计算程序编写出来，计算的结果也能符合标准的实例，但是往往因为没有行业经验，很容易忽略两个问题：

（1）尖锐度计算

由于国内孔板材质较差，孔板只是在最初使用时才可能符合标准要求，使用一段时间后孔板的入口边缘的磨损加剧，在孔板的上下游产生的差压减少，使流量计算的结果比实际流量偏小，根据标准《GB/T21446-2008》6.1.6.2的解释，当rK大于0.0004d时，参见附录D处理。其中rK表示孔板直角入口边缘圆弧半径，d为孔板直径。标准《GB/T21446-2008》附录D明确了处理办法，当rK/d>0.0004时，推荐更换新孔板，若不更换，则必须纠正流出系数C，纠正公式如下：

bK与rK/d 的关系，如表1所示。

表1 bK与rK/d 的关系

在生产过程中，一般使用孔板年限作为尖锐度计算的输入参数，那么孔板年限t的取值为0~+∞，实际情况下孔板使用超过10年就得更换，这里不展开详述。从公式可以看出，当t=0时，rK=0.03mm，即使是新孔板，只要d≤75mm，都需要纠正流出系数，这与实际陈述有矛盾，或许此公式的成立必有特定条件，比如d必须大于75mm，但是标准中并没有特别说明，除非不用此公式，通过实测来获得rK，在生产过程中实测rK是比较困难的，不利于生产。我们的经验做法是将新孔板定义为1个月，所有新孔板，当在一个月内使用，不需要纠正流出系数。

（2）粗糙度计算

在计量标准中规定节流装置的前后直管段必需是光管，但现场施工时往往采用的是无缝钢管代替了光管，一开始就达不到标准要求，使用一段时间后，管线磨损加剧，管壁锈蚀斑斑，特别在管道含硫、二氧化碳等腐蚀介质时，管道粗糙度更加偏离，需要纠正流出系数。

当然，需要纠正流出系数C还需要一个前提条件，当直管段内壁粗糙度满足104Ra/D计算的值小于或等于表2给出的最大值并大于或等于表3给出的最小值，不需要纠正流出系数。

上式中，K为钢管内壁绝对粗糙度，可以测量出来，计算时需要输入此值；D为测量管内直径。

表2 104Ra/D的最大值

表3 104Ra/D的最小值

在使用过程中如对上游10D的直管段内壁进行检测，其内壁粗糙度不符合表2、表3的规定，参见标准《GB/T 21446-2008》的附录D处理。

在不符合表2、表3规定时，分析以下条件是否满足：

1> 1μm≤Ra≤6μm，D≥150mm，β≤0.6，ReD≤5×107；

2> 1.5μm≤Ra≤6μm，D≥150mm，β>0.6，ReD≤5×107。

满足以上2条件不需要纠正流出系数C，其它情况下需要纠正流出系数。

附录D处理公式如下：

当ReD≥106时，γRe=γ0。

γ0与直径比β2和相对粗糙度的倒数D/K有关，见表4。

表4 γ0与直径比β2和相对粗糙度的倒数D/K相关值

从这个表分析D/K 下界是400，上界+∞ ，从结果分析只要≥3200，γ0都是1，生产过程中，很可能会遇到D/K<400的现象，标准没有给出明确的解决办法。按照标准应用，不应该出现此类现象。事实上测量管内径越小，要求内壁粗糙度越小，才能满足计量要求，否则需要更换。

总之，这两个问题是很容易被忽略的，影响流出系数的整体公式如下：

这两个因素对计量的准确度超过了估计值，因此必须考虑。

3 如何计算未知组分的天然气流量

国家标准《GB/T 17747.3-1999 天然气压缩因子的计算第三部分：用物性值进行计算 》，适应无法得到气体摩尔组分来计算天然气的压缩因子。通过该标准，可以计算出压缩因子，但是无法计算出流量。我们知道计算天然气流量，不仅与压缩因子有关系，还与其它因子也有关系，下面来看计算天然气流量的公式：

标准参比条件下的体积流量

利用《GB/T 17747.3-1999》标准，可以计算出Z1，但是无法计算出Zn，Zn的计算公式如下：

Xj：天然气组分的摩尔分数，由气分析给出；

n：天然气组分总数，目前有21种。

因为无法获得组分，因此Zn无法求出，流量计算的结果也就无法得到，在标准中再没有其它公式可以直接获得Zn。根据我们掌握的知识以及标准提供的公式可以推导如下：

物性值计算参数输入： d，Hs，Xco2（二氧化碳组分），XH2（氢气组分）。

其中，相对密度d是指在相同的规定压力和温度的条件下，气体的密度除以具有标准组成的干空气的密度。这里的规定条件是273.15K，101.325kPa。

① 计算标况下真实气体密度

ρn（真实气体密度）=d*ρn（干空气真实密度） （9）

ρn（干空气真实密度）=1.292932kg.m-3（10）

② 计算摩尔质量

ρ（质量密度）=M*ρm（摩尔密度） （11）

在标况下计算摩尔质量

M=ρn（真实气体密度）/ ρm,n（摩尔密度） （12）

③ 计算标况下摩尔密度（ρm,n）

根据GB/T 17747.3-1999（公式B4），得出摩尔密度与Bn(v)的关系，迭代计算出摩尔密度，公式如下：

Vm,n（理想）=RTn/Pn（13）

根据迭代首先计算出等价烃摩尔发热量，然后将结果代入计算出新Bn(v)，再次重复迭代计算出Bn(v)，迭代结束，Bn(v)结果已知，从而获得标准状态下的摩尔密度ρm,n，代入式（12），可求得摩尔质量M。

④ 计算理想气体相对密度

根据摩尔质量和以下公式，可以算得天然气理想相对密度Gi

Ma（干空气摩尔质量，常数28.9626）

⑤ 计算Gr真实天然气相对密度和Zn，在标准参比条件（293.15，101.325kPa）下：

再根据

这里d是输入参数，Gr可以计算出来，代入式GB/T 21446-2008 (A.7)，可得出：

Za表示干空气在标准参比条件下的压缩因子，常数0.99963，Zn获得，Fz可以计算出来，其它量根据标准可以计算出来，从而在未知天燃气组分的条件下，可以计算出天然气的流量。

⑥ 数据验证

根据以上的公式，进行实际演算。用已知组分、压力、差压、温度等参数，在相同条件下的同组气体，使用标准《GB/T 17747.2-1999 天然气压缩因子的计算 第二部分：用摩尔组分进行计算》和《GB/T 17747.3-1999 天然气压缩因子的计算 第三部分：用物性值进行计算》两种方式计算压缩因子，并计算相应的流量，通过对比发现，两种计算误差不会超过1‰，符合标准的不确定度。见表5，相同条件下用孔板计量6组气样作对比：

差压ΔP=5000Pa，压力P1=10MP， 温度T=15℃，管径50mm，β=0.75，孔板年限0年，管壁粗糙度0.0，当地大气压0.0965MPa，法兰取压，孔板材料膨胀系数16.60×10-6，测量管膨胀系数11.16×10-6。

表5 GB/T 17747.3-1999算法输入条件

表6 GB/T 17747.2-1999算法输入条件

六组气样，相对密度系数d与高位发热量Hs都可以通过摩尔组分计算出来，这里不细说。

表7 体积秒瞬量计量结果比较

4 计算秒体积发热量比计算秒质量发热量大的原因

天然气作为一种优质清洁能源，用于发电、供暖、烹饪等行业，同时还是国家的重要化工原材料。对用于燃烧发热的行业来说，发热量是用户最关心的，在相同条件下，同样体积的气体，由于气体成分不相同，发热量就不一样，有的天然气发热量高，有的天然气发热量低。各地生产的天然气的组分不尽相同，如用体积计量，用户所用气体组分不同，完成相同任务，使用的天然气数量不一样，付费也就不一样。为了体现公平，计量气体的发热量就成为供需双方共同关心的焦点，用户可以按照发热量进行付费。

按照标准《GB/T 21446-2008》计量天然气发热量时，我们发现每秒体积发热量与每秒质量发热量有一点差别，并且每秒体积发热量总是稍大于每秒质量发热量。按道理天然气流经孔板计量的流量，不管用体积计量还是质量计量，发热量总是相等，但事实上演算得到的结论是不相等。

比如：我们用上述1#气样，孔板计量体积流量是1.0838m3/秒，质量流量是0.7587kg/秒，秒体积发热量是41.0642MJ/秒，秒质量发热量是41.0638MJ/秒，差0.0004MJ/秒 。

究其原因如下：

① 标准参比条件下，天然气体积发热量

qevns：表示每秒体积发热量

Hs：表示摩尔发热量

Pn：常数0.101325MPa

Tn：常数293.15K

R：常数0.00831451

Zn：天然气在标准参比条件下的压缩因子（见公式18）

② 标准参比条件下，天然气质量发热量

qems：秒质量发热量

qms：秒质量

Ams：质量流量计量系数，秒质量系数为3.8295×10-6

Avns：秒体积计量系数为3.1795×10-6

Gr：标准参比条件下的真实相对密度

Hs：表示摩尔发热量

M：摩尔质量

Zn：天然气在标准参比条件下的压缩因子（见式3）

Za：干空气在标准参比条件下的压缩因子，值为0.99963

Ma：干空气摩尔质量，值为28.9626

经过式（1）和式（2）对比发现，式（19）Pn/（R*Tn）与式（20）（AmsZa）/（AvnsMa），是两式中的不同部分，并且这部分都是常数，经计算得出：

结果是用体积计算的发热量常数部分Pn/（R*Tn）大于用质量计算的发热量常数部分（AmsZa）/（AvnsMa），因此不难理解计算秒体积发热量比计算秒质量发热量大的问题，这是由于浮点数保留进位导致的，属于正常现象。

5 如何保证累积的准确性

天然气在计量过程中准确度非常重要，不仅瞬量计算要准确，而且累计量也必须准确。累计量计算准确的前提是瞬量计算必须准确，计量时钟必须准确，二者缺一不可。瞬量计算可以进行静态数据的算法比对，来验证准确性，时钟的准确性必须通过长时间时钟的累积，来验证准确性。天然气流量计算机（HC601）采用系统的硬件时钟中断来获得，不受系统运行负荷的影响，每到一秒，累积一次，每一秒都非常精准，因此能够保证累积的准确性。

6 孔板清洗过程补偿计算

天然气在生产过程中，由于矿场分离器的设备老化，管线的锈蚀，以及天然气中的油水及砂粒粉尘，在孔板表面沉积了大量污物，使孔板计量严重偏低，这部分气量损失是无法用公式补偿的，必须通过经常性清洗孔板来纠正偏差。在清洗孔板过程中，计算装置无法获得信号，计量将停止，累积也就终止，清洗孔板时，又不能停止供给天然气，丢失的气体该如何补偿是一个棘手的问题，我们提出补偿方式有三种，一是前补偿，二是后补偿，三是前后补偿。

前补偿就是在计算天然气的同时，记录前n（n<=20）分钟的每秒平均量，再记录清洗过程中的时间，即累积秒数，补偿量就是他们的乘积。这种方式适应供气比较稳的站，一般差压波动不大。

后补偿就是在孔板清洗完，安装好后，从计算开始采集n（n<=20）分钟的每秒平均量，补偿量就是每秒平均量与清洗孔板过程中累积时间秒数的乘积。这种方式也是适应于供气稳定的站，一般差压波动不大。

前后补偿就是在计算天然气的同时，记录前n（n<=20）分钟的每秒平均量，孔板清洗结束，从上电开始计算起，再记录n（n<=20）分钟的每秒平均量，然后将两个平均量再做平均，补偿量就是最后的平均秒流量与清洗孔板过程的时间秒累积的乘积。这种方式适应供气不够稳定的站，一般差压波动较大。

总结，在天然气流量计算方面的国家标准已经比较完善，但个别部分值得推敲研究，特别希望检定机构能够提供公开的鉴定工具，以便于用户校核数据，提高国内产品的研发效率。