摘要: 考察燃氣（重點是天然氣）計量流量計的經(jīng)濟性，既要考察它們在設(shè)備采購成本和運行維護成本方面的經(jīng)濟性，更要考察它們對于輸差的影響。本文針對目前多種燃氣計量儀表的特點，首先分析氣體超聲流量計、渦輪流量計、腰輪流量計和孔板流量計等常見的天然氣計量儀表的工作原理、適應范圍、各自特點等。接下來，從不同的角度對燃氣管網(wǎng)計量輸差產(chǎn)生的因素進行解析，分析不同種類流量計對輸差可能造成的影響。非常后，結(jié)合常用流量計類型的自身特點和輸差控制，對各類型流量計做出了經(jīng)濟性的分析。

引言 

天然氣作為清潔能源在國內(nèi)能源消耗的占比逐年增長，油氣田采集油氣后經(jīng)過油氣分離工藝，將天然氣通過加壓長輸管道輸送到各城市門站，再到各種燃氣用戶。天然氣輸送量由燃氣管道上安裝的流量計量儀表上的測量數(shù)據(jù)決定。在高壓天然氣輸送工程中選擇一款高精度、高穩(wěn)定性、壓力損失小，同時又具有經(jīng)濟性的計量儀表具有重要的意義[1]。考察燃氣計量流量計的經(jīng)濟性，既要考察它們在設(shè)備采購成本和運行維護成本方面的經(jīng)濟性，更要考察它們對于輸差的影響。

本文首先分析氣體超聲流量計、渦輪流量計、腰輪流量計和孔板流量計等常見的天然氣計量儀表的工作原理、適應范圍、優(yōu)缺點等。在此基礎(chǔ)上，從不同的角度對燃氣計量輸差產(chǎn)生的因素進行解析，分析不同種類流量計對輸差可能造成的影響。非常后，結(jié)合常用流量計類型的自身特點和輸差控制，對各類型流量計做出經(jīng)濟性的分析。

1 燃氣流量流量儀表 

流量計是燃氣計量的一個重要設(shè)備，它提供了貿(mào)易計量或內(nèi)部管理的數(shù)據(jù)。目前國際和國內(nèi)被廣泛應用的燃氣計量儀表有氣體超聲流量計、渦輪流量計、羅茨流量計以及孔板流量計等。研究分析這些氣體流量計的性能特點、適用范圍，可以幫助找到一種更準確、更穩(wěn)定和合理的計量手段。 

1.1 氣體超聲流量計 

主流的氣體超聲流量計是基于時差法開展的流量測量，其原理是測量超聲波信號在氣體介質(zhì)中順向流和逆向流的時間差 Δt，在已知一對探頭間的距離 L 時，計算出流速 V，然后乘以測量管段的截面積 S=π*D2/4，獲得非常終的流量值(見公式 1 和 2)。超聲流量計工作原理見圖 1。

氣體超聲流量計非常大的特點是能在高壓和中低壓或條件下準確地測量氣體的單、雙向流量，測量范圍寬，量程比大；直接測量氣體的流速，測量精度不受介質(zhì)組分變化的影響；能測量穩(wěn)態(tài)及低頻脈動氣體的流量；無阻流機械部件，壓力損失極小，且不會因固體雜質(zhì)導致阻流部件損壞；一般采用多聲道的測量，可有效地減小因流場不均勻分布對測量結(jié)果的影響，并能在一個聲道出現(xiàn)故障時繼續(xù)用其它正常的聲道進行有效測量，從而提高儀表的準確度和可靠性；適合于壓力變化范圍大，流量波動大的應用場合。該種流量計目前正在高、中、低壓各種天然氣計量應用中逐步替代渦輪流量計、腰輪流量計和差壓式孔板流量計[2]。

1.2 氣體渦輪流量計 

在渦輪流量計測量表體中裝有一個葉輪，上面的葉片與被測介質(zhì)流向成一定角度。有流體通過時，它的沖力帶動葉片旋轉(zhuǎn)，這個葉片的旋轉(zhuǎn)速度與流體的流速成正比關(guān)系，而這種葉片本身具有磁性，它在由用yongjiu磁鋼和線圈組成的信號檢測器中旋轉(zhuǎn)并切割磁力線，由此感應出與流速成一定比例的脈沖信號，通過脈沖信號放大器獲得流量信息。渦輪流量計的脈沖頻率 f 與流經(jīng)測量表體的流體的瞬時流量 Q 成正比，流量方程為：Q=3600×f/k （3）式中：k 為流量計的儀表系數(shù)，3600 為換算系數(shù)。

渦輪流量計由其機械結(jié)構(gòu)特點決定了其具有測量精度高、重復性好、基本無零點漂移等優(yōu)點。但是，渦輪流量計對氣體介質(zhì)的清潔度要求較高，氣體的溫度、粘度和密度對儀表的示值誤差也有較大的影響；對氣流脈動和漩渦流敏感，防氣流沖擊能力差，容易損壞；量程范圍相對有限；且在使用一段時間后軸承間隙加大，測量精度呈現(xiàn)變負的趨勢。

1.3 羅茨流量計

羅茨流量計也稱腰輪流量計，它是利用 2 個橢圓形的機械測量元件把被測介質(zhì)分割成單個已知的體積部分，通過計量室逐次、重復地充滿和排放該體積部分流體的次數(shù)來計算被測介質(zhì)的流量體積總量。

羅茨流量計優(yōu)點是：計量腔保持一定的容積，很少受紊流及脈動流的影響；無須前后直管段；受被測氣體介質(zhì)的粘度等物理性質(zhì)、流動狀態(tài)的影響小，可測量不易測量的脈動流量；適用的量程、溫度范圍寬，安裝要求不高。

但是，羅茨流量計對氣體的清潔度要求較高，含有油污和雜質(zhì)時要預先處理，加裝過濾器；當流量增加時，壓力損失也增大；使用一定時間后，腰輪與計量腔體間的間隙會增大，影響測量精度；運行維護工作量大；大口徑時價格較貴，經(jīng)濟性變差[3]。

1.4 孔板流量計 

孔板流量計是差壓式流量計，它是由一次檢測件（節(jié)流件）和二次裝置（差壓變送器和流量顯示儀）組成。當被測介質(zhì)通過節(jié)流件時局部產(chǎn)生收縮，流速增加，在節(jié)流件后面產(chǎn)生靜壓力，由此在節(jié)流件前后產(chǎn)生了壓差，而此壓差隨流量的變化而變化，流量大則壓差就大。作為二次裝置的差壓變送器測量節(jié)流件前后的壓差，計算出對應的流量值。孔板流量計工作原理見圖 2。

孔板流量計的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、制造、加工和使用方便。

但該種流量計對壓力、流量的適應性差，特別是大口徑的孔板流量計由于靜壓力差測量的誤差，會造成流量計的綜合不確定度增大；對流場的要求比較苛刻，需要的前直管段非常長；壓損大；上游易積液；孔板損耗快，維修維護率高[4]。 2 燃氣計量輸差產(chǎn)生的原因 輸差是燃氣在輸送過程中輸入和輸出在量值上產(chǎn)生的差異，即 Q 差=Q 進-Q 出。從理論上講，在一個全封閉的輸送管網(wǎng)中，只要輸送管道沒有泄漏，就沒有輸差產(chǎn)生。但在實際的油氣計量過程中，在輸入的流量和輸出的流量之間會出現(xiàn)一些偏差量。細分下來主要是由以下幾方面造成的。

2.1 測量儀表引出的偏差 

燃氣計量的量值確定是靠測量儀表完成的，而測量儀表的測量誤差值不會是 0%，在計量儀表選型的初期，如果沒有仔細考慮計量的流量范圍（用氣量的多少）、工作壓力的適用范圍、氣體介質(zhì)的工藝處理結(jié)果及使用現(xiàn)場的工況條件等影響因素，使流量測量儀表工作在一個不適合的工況條件下，就會造成計量誤差值。另外，各種原理的流量計對安裝條件的要求也是不同的，如前后直管段長度要求、流量計前端過濾器的要求、新管道吹掃流程的要求、單向流流量計的流向要求、儀表潤滑油的選擇要求等等。如果沒有按照要求進行安裝，就會影響燃氣的計量準確度。選擇量程寬、對工況適應能力更強的流量計類型，如超聲波流量計，有助于避免這一問題[5]。

另外，目前在天然氣主干網(wǎng)的門站均已采用高精度的氣體超聲流量計，而面向中小用戶的流量計很多仍是采用孔板流量計、渦輪流量計或羅茨流量計。孔板流量計的測量精度本身就不高，渦輪或羅茨流量在使用一段時間后由于軸承的磨損或氣體介質(zhì)中污物的影響，往往造成測量精度的大幅下降。也就是說，由于在輸入和輸出端采用了準確度不同的流量計，也會加劇燃氣輸差[6]。

2.2 管存氣體量值的偏差 

天然氣管輸系統(tǒng)中由于環(huán)境溫度、輸氣壓力和溫度的變化，被測天然氣的組分也會發(fā)生變化，這會導致管道中的管存天然氣的量值發(fā)生變化，如式（4）所示：

因此，在不同的溫度、壓力和組分條件下，管存天然氣的量值 Q 存也會不同，由此也會造成了管網(wǎng)輸入和輸出的量值發(fā)生了偏差 Q 差： Q 差=Q 進-Q 出-Q 存 （5）

2.3 管網(wǎng)泄露 

燃氣管網(wǎng)在運行的過程中，由于溫度的變化和應力的作用，不可避免地發(fā)生滲漏，這種滲漏主要發(fā)生在管道及法蘭密封處；管網(wǎng)老化銹蝕破損，在改造施工過程中的野蠻操作，也可能會造成燃氣的泄漏。

2.4 流量計運行維護的影響 

機械式的流量計，包括渦輪、羅茨、孔板等，需要定期進行維護。如果疏于維護，沒有按照規(guī)范加注潤滑油，沒有更換磨損的部件，或者沒有定期清理或排放過濾器中的油水雜物等，也會使儀表隨著時間的推移，準確度逐步下降。而超聲流量計基本上可以免維護，有效避免了這一問題[7]。

2.5 經(jīng)營管理方面產(chǎn)生的偏差 

有些輸氣管網(wǎng)還未實現(xiàn)計量系統(tǒng)自動化的管理，設(shè)備停運或維修信息不夠及時和完善；天然氣氣體組分發(fā)生變化時沒有及時準確地更新各類計量儀表中的組分信息；量值計算和統(tǒng)計時間的節(jié)點不完全一致，造成流量計量儀表的統(tǒng)計周期不完全統(tǒng)一；未按規(guī)定的時間對計量以及相關(guān)聯(lián)的溫度和壓力等儀表進行周期檢定或校準等等，均會造成一定程度的輸入和輸出量值的偏差。相比于傳統(tǒng)的機械式流量計，超聲流量計具有代際優(yōu)勢，智能化程度高，便于進行計量系統(tǒng)的智能化管理[8]。 

3 流量計經(jīng)濟性分析 

3.1 設(shè)備采購成本 

在設(shè)備采購價格方面，雖然超聲流量計近年來的價格已大幅下降了超過 50%，但傳統(tǒng)的機械式流量計仍然具有一定優(yōu)勢。在小口徑時，羅茨和渦輪價格具有相對優(yōu)勢，而在大口徑時，孔板更有優(yōu)勢。但是，通過第 2 節(jié)的內(nèi)容我們已經(jīng)了解到，超聲流量計在精度等級，量程范圍，對工藝條件的適應性等方面具有諸多優(yōu)勢。因此，在作出采購決策時切不能以初始的設(shè)備采購成本作為主要考量。況且，由于超聲流量計沒有機械部件損耗，不會因為固體雜質(zhì)導致阻流部件損壞，因而使用壽命長因此如果按一定時期內(nèi)折舊成本來看的話，超聲流量計更具有綜合性價比優(yōu)勢[9]。

3.2 運行維護成本 

渦輪和羅茨流量計等機械式流量計由于有轉(zhuǎn)動部件，需要定期加注潤滑油；隨著使用時間變長，會出現(xiàn)機械磨損；由于存在阻流部件，容易因固體雜質(zhì)造成流量計損壞。超聲流量計沒有機械轉(zhuǎn)動部件，沒有阻流部件，不易損壞，且超聲流量計本身的智能、自動化程度高，具有免維護、少維護的特點，維護成本極低。因此在運行維護成本方面具有明顯優(yōu)勢。

3.3 輸差控制 

相比于設(shè)備采購成本和運行維護成本，輸差的金額有可能會大得多，因此在分析流量計經(jīng)濟性時一定不能忽略其在輸差控制方面的影響。從第三節(jié)的內(nèi)容我們可以看到，輸差產(chǎn)生的原因主要有五個方面：1）測量儀表引出的偏差；2）管存氣體量值的偏差；3）管網(wǎng)泄露；4）流量計運行維護的影響；5）經(jīng)營管理方面產(chǎn)生的偏差。其中，第 1）、4）、5）項都與流量計直接相關(guān)[10]。做為更新型的流量計，超聲流量計相對于傳統(tǒng)機械式流量計來說具有代際優(yōu)勢，因測量儀表引出的偏差而導致輸差的可能性更低；由于其幾乎免維護，因流量計運行維護的影響而導致輸差的可能性也更小；由于超聲流量計智能化程度高，也有助于減少因經(jīng)營管理方面產(chǎn)生的偏差。

4 結(jié)語 

與渦輪、羅茨、孔板等傳統(tǒng)流量計相比，超聲流量計更具經(jīng)濟性，理由是：1）雖然一次性采購成本較高，但性價比好，且按一定時期內(nèi)折舊成本來看的話可能更具有價格優(yōu)勢；2）不易損壞，維護非常簡單，維護成本極低，因此在運行維護成本方面具有明顯優(yōu)勢；3）作為更新型的流量計，超聲流量計相對于傳統(tǒng)機械式流量計更有利于輸差控制。