隨著中國天然氣使用量激增，燃氣公司對于天然氣流量計的選型和使用情況越來越重視。流量計的計量管理，直接影響燃氣公司的供銷差。本文將探討在不同計量場合下使用不同種類與原理的流量計，并分析每種流量計的優(yōu)點，也探討了高壓天然氣標定與空氣低壓標定對于不同流量計的精度差異，且舉實例分析。

一、天然氣計量的流量計及精度

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

二、天然氣計量流量計的主要適用范圍

【膜式流量計】

適用范圍：

家用和餐飲用戶的計量，用氣壓力在0.5kPa-20kPa范圍內(nèi)，用氣量在：燃氣設(shè)備用氣負荷的最大流量≤40m3/h，宜優(yōu)先選用膜式燃氣表。

技術(shù)指標：

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

【氣體腰輪（羅茨）流量計】（以德聞流量計為例）

氣體腰輪流量計（帶溫度壓力補償）的適用范圍：

一般氣體腰輪流量計的測量范圍0.8～480m3/h，但考慮到實際安裝要求，在工商用戶的燃氣設(shè)備的用氣負荷最大流量在大于25m3/h小于250m3/h的范圍時，宜優(yōu)先選用氣體腰輪流量計。量程比可達1:200，適用于中、低壓管道中氣體流量的計量，多用于小鍋爐房、商業(yè)用氣點或負荷變動大的用氣計量，計量時要求帶溫、壓補償裝置。

安裝條件：

計量介質(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、長期陽光直射、容易浸水或潮濕的場所；與同規(guī)格的膜式表相比，最小流量和工作壓力相對較高，體積較小；氣體腰輪（羅茨）流量計上游須安裝相應(yīng)規(guī)格的過濾器并定期清洗。安裝合適的過濾器，是氣體腰輪流量計減少故障和延長使用壽命的有效途徑。

【氣體渦輪流量計】（以德聞流量計為例）

適用于天然氣、LNG液化天然氣和LPG液化石油氣的計量，主要用于熱負荷相對恒定的燃氣設(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，具有精度高、體積小、量程比適中、流量范圍大的特點，可用于高、中、低壓管道中氣體流量的計量。

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

與同規(guī)格的膜式表、氣體腰輪流量計比較，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幅度變化很大的餐飲用戶，適用于用氣量較為穩(wěn)定的工業(yè)和商業(yè)用戶。

【高壓的氣體超聲流量計】

高壓的氣體超聲流量計，適用于天然氣的長輸管線以及城市門站的貿(mào)易交接與計量比對，此類應(yīng)用場合，壓力特別高，流量特別大。

與其他流量計相比，高壓氣體超聲流量計具有高量程比，可達1:100，適合于高壓天然氣的計量，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，并且計量精度高，可達0.5級表精度，特別適合大流量計量場合。

但此類流量計，由于技術(shù)門檻高，目前主流的品牌都為國外進口，故價格非常昂貴，并不適用于普通的城市燃氣的計量用戶。另外，由于高壓氣體超聲流量計的設(shè)計原理，必須安裝很長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，用于氣體流態(tài)整流，必要時，還需要安裝π型降噪器，防止現(xiàn)場調(diào)壓器的噪音干擾超聲探頭的信號，現(xiàn)場的安裝要求極高。

【中低壓的氣體超聲流量計】（以德聞的氣體超聲流量計為例）

此類產(chǎn)品，有別于高壓氣體超聲流量計。雖然在工作原理上與高壓超聲流量計相似，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計、探頭種類、整流方式上，有本質(zhì)上的區(qū)別。不同廠家的中低壓超聲流量計，設(shè)計了不同的整流方式，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，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，使用陶瓷表面的探頭，工作壓力在1.0MPa以下，適用于城市燃氣的工商業(yè)用戶。

中低壓的氣體超聲流量計，精度為1級，符合國家對于天然氣計量的精度要求，量程比可達1:80，遠高于普遍使用的氣體渦輪流量計，與氣體腰輪流量計的量程比類似。

傳統(tǒng)的機械流量計，如氣體渦輪流量計和氣體腰輪流量計。由于在設(shè)備運行過程中，有機械部件持續(xù)的轉(zhuǎn)動，需要對軸承進行定期的加油潤滑，否則機械部件會有一定磨損而導(dǎo)致流量計計量偏慢，使燃氣公司會造成計量損失。而應(yīng)用于中低壓的氣體超聲流量計，沒有移動部件，不需要對其定期加油潤滑。

氣體超聲流量計，使用超聲探頭聲波原理，可進行遠程診斷流量計的工作狀態(tài)。根據(jù)AGA10美國氣體協(xié)會報告[1]，可通過輸入天然氣的組分、溫度和壓力的參數(shù)，計算出理論聲道，與流量計計算的聲速做比對，來遠程診斷流量計的計量精度。氣體超聲流量計與傳統(tǒng)機械流量計比對總結(jié)表1如下：

表1 氣體超聲流量計與機械式流量計比

三、主流天然氣計量的流量計在高壓下計量精度影響

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。世界各國利用天然氣的數(shù)量也在不斷增加。以中國為例， 2018年天然氣表觀消費量2803億立方米[2]，如若天然氣計量的誤差為1%，則每年由計量誤差損失28.03億立方米，經(jīng)濟損失巨大。

在天然氣計量行業(yè)中，由于需要長距離的傳輸，天然氣的壓力需要增加到很高的壓力值（例如10MPa），到終端燃氣用戶點（2KPa），進行逐級降壓。不同流量計，由于不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計，流體雷諾數(shù)的差異，在不同壓力及不同介質(zhì)下，同一臺流量計會有不同的精度曲線。對于國內(nèi)的流量計生產(chǎn)廠家，在出廠檢定時，都使用空氣低壓標定，來確定流量計的計量精度。而在國外，雖然大部分流量計廠家（例如氣體渦輪流量計）有高壓空氣環(huán)道標定裝置，但運行費用高昂，只在特殊要求下，才進行高壓出廠標定。

在國內(nèi)，高壓氣體超聲流量計在使用前，需送國家第三方實流檢定站（如中石油的四川華陽檢定站、中石油大慶檢定站、中石油南京高壓檢定站等）進行高壓天然氣標定，再安裝使用。

而對于其他種類的流量計，特別是城市燃氣公司，都只是依據(jù)廠家的低壓空氣出廠檢定，以及送第三方低壓空氣檢定后（國內(nèi)第三方空氣標定，普遍使用音速噴嘴負壓法），隨即安裝到現(xiàn)場使用。但實際使用的天然氣計量點，都有不同的壓力，而且氣質(zhì)為天然氣，與空氣低壓標定的數(shù)據(jù)，是否有差異，這是本文后續(xù)探討的主要問題。

由于燃氣皮膜表使用于極低的壓力，氣體腰輪流量計也一般在較低壓力下，而高壓的氣體超聲流量計，在使用前，送實流第三方檢定時，會根據(jù)實流數(shù)據(jù)調(diào)整高壓氣體超聲流量計的內(nèi)部誤差曲線。所以本文主要探討氣體渦輪流量計和中低壓的氣體超聲流量計在不同壓力的計量誤差的變化。這兩類產(chǎn)品，更多的用于有一定壓力下的工商業(yè)用戶，是燃氣公司的重點客戶群，對于燃氣公司的供銷差有直接的關(guān)聯(lián)。

【氣體渦輪流量計在高壓下的計量誤差變化】

氣體渦輪流量計是工商業(yè)用戶中使用最普遍的一種流量計。舉例分析幾臺渦輪流量計，在德國PTB以及荷蘭NMI高壓天然氣標定中心的數(shù)據(jù)，與流量計工廠低壓空氣標定的數(shù)據(jù)對比。

圖1：德國PTB實驗室

圖2：荷蘭NMI實驗室

圖3是一臺進口某品牌氣體渦輪流量計DN300 G4000 ANSI150在荷蘭NMI高壓標定，標定壓力為2.0MPa，紅色為高壓標定誤差曲線，綠色為工廠低壓標定。

圖3：誤差曲線

圖4是一臺德國德聞的氣體渦輪流量計DN100 G250 SN143706 ANSI150在德國PTB高壓標定，標定壓力為2.1MPa，紅色為高壓標定誤差曲線，綠色為工廠低壓標定。

圖4：誤差曲線

圖5是一臺德聞的氣體渦輪流量計DN150 G1000 SN097571 ANSI300在德國PTB高壓標定，標定壓力為2.1MPa，紅色為高壓標定誤差曲線，綠色為工廠低壓標定。

圖5：誤差曲線

圖6是一臺德聞的氣體渦輪流量計DN250 G1600 SN100405 ANSI600在德國PTB高壓標定，標定壓力為5.06MPa，紅色為高壓標定誤差曲線，綠色為工廠低壓標定。

圖6：誤差曲線

對于氣體渦輪流量計，在高壓下的計量精度影響，總結(jié)來說有以下幾個特點：

• 根據(jù)渦輪流量計不同尺寸及G值（流量范圍），有些高壓曲線高于低壓標定曲線，而有些卻低于低壓標定曲線；
• 總體上，隨著標定的壓力升高，標定誤差的曲線變化趨大。相應(yīng)的，如果標定壓力小，標定出來的誤差曲線越接近負壓標定曲線；
• 標定壓力對于誤差的變化，單個流量計隨機性較大。主要原因是在高壓下，對于單個流量計機械加工的差異性，會導(dǎo)致流體狀態(tài)對于精度影響被放大。

【中低壓的氣體超聲流量計在中壓下的誤差變化】

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

圖7：RS系列

圖8：TS系列

圖9是一臺德聞的氣體超聲流量計RS DN50 SN18520014 PN16在重慶高壓實流標定，標定壓力為0.4MPa，藍色為高壓標定誤差曲線，紅色為工廠低壓標定。

圖9：誤差曲線

圖10是一臺德聞的氣體超聲流量計TS DN50 SN18500013 PN16在重慶高壓實流標定，標定壓力為0.5～0.7MPa，藍色為高壓標定誤差曲線，紫色為工廠低壓標定。

圖10：誤差曲線

總結(jié)來說，中低壓的超聲流量計，在中壓實流標定時，流量計的誤差曲線與空氣低壓標定的誤差曲線，略有變化。但變化的范圍還在1級流量計的精度范圍之內(nèi)。對于燃氣公司來說，現(xiàn)場使用的計量結(jié)果是完全可以接受的。

四、國外和國內(nèi)的權(quán)威技術(shù)機構(gòu)和標準對于流量計高壓檢定的要求

【國外機構(gòu)與標準規(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 標準[3]。其中新規(guī)規(guī)定，如果渦輪流量計現(xiàn)場使用壓力在0.4MPa以上，強制出廠高壓標定 。

歐洲標準EN12261[4]，附錄E2.1中寫明，如果流量計現(xiàn)場工作壓力在0～0.4MPa，可以使用大氣壓（低壓）進行標定。如果流量計現(xiàn)場工作壓力在0.4MPa或以上，需要高壓標定，標定的壓力Ptest，實際現(xiàn)場的使用壓力范圍在0.5Ptest～2Ptest之間。

【國內(nèi)機構(gòu)與標準規(guī)定】

目前，中國計量法[5]要求，用于貿(mào)易結(jié)算的流量計，必須通過第三方機構(gòu)標定合格，才能安裝到現(xiàn)場使用，但未對流量計第三方標定規(guī)定按照低壓還是高壓標定規(guī)定，由于第三方高壓實流檢定費用昂貴，國內(nèi)普遍的做法只對高壓超聲流量計，在安裝現(xiàn)場前，送第三方實流高壓檢定。

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

五、不同種類的天然氣計量流量計的技術(shù)性能及高低壓第三方檢定建議

對于長輸管線的計量，使用高壓氣體超聲流量計，很好利用了此類流量計適合大流量、高壓力、精度高等特點，雖然設(shè)備較為昂貴，但對于長輸管線建設(shè)，還是可以承擔的。對于第三方標定，需送實流高壓檢定，實流標定壓力盡量靠近現(xiàn)場使用壓力，修正流量計的誤差曲線，以保證準確的計量精度。

對于城市燃氣的貿(mào)易交接門站或比對計量門站，如用氣量特別大，也可使用高壓氣體超聲流量計。如果門站氣量屬于中等，可使用高壓力等級的氣體渦輪流量計，建設(shè)成本會有一定的節(jié)省，進口的氣體渦輪流量計，也可保證高精度穩(wěn)定計量。同樣，建議使用前送第三方高壓實流檢定。

城市燃氣的工商業(yè)用戶，可選用氣體渦輪流量計和中低壓超聲流量計，氣體渦輪流量計是一種歷史悠久，且適合天然氣計量的流量計，量程比適中，價格合適，穩(wěn)定可靠。對于流量偏小且用氣量波動較大、壓力很小的商業(yè)用戶，可考慮選擇氣體腰輪流量計。而中低壓超聲流量計，集合了氣體渦輪流量計和氣體腰輪流量計的良好性能基礎(chǔ)上，增加了如不卡表、無需定期加油潤滑、遠程診斷精度等諸多優(yōu)點，是未來城市燃氣計量使用流量計的方向。在工作壓力小于0.4MPa,計量性能與空氣低壓檢定的結(jié)果變化很小；而工作壓力大于0.4MPa的現(xiàn)場，條件允許，可考慮將流量計送實流檢定，修正流量計在高壓下的誤差曲線，以保證更準確的計量精度。

參考文獻

[1] 中國天然氣發(fā)展報告（2019）

[2]AGA Report No. 10：2002 Speed of Sound in Natural Gas and Other Related Hydrocarbon Gases美國氣體協(xié)會第10號報告天然氣及其他烷類聲速計算

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

[4]EN12261:2002氣體流量計-渦輪流量計

[5]中華人民共和國計量法實施細則2018修正版

[6]JJG1030-2007《超聲流量計檢定規(guī)程》