國內(nèi)在能源和資源的開發(fā)利用及國際合作中，對于大口徑、大流量流量計標(biāo)準(zhǔn)裝置的需求十分突出。計量交接逐步發(fā)展為集中式、大口徑、高氣量的貿(mào)易交接方式，大流量天然氣的計量方式也已由單一的孔板流量計發(fā)展到孔板、渦輪、超聲流量計共用的格局。綜合分析現(xiàn)有的天然氣大流量計量方式，對比研究孔板、渦輪以及超聲流量計的優(yōu)缺點，得出流量計在大流量計量方面的適用性以及流量計的發(fā)展趨勢，以達(dá)到合理有效地使用各類計量儀表的目的，提高天然氣的交接計量精確度。
近幾年，國內(nèi)天然氣產(chǎn)量增長較快，流量計量在國民經(jīng)濟中的作用也更加明顯。隨著西氣東輸三線、四線的動工，預(yù)計到到2019年，這2個管線建設(shè)以后，初步形成的天然氣管網(wǎng)輸氣能力將達(dá)800多億m3。同時，天然氣在一次能源結(jié)構(gòu)中的比重也在加大，預(yù)計到2015年前后，國內(nèi)天然氣的利用在能源結(jié)構(gòu)中所占比例將達(dá)到10%以上。
據(jù)統(tǒng)計，2008年國內(nèi)用于天然氣計量的器具為900多臺，預(yù)計2015年將可能達(dá)到2300多臺。從整體上來看，在流量計使用上，20世紀(jì)70年代形成了孔板使用高峰期，20世紀(jì)80年代形成了渦輪流量計使用的高峰期，20世紀(jì)90年代中后期則形成了使用超聲流量計的高峰期。
1 天然氣計量類型
在大流量計量方面，目前國內(nèi)外采用的流量計主要有3種類型：超聲流量計、渦輪流量計和孔板流量計。
1.1 超聲流量計
氣體超聲流量計的應(yīng)用始于20世紀(jì)90年代，以前主要是用于液體測量，在超聲流量計應(yīng)用于氣體測量上，由于氣體聲阻抗大，氣體聲能衰減大這個課題一直未能得到很好的解決，氣體超聲的發(fā)展由此受到限制。20世紀(jì)80年代以來，隨著高速數(shù)字信號處理技術(shù)和先進的壓電陶瓷技術(shù)的發(fā)展，氣體超聲流量計測量天然氣技術(shù)有了突破性進展。
超聲流量計根據(jù)換能器數(shù)量分類，目前氣體超聲流量計有一至六聲道流量計；根據(jù)超聲波在管壁上的反射情況，又可分為直射、單反射和雙反射3種。目前，超聲波流量計一般都采用單反射技術(shù)，計量不確定度為1.0%～2.0%。圖1中，五聲道超聲流量計有3個聲道采用單反射技術(shù)，2個聲道采用旋轉(zhuǎn)方向相反的雙反射技術(shù)，對旋渦流的流量測量準(zhǔn)確度較高。
1.2 渦輪流量計
在歐洲和美國，渦輪流量計是繼孔板流量計之后的第二個法定天然氣流量計，已經(jīng)發(fā)展為多品種、全系列、多規(guī)格，批量生產(chǎn)規(guī)模的天然氣流量計。渦輪流量計在用量上是僅次于孔板流量計的天然計量儀表，僅荷蘭在天然氣管線上就采用了2600多臺各種尺寸儀表。
圖1 五聲道超聲流量計結(jié)構(gòu)圖
渦輪流量計由渦輪流量傳感器及與之配套的計算儀表構(gòu)成。主要研究工作集中于渦輪流量傳感器本身和其信號的處理方法。Shafer、Furness、Baker、Da-vid曾分別對渦輪流量傳感器研究工作進行過總結(jié)，提供了非常有價值。
為了提高渦輪流量計的計量性能和適應(yīng)性，不同廠家都對渦輪進行了改進，目前有如下產(chǎn)品：雙葉輪，提高渦輪的可靠性；鋁合金葉輪，提高渦輪的靈敏度和抗沖擊能力；一體化整流器，提高渦輪的準(zhǔn)確度和和抗沖擊能力；密封式軸承，提高渦輪的抗臟污能力。
1.3 孔板流量計
孔板流量計是在20世紀(jì)初即使用的天然氣流量測量儀表，經(jīng)過1個世紀(jì)的發(fā)展過程，它已經(jīng)是國內(nèi)外研究得最早、最細(xì)，使用經(jīng)驗最豐富，試驗數(shù)據(jù)最多，標(biāo)準(zhǔn)化程度最高的計量儀表。據(jù)估計，國外約占60%，國內(nèi)占80%以上，數(shù)據(jù)點多（16000多個），不過隨著超聲流量計在國內(nèi)的逐漸使用，孔板流量計所占比例有所下降。
目前，眾多新型流量計的出現(xiàn)對孔板流量計形成了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，為著保持其主導(dǎo)地位，其功能在積極地完善著，現(xiàn)列舉如下：
（1）孔板流量計配套的二次儀表部分。差壓變送器和流量計算機在微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、新材料、新工藝的迅速發(fā)展下，性能及可靠性顯著提高。
（2）定值節(jié)流件的采用。定值節(jié)流件是指對每種通徑測量管道配以有限數(shù)量的節(jié)流件。節(jié)流件的p值（直徑比）則按優(yōu)先數(shù)系選用，節(jié)流件實現(xiàn)批量生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，為擴大使用創(chuàng)造條件，給用戶帶來方便等。
2 優(yōu)缺點對比
各種流量計的分析、對比結(jié)果如表1所示。表1中，D為管徑，ρ為管道輸送介質(zhì)的密度，C為壓力損失系數(shù)。
表1 流量計比較表
3 實用性分析
天然氣計量儀表的選用首先要遵循一個基本的原則，就是所選用的計量儀表一定能夠滿足和用于現(xiàn)場實時計量。在選用流量計之前，首先需要摸清用戶近期和遠(yuǎn)期的用氣情況，每日調(diào)峰和季節(jié)性調(diào)峰多少及現(xiàn)場的實際工藝情況，然后才可以確定選用何種流量計，從而確定所選儀表的規(guī)格、型號。具體需考慮的因素以及各流量計的性能對比如表2和表3所示。
表2 天然氣流量計選型依據(jù)
表3 流量計性能比較表
通過以上比較及目前的發(fā)展趨勢可以看出，氣體超聲流量計將是未來天然氣大流量交接計量儀表的主流。使用氣體超聲流量計測量天然氣流量，尤其是在高壓大流量貿(mào)易交接計量的場合，有較高的技術(shù)經(jīng)濟效益。多聲道超聲流量計己被氣體工業(yè)界所接受，可在天然氣貿(mào)易交接計量中應(yīng)用。目前，己部分取代了孔板流量計、渦輪流量計等傳統(tǒng)的氣體流量計量技術(shù)。超聲流量計解決了大管徑、大流量及各類明渠、暗渠測量困難的問題。
目前，國內(nèi)外在對渦輪流量計用于天然氣測量的選用比例上也在不斷上升。由于其具有高精度和寬量程等諸多優(yōu)點，在國內(nèi)成為對中低流量和城市燃?xì)庹{(diào)峰計量的首選儀表。
孔板差壓流量計的結(jié)構(gòu)簡單、壽命長、成本低等特點更適合國情，而且使用量仍占80%以上。采用先進的智能變送器、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)，計算機技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)等進行技術(shù)改造，是孔板差壓流量計的發(fā)展方向。
4 結(jié)束語
預(yù)計到2015年前后，國內(nèi)天然氣的利用將在能源結(jié)構(gòu)中所占比例達(dá)到10%以上。因此，努力搞好天然氣計量工作尤為重要。其意義體現(xiàn)在：搞好天然氣的精確計量有利于以天然氣為原料的化工企業(yè)分析原因，改進工藝流程更新設(shè)備，達(dá)到節(jié)能降耗的目的；為在計量上與國際接軌創(chuàng)造有利條件；為計量交接雙方提供公平合理的計量數(shù)據(jù)。
天然氣計量技術(shù)發(fā)展趨勢：智能式流量計的發(fā)展，微型、微功耗計算機在流量計二次儀表的使用，可利用校準(zhǔn)技術(shù)提高流量計的準(zhǔn)確度和拓寬量程；大流量計量將使用工作原理簡單、受安裝和環(huán)境條件影響小、準(zhǔn)確度高的流量計；各種類型的流量計有其工作原理和計量特性，在不同工作條件下使用不同工作原理的流量計；在國內(nèi)，超聲流量計、渦輪流量計及孔板流量計將在大中流量計量中成為主流流量計。小口徑超聲、腰輪等寬量程流量計將在用量波動大的民用氣計量中發(fā)揮作用。
