西气东输管道天然气贸易交接计量系统的设计与应用

工程设 计及标 准 石 油 化 工 自 动 化 ，2 0 0 8 ，1：3 0 AU ToM ATI o N I N PETRo CH EM I CAL I NDUSTRY 西气东输管道天然气贸易交接 计量系统的设计与应用 徐志强 ， 迟彩云 ， 周娟 ( 中国石油天然气 管道工程有 限公 司 ， 河北 廊坊O 6 5 O O O ) 摘要 ： 贸易交接计量系统是天然气输气管道中最重要的测量系统之一。以分析西气东输管道计量系统的设计与应用背 景为出发点 ， 通过 对西气东输管道计量 系统 的创新设计和应用情况介绍 ， 说明该系统 的设计 理念 、 设计 思路 以及技术方案 ， 以期 为今后输气 管道类 似设计或水平提升提供借鉴 和参考 。 关键词 ： 天然气； 贸易交接； 计量系统； 西气东输 中图分类号 ：T P 2 7 3 文献标识码 ：B 文章 编号 ： 1 0 0 7 7 3 2 4 ( 2 0 0 8 ) 0 1 0 0 3 0 0 5 The De s i g n a nd App l i c a t i o n o f t h e M e a s u r e me n t S y s t e m f or Na t u r a l Ga s Tr a d e Of W e s t - Eas t Na t u r e Ga s Tr a n s m i s s i o n Xu Zh i q i a n g，Ch i Ca i y u n，Z h o u J u a n ( CNPC Pi pi n g Eng i ne e r i ng Co Lt d， La n gf a ng，0 6 5 00 0， Chi na ) Abs t r a c t ：Th e t r a d e me a s ur e me n t s y s t e m i s t h e o ne of t he mos t i mpo r t a n t m e a s ur e me nt s y s t e m s i n n a t u r a l g a s t r a n s m i s s i on pi pe l i n e s To t a ke t he de s i g n a nd a p pl i c a t i on o f t he m e a s u r e m e nt s y s t e m o f we s t e a s t n a t ur e g a s t r an s m i s s i on a s a n e x a mpl e。t h e ne w de s i g n a nd a pp l i c a t i o n i n t he m e a s u r e m e n t s y s t e m i s i n t r o duc e d，t he d e s i gn c o nc e pt ，de s i g n i de a a nd t e c h ni c a l s c h e m e of t he s ys t e m i s de s c r i be d Ke y wo r ds ：na t u r a l ga s；t r a de ha nd o v e r；m e a s ur e me n t s y s t e m ；w e s t e a s t na t ur a l ga s t r a ns m i s s i o n 1 引 言 西气东输管道是中国迄今为止建设规模最大的 一 条天然气输气管道， 也是倍受世人瞩 目的本世纪 初中国 “ 四大重点工程” 之一 。本文将从计量系统 设计原则、 系统功能设计、 可靠性设计 、 系统配置 、 系 统准确度、 系统标定等方面 ， 介绍西气东输管道天然 气计量系统的设计理念和技术方案 ， 同时对计量系 统在该管道的实际应用情况进行阐述与分析。 2设计 与应 用 背景 西气东输管道横贯中国东西部 ， 是 目前国内设 计压力最高( 1 0 MP a ) 、 管径最大 ( 1 0 1 6 mm) 、 输 送距 离最 长 ( 干线 近 3 9 0 0 k m) 、 跨 越地 域 最 广 ( 1 0 省 市) 、 沿线分布站点最多的一条天然气管道。在 该管道设计初期 ， 具有分输功能的站场共计 2 8座 ， 下游用户达 4 0多个 ， 以城市燃气和工业用户为主 。 目前在 国际上天然气贸易计量交接有 3种体 系， 一是体积量计量 ， 以标准参 比条件下的体 积量 作为结算单位 ； 二是质量计量 ， 以天然气质量 作为 结算单位 ； 三是能量计量 ， 以天然气发热量作为结 算单位 ， 按质论价。 针对西气东输管道沿线用户多， 各用户用气量 和用气量范围差异较大 ， 管道输气压力较高等其他 管道未曾遇到的情况， 对该管道的计量系统在准确 性 、 可靠性 、 安全性 、 适用性 以及可操作性等方面提 出了更高的技术要求。经过技术经济 比较 ， 西气东 输管道在不同的分输站采用了当今技术先进 的气 体超声流量计或气 体涡轮流量计作为贸易计量仪 表 ， 并配置了在线气相色谱分析仪 ， 为各站分输 天 然气 的准确计量以及今后采用能量交接方式 与国 际接轨奠定 了坚实的基础 。 3计量 系统设计 3 1 设计 原则 该计量系统设计 的基本原则 ， 首先是要保证站 场安全、 输气可靠。计量系统 中所有承压设备及部 件至少应与站场管道及设备的设计压力相同 ， 并且 收稿 日期 ： 2 0 0 7 1 O 一 1 1 ( 修改稿) 。 作 者简介 ；徐志强 ， 男 ， 现工作于 中国石油天 然气工程 有限公 司 ， 一直从 事油气 长输 管道的仪 表和 自动控制 专业 的设计 和咨询 工作 ， 任 高级工程 师、 础总工程师 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 徐志强等 西气东输 管道 天然气 贸易交接计量 系统的设计与应用 不得带压进行拆装 ； 其次是在符合计量法规 的前提 下 ， 满 足 与沿线 各 用 户 的 贸 易交 接 条 件 ， 即根 据 国 内外天然气输气管道 贸易计量系统的使用现状及 发展趋势， 选择合理的计量仪表和计量系统配置方 案 ， 使其适于该管道高压力 、 大流量 、 量程 比大的特 点 ， 并能适应将来计量交接方式的转变 ； 再有 就是 在技术先进及经济合理的前提下， 以提高设备性能 和优化系统结构来提高计量 系统 的准确度和管理 水 平 ， 维护 供需 双方 的经 济利 益 。 计量系统的设计原则还应符合整条管道的自动 控制要求 。在进 行 系统 配置 、 设 备 选 型 以及 操作 方 式设计时， 应充分考虑与管道总体 自动化及管理水 平协调一致， 确保该系统投用后具有较高的可靠性 和可操 作性 。此 外 ， 计 量 系统 设计 还 应 与 国 内天 然 气实流标定能力相结合 ， 确保量值的传递与溯源。 总之 ， 计量系统 的设计应当尽量使输气管道能够 以 最经济合理的运行成本 、 最优的工况正常运行。 3 2 计量 系统 功能 设计 3 2 1 系统基本 功能 根 据 天然 气 管道 计 量 系统 发 展 需 要 以及 西 气 东输管道确立的计量系统设计原则， 对西气东输管 道计 量 系统 的基本 功能 确定 如下 。 f1 )由于西气东输管道 的计量 系统在大流量 、 高压力的工况下运行 ， 采用国际通行的先进标准能 够更好地确保其质量 。根据相关标准， 计量系统可 以完成 标 准体 积流 量 、 能量 流 量 等 瞬 时 工 况 流 量 、 瞬时标况流量的计算以及各 自的累积流量计算 ， 并 进行显示 、 记录和存储。 b )采用量程 比大且具有较高准确度 的流量计 量仪表 ， 在其正常流量范围内准确度按0 5 考虑 ， 计量系统准确度争取优于 1 0 。 c )计量系统不但能完成设计最大流量下的准 确 计量 ， 而 且应保 证 小流 量时 的准 确计 量 。 d ) 计 量 系统 具 有 在 线 比对 和 在 线标 定 功 能 ， 能及时纠正输气过程 中的计量偏差 以及定期对流 量计 进行 在线标 定 。 e ) 计量系统采用流量计算机 的计 算结果与下 游用户进行贸易交接 。流量计算机能够存储 系统 工作中的累积流量、 压力 、 温度 、 报警等数据资料 。 f )计量 系统 中配置在线气相 色谱分析仪 ， 既 可以提高系统计量的准确度 ， 又在满足体积量交接 要求的同时具有能量交接( 热值计算) 的功能。 g ) 设 置贸易管理系统 ， 以各站计量 系统数据 为基础 ， 为企业的商业运营提供贸易管理平台。 h ) 计量系统需与管道 S C ADA系统进行数据 交换 ， 由 s C ADA系统对其进行统一监视 、 操作与 管理 ， 并对流量计算机进行时钟同步。 3 2 2贸易管 理 系统 在西 气 东输 管 道 调 度控 制 中心 设 置 1套 电子 流量 管 理 系 统 E F M ( E l e c t r i c F l o w Ma n a g e me n t S y s t e m) 作为贸易管理系统。该系统从 S C ADA系 统实时数据服务器获得所需 的各站计量数据 ， 用于 对全线天然气交接、 销售及输送的管理。采用与现 场流量计算 相一 致 的流量计 算标准 ， 计 算管存气 量 、 销售 的商品气 量、 输气损耗及其他未计入的气 量 ， 并进行统计 、 记 录以及对各 站计量系统的数据 进行核查和比对 ； 为公司财务提供所需的数据， 提 供用户查询所需 的数据 ， 完成贸易结算所需的功能 并将数据存档 。根据管道进气量计 划和各个用户 的用 气计 划 、 实际 进 出的气 量 、 天然气 的热 值 、 市场 价格 、 用气合同价格 、 市场预测等 因素制定未来 的 销 售策 略及计 划 。 3 3 计 量 系统可 靠性 设计 f1 ) 计量系统中至少配置一路备用流量计及其 配套设备 ， 以便在其 中 1套计量设备发生故障或进 行标定 时 ， 不影 响与 下游 用户 的正 常 贸易计 量 。 b )计量系统 中的每条计量管路上 的仪表 ( 如 压力变送器、 温度变送器) 均独立设置 ， 流量计算机 与流量计一对一配置 ， 保证每条计量管路均可独立 运行， 避免“ 一损俱损” 的情况发生。 c ) 计量系统在 现场设置 比对 流程 ， 同时 ， 管 道调 度控制 中心 的 E F M 系统与各站场的计 量系统进行实 时比对、 校验， 以便及时发现系统偏差和故障。 d )每台流量计算机与气相色谱分析仪均采用 点对点数字数据通信方式， 提高了流量计算机采集 气体组分信息的及时性 、 准确性和可靠性 。 e ) 计量系统的数据能够在流量计算机 中至少 存储 3 0天 ， 同时在站控 制系统及管道调度控制中 心的 E F M 系统中存储计量系统的重要数据 ， 以保 证在异常情况下系统 的重要历史数据不丢失。 f ) 计 量 系统 及 S C ADA 系统 均设 置有 运 行 人 员的管理权限及操作记录 ， 保证计量系统数据不被 人 为修 改 。 g ) 计 量 系统 具 有 自诊 断 功 能 ， 能 够 对 系统 运 行 中出现 的异 常情况 进行 报警 、 记 录 和分析 。 h ) 对计量 系统 中的电源 、 信号传输通道设置 防浪涌保护功能 ， 避免雷 电感应引起的过电流与过 电压 损坏 系统 设 备 。 3 4 计 量仪 表选 型 计量仪表的主要选型依据是流量范围、 准确度 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石 油化 工 自动 化 等级 、 使用条件 、 输量递增台阶、 价格等因素。根据 上述对国际上流行 的天然气计量仪表 的性能及使 用情况对 比。考虑到气体超声流量计在性能和使 用方面比气体涡轮流量计具有更 高的可靠性和可 操作性 ， 西气东输管道计量 系统 ， 在流量计 口径不 小于 DNI 5 0时采用气体超声流量计 ， 流量计 口径 不大于 DNI 5 0时采用气体涡 轮流量计 。鉴于 当 时国内对气体流量计 的标定能力以及拟建 的西气 东输计量测试中心设计规模和移动标定设备标定 站控制室 能力， 同时考虑尽量减少全线设备的规格及价格 因 素 ， 西气东输管道贸易计量流量计的口径选择最终 按 照不 宜大 于 DN3 0 0设 计 。另 外 ， 流 量计 在 选 型 计算时要求 ：气体 在超声 流量计 中的最大流速不 应大于 2 5 m s ， 气体在涡轮流量计 中的最大流速 不 应大 于 1 5 m s 。 3 5系统 配置 为完成西气东输管道计量系统所要求的功能， 计 量系统按照图 1 进行配置( 以 2 路计量管路为例) 。 I 接 放 空 汇 管 图 1 天 然 气计 量 系统 配置 注：1 强制密封球阀 ； 2 升压阀 ； 3 氮气注入阀； 4 整 流器 ( 超声流量计 ) ； 5 流量计 ( 超声或涡轮流量计) ； 6 普通球阀 ； 7 比对阀( 强制密封球 阀) 图 1中 ， 气 体超 声 流量计 的 上游直 管段 长度按 3 0 D设计 ， 气体 涡轮流量计 的上游直管段 长度为 1 0 D( D为流量计内径) 。 为 避 免现 场 安 装 的不 确 定 因 素对 计 量 系统 准 确度造成影响， 西气东输管道计量系统按照成套方 式设计及供货 。流量计及计量管路、 流量计算机 、 气相色谱分析仪等系统设备及配件 ， 均在工厂安装 并完成整体试验后 ， 按成撬方式运到现场安装。 根据各用户的用气需求及可靠性设计原则 ， 计 量系统按照一用一备或多用一备的方式配置 ， 以便 在其中 1 套流量计发生故障或进行标定时， 不影响 天然气流量的正常计量， 同时满足输量递增台阶以 及 用 气量 波动 的工况 。 在投 产初期 及投 产 后 的一段 时 间 内 ， 各 分输 站 下游用户的用气量可能很小( 具体用量无法估计) 。 另外， 用气量变化范围比较大的下游用户( 如城市燃 气用气 ) ， 在 用气低峰 时天然气 流量较 小 。针 对上 述 情况 ， 为了既适应流量变化 ， 又保证计量系统的准确 度 ， 对其中一些分输站的计量系统增设 了较小 口径 的流量计 ， 流量计的类型保持与正常使用 的流量计 一 致， 以满足实际流量超出流量计正常工作范围时 的流量计量 ， 尽量减少计量不准确造成的经济损失。 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 徐 志强等 西气东输管道天然气贸易交接计量系统的设 计与应用 每台流量计成套配置 1台流量计算机。流量计 算机除接收流量检测信号外 ， 还接收来 自其他检测仪 表的压力 、 温度、 气体组分等信号， 并根据有关标准进 行 计算 ， 将工况流量转换 为标 准状态下 的体 积流量或 能量流量。流量计算机还能完成流量的指示、 累计、 存储等功能， 并与 S C A D A系统进行数据通信。 3 6 计 量 系统数 据传 输 气 体超 声 流 量 计 的 流 量 检 测 信 号 通 过 R S一 4 8 5 通信接 口， 采用串行数据通信方式传输到配套 的流量计算机。气体 涡轮流量计输出 3路 高频脉 冲信号 ； 2路传输到配套的流量计算机； 另一路高 频脉冲信号输出至站控制系统并传送到管道调度 控制 中心 的 E F M 系统 。 E F M 系 统接 收来 自气体 超 声流量 计 或气 体 涡 轮流 量计输 出的流量 信 号 ， 同时接 收相应 的流量 计 算机输出的压力、 温度信号以及气相色谱分析仪提 供的组分信息 ， 经与流量计算机相 同的标准进行流 量计 算后 ， 将 其结果 与 站 内流量 计算机 的计算结 果 进行 比较 ， 完成计量系统的实时比对与校验功能。 流量计算 机和 气相 色谱 分析 仪均 采用 R S一 4 8 5 通信接 口相互问及与站控制系统问进行通信 ， 通信 协 议 为 Mo d b u s 。站 控 制 系 统 将 所 接 收 到 的 流量、 压力、 温度等信号处理后传送给调度控制 中 心 的 E F M 系统 。 3 7 计 量 系统 准确度 西 气 东输 管 道 贸 易交 接 计 量 系统 的流 量 计 准 确度等级按国家标准统一归类为 1 0级 ， 计量系统 的整体准确度等级按照优于 1 0级设计 。 所 选用 的 流量计 工作 在分 界流 量 点 q 与最 大 流量 q V m 之 间时 准 确 度 为 0 5 ， 工 作 在 q 与 流 量计 最小 流量 q V m i n 之 间时 准 确 度为 1 0 。其 中 ， 气 体 超声 流 量 计 的分 界 流量 点 为 1 0 q v ， 气 体 涡轮流量计的分界流量点为 2 0 q 。 为保证计量系统的准确度， 西气东输管道计量系 统中配套仪表及检测参数的准确度要求如表 1 所列。 表 1 配套仪 表及 检测 参数的准确度要求 测量仪表 变量名称 准确度 流量计 温 度 压 力 压缩 因子( 计算准确度 ) 密度 热值 0 5 士 0 1 0 0 7 5 0 2 5 0A 0 2 5 0A 0 5 0A 3 8 计 量 系统标 定 气 体 超声 流 量 计 和气 体 涡 轮 流量 计 同属 于速 度式流量计 ， 因此西气东输管道计量系统设计中的 流 量计 检定 主要 参照 J J G1 9 8 1 9 9 4 速度 式流 量计 检 定 规 程 和 AGA Re p o r t No 7 ， No 8 ， No 9以 及 I S O TR 1 2 7 6 5 等规范。 西气东输管道计量系统设计时要求 系统中的 流量 计在 出 厂 前进 行 1 0 0 干 标 和 样 气 ( 如 空 气 ) 标定 。按每 种 规 格 1 0 随机 抽 样 ( 由业 主 指 定 的 代表 抽样 ) 进行 实 流 标 定 ， 进 行 实 流标 定 的流 量 计 其每 种规 格不 少 于 1台 。流 量 计在 安 装 前 须 在 国 内被授权的法定计量标定部门进行 1 0 0 9 6 实流标 定 。 因西 气东 输 计量 测 试 中心 未 能 与 管 道 同步 建 设 ， 西气东输管道各分输站实际使用的流量计全部 在经 国家计量局认可的国外权威计量标定部门进 行 了 1 0 0 实 流标 定 。 实流标定 的工况要求与实际使用的工况类似 ， 如流量、 压力 、 温度、 气体组分等， 并要求提供标定 装 置 的测量 不 确定 度数 据 。西 气 东 输 管 道 计量 系 统 要 求 对流 量计 的下列 流 量点 进 行实 流 标定 ： q v m 。 ， 0 1 q v m ， 0 25 q m ， 0 4 q v m ， 0 7 q m ， q m 。 流量计实流标定后 ， 采用标定系数消除仪表的 偏差 ， 使流量计 的性能达到最佳。 在西气东输计量测试 中心建成投用之前， 已使 用 的流量 计及 计 量 系统 将 采 用 计 量 测试 中心 购 置 的移动标定车对其进行在线标定 。 3 9 计 量 系统与调 压 系统 之 间的关 系 通 常 ， 在 天然 气输 气管 道沿线 的分输 站 中均具 有计 量 和调 压功 能 。相 对 于控制 阀 ， 站 内流量 计 的 安装 位 置对计 量 系统 的 性 能 影 响较 大 。流 量计 宜 安 装在 控制 阀 的上游 。 气 体 超声 流 量 计 和气 体 涡 轮 流量 计 均 为 速 度 式流量计。对该类流量计而言， 在流量计进 口和出 口处 ， 特别 是进 口处 ， 被 测气 体 的流 动 状 态 对 测量 的准确 度影 响较 大 。如被 测气 体 的流 态为脉 动 流 、 非均匀 速 度分 布或 有较大 的漩 涡 ， 将极 大地 增加 流 量计 的 测 量 不 确 定 度 。另 外 ， 针 对 气 体 超 声 流 量 计 ， 来 自被测介质内部的噪声也会影响流量计的准 确测 量 ， 这一 点 往 往有 可能 被 忽 略 。在 分 输 站 中 ， 控制 阀 是产生 上述 不利 条 件 的主要设 备之 一 ， 特别 是在大差压的工作条件下。控制 阀除对流态的破 坏以外 ， 其产生的噪音能量主要 向下游传播。 从 上 面的分 析 可以看 出 ， 将控制 阀布置在 流 量 计 的下 游则 可大 大削 弱其 对计量 的 不利影 响 ， 更有 利于计量系统的稳定性及准确计量。另外 ， 控制阀 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石 油 化 工 自动化 2 0 0 8正 的上游侧相对压力较高 ， 流量计 的 口径可适 当减 小 ， 既 能减 少计量 系统 的投 资 ， 节省 占地 面积 ， 又便 于维护和维修 ， 且易于标定 。 此 外 ， 当分 输站 的下游 用 户与 上游 管道 在差 压 较大的条件下投入运行时， 利用安装在流量计下游 的控制 阀可完成限流功能 ， 以保护流量计不会 因过 负载而被损坏 。 4计 量 系统应 用 4 1 正 常运行 方式 西气 东 输 管道 计 量 系 统按 照 在正 常情 况 下 无 人操作原则进行设 计。计量系统的流程 由所在站 场的站控制系统 自动进行控制。正常情况下， 由站 控制 系统采集计量 系统 的运行参数 ， 如 ：流量、 压 力、 温度 、 阀门工作状态等信息 ， 根据调度控制中心 的命令 自动启动适 当的计量管路 。当正在运行 的 计量管路 出现故障时 ， 站控制系统将计量管路 自动 切换到备用管路 ， 以保证计量 系统 的正常工作 ， 同 时保证连续地 向下 游用户供 气。当投产 、 重新启 动 、 设备检修以及流量计现场标定 时， 流程切换将 由人工现 场手 动完 成 。 4 2 流 量计 运行 台数 选择 及低 流量 运行 操作 在计量系统设置备用流量计 的站场 ， 当分输天 然气瞬时流量不小于单台流量计额定最大流量的 8 0 时， 由站控制系统 自动打开第 2台流量计所在 计量管路 的阀门， 增加 1台流量计工作； 若流量再 增 加 则再 投 入 1台 流量 计 ， 以此 类 推 。反 之 ， 当 分 输天然气瞬时流量总和不大于单 台流量计额定最 大流量 的 4 0 时 ， 站 控制 系 统 自动 关 闭 1路 计 量 管路的阀门， 减少 1台流量计工作 。为防止信号干 扰造成的频繁切换 ， 站控制 系统进行上述操作时 ， 均需延时 6 0 S以上才动作 。 在设置较小 口径流量计的站场， 应在低流量时 使用小口径计量设备。即当分输 天然气 瞬时流量 不大于正 常使用 的单 台流量 计额 定最 大流 量 的 3 0 ， 并持续 6 0 S以上时 ， 由站控制 系统 自动切换 到 小 口径 计量 管路 ； 当分输 天然 气 瞬时 流量不 小 于 小 口径流量计额定 最大流量 的 8 0 ， 并持续 6 0 S 以上时 ， 站控制系统 自动将计量管路切换到正常使 用 的流量 计 管路 。 4 3 计 量 系统投 用及 设 备检修 后 的操 作方 法 计 量 系统设 备首 次投 用 时 ， 为 防止 流量 计超 速 运行对设备造成损坏 ， 尤其是涡轮流量计最多只能 在短时间内承受 2 0 的过载量 ， 在实际操作时 ， 应 通过流量计上游截断 阀处安装的小 口径旁路进行 缓慢加压 ， 使流量计缓慢启动， 直到正常运行。 当某计量管路 中的设备进行检修或更换时， 需 关 闭该路 流 量计 的上 、 下 游 截 断 阀 ， 放 空 管 道 中 的 天然气 ， 使管路及设备处于安全状态下进行相应的 操作。在设备检修或重新安装后， 先