與石油共存的天然氣主要是甲烷和乙烷組成的混合物，是一種優質能源和化工原料。在發電、民用、化工、食品加工等行業有著廣闊的前景。據《2001年中國能源發展報告》報道：世界能源專家普遍認為，天然氣資源比石油資源更為豐富，21世紀將是天然氣的世紀，并預計中國天然氣工業將進人黃金發展期。根據第二次油氣資源評價：我國僅油型天然氣儲量就達38萬億m³，2000年產量僅為262億m³ ，在能源消費結構中僅占2.2%，遠低于世界平均水平24%，亞洲平均水平8.8%。為了適應我國可持續發展的需要，加速開發和利用天然氣的時代已經到來。因此對天然氣計量工作的研究。應用和發展就顯得更為重要和迫切。

      1 天然氣流量計量現狀

      國內外天然氣的計量，在流量計的使用上主要有以下幾類：孔板流量計、渦輪和腰輪流量計、渦街和旋進旋渦流量計、超聲波流量計，在用量上以前兩種為主。

      孔板流量計具有標準化程度高、使用簡單可靠的優點，但存在著壓損大，量程比小，安裝要求嚴格，不耐腐蝕，不可以測雙向流、脈動流等缺點。渦輪和腰輪流量計對氣質要求較高，遇氣質雜質受卡而無法計量。渦街和旋進旋渦流量計量程寬、無叫動部件，但其對管網抗于擾能力要求較高，另外旋進旋渦流量計的壓損特別大。超聲波流量計具有量程比大。雙向測量、無壓損、無可動部件和高精度等優點，但其標準不完善，干校后仍需實流檢定，探頭電氣特性的穩定性及探頭的互換性有待于驗證，必須同期送檢（國家原油大流量計量站成都天然氣分站可以標定3.8MPa以下的超聲波流量計〕，從費用和工作量上看，對用戶是個極大的負擔。因此人們期待新型流量計的出現，以更好地滿足天然氣汁量的需要。

      2 天然氣彎管流量計

      以李志教授為學術帶頭人的河北理工學院課題組對彎管流量計的研究工作已有十幾年的歷史，2000年在總結過去十幾年應用成果的基礎上，開始天然氣彎管流量計的應用研制工作。2001年順利通過了與現場進口超聲波流量計的比對，證明它可與昂貴的進口超聲波流量計媲美。2002年9月通過了國家原油大流量計量站成都天然氣流量分站的實流檢定工作。2003年初獲得天然氣彎管流量計計量器具生產許可證（CMC，準確度1.0級）。截止到2003年9月份，天然氣彎管流量計在大慶采油六廠的用量已近20臺套；一年多的現場應用再次驗證了它具有高精度、大量程比、雙向測量、無壓損、無可動部件、耐磨損、耐腐蝕、一次元件長期運行穩定等優良性能，得到了用戶的高度評價。

      3 天然氣彎管流量計工作原理及基本參數

      3.1 工作原理

      流體流經彎管時，由于彎曲管壁的導流作用，其內側流速會逐漸增大，外側流速會逐漸減小。形成了各個過流斷面的梯形速度分布規律，且在彎管45°截面處達到。在流出彎管側流動過程相反。

      根據質量守恒定律、能量守恒定津和動量矩守恒定律，由于各質點流速的變化，就形成了彎管的內外側壓差△p。這個壓力差在45°截面時達到，。流體平均速度v與壓差△P符合平方比例關系，流量愈大，差壓愈大。

     當彎管傳感器的幾何結構尺寸確定之后，只要測取彎管45°面的內、外側壓差△p和流體的密度ρ就可以確定流體的平均流速v。然后計算工況流量和標況流量。

      數學表達式：

      式中：

      3.2 基本參數

      管徑范圍：Ф10～Ф2000mm；量程比：10:1（100:1）；直管段要求：前5D后2D；準確度等級：0.5～1.0級；重復性：0.1%；流速范圍（氣體）：5～160m/s；溫度：≤600℃；壓力：≤32MPa；沒有附加能量損失。

      4 天然氣彎管流量計的系統組成及說明

      4.1 系統組成

      天然氣彎管流量計由12個部分組成，如圖2所示。傳感器由數控機床精密加工而成，是核心部件；二次儀表精度高，具有組分輸入和壓縮因子計算功能；隔離器起到防堵的作用；隔離柵起到安全防爆的作用。

      4.2 系統說明

     （1）彎管傳感器：是機加工而成幾何精度很高的90°彎頭。它是彎管流量計的核心部件。彎管傳感器的內徑D、曲率半徑R、弧長L決定了彎管傳感器的幾何結構尺寸。而采用數控機床加工的彎管傳感器，均可保證各項幾何結構尺寸的高精度、流量計的準確度等級也提高到1.0級，這為彎管流量汁的批量投產、幾何檢定（干校）提供了堅實的基礎。

      彎管傳感器對微量的磨損和結垢不敏感，無需周期檢定。因為微量的磨損對彎管傳感器而言，使得內徑D變大，同時彎徑比R/D變小、根據原理中的公式，彎管流量計實現了自補償，基本不影響測量精度；微量的結垢道理是一樣的，因此彎管流量計對微量的磨損和結垢不敏感；對于特別臟得的介質，長時間運行造成D變小，只要定期清洗即可（可采用蒸汽吹掃方式）。

      根據彎管流量計原理及大量的實驗數據表明，彎管傳感器的量程范圍非常寬，但受到差壓變送器量程和精度的影響，一般確定其量程比為10:1；如果采用雙差壓技術，量程比可擴充至100:1。

      彎管傳感器沒有附加壓力損失．是節能型的流量計。在高壓天然氣的計量中不會引起氣體的節流降壓，也不會造成工藝系統的憋壓，這個優點對于低壓天然氣應用場合是非常可貴的。

      （2）隔離器：在油井采氣和注氣過程中，發現天然氣中有較多的油性物質，易造成導壓系統的根部閥堵塞，系統無法正常工作。為了解決這一問題，在彎管傳感器取壓部位加裝隔離器，油性物質經過取壓口進入隔離器沉積，不會影響系統取壓，經過長時間運行后只需打開隔離器底部的排污閥，沉積物排除即可，經現場運行證明該方法方便可靠。

      （3）二次儀表：流量計必須具備完善的溫度和壓力的測量和補償功能，才能滿足天然氣高準確度的計量需求，所以二次儀表的性能顯得尤為重要；二次儀表的補償運算中關鍵是天然氣密度的計算，而天然氣密度是由其組份和狀態參數（溫度、壓力）確定的。天然氣具有組份的多樣性（受時間、地域、地層深度不同的影響）和不遵循理想氣體狀態方程的特點，在天然氣密度的計算公式中壓縮因子是溫度和壓力的函數，相比較其計算量、最復雜，因此計算天然氣密度的問題實質上就轉變為計算壓縮因子的問題。彎管流量計二次儀表采用GB/T17747－1999（等效ISO12213：1997）的配套算法即AGA8－92DC算法計算壓縮因子，此算法迭代程序復雜、耗時多。例如C語言程序在24MHz的MCS－51單片機中計算一個壓縮因子數值約需8min。經過一系列優化后計算一個壓縮因子也需要70s。因此彎管流量計為天然氣計量配備了功能強大的二次儀表。當然，對于同一氣源，組分相對穩定．壓縮因子不需要經常計算。

      彎管流量計在大慶建立了14臺彎管流量計的數據采集系統網，網絡系統包括高性能的計算機和現場二次儀表、壓縮因子的計算可由控制汁算機完成，這樣就大大提高了整個系統的跟蹤能力。

      5 國家天然氣流量計量站檢定結果

      檢定工作在國家原油大流量計量站成都天然氣流量分站進行．采用從美國CEESI引進臨界流音速噴嘴次級標準裝置檢定，總精度為0.25%檢定樣品為DN100和DN200的天然氣彎管流量計各一臺。檢定結論：準確度等級1.0級。

      5.1 檢定結果圖表分析 

表1   DN100天然氣彎管流量計檢定數據

      由表1可計算檢定結果：基本誤差為0.93%；流量計重復性0.07%；流量計相對示值.90%。 

表2   DN200天然氣彎管流量計檢定數據

      由表2可見，檢定結果：基本誤差為0.99%；流量計重復性0.04%；流量計相對示值.96%。

      5.2 檢定結論

      （1）彎管流量計經過實流標定可以達到準確度0.5級（相對示值誤差）。從檢定的原始數據可以看出所有相對示值誤差均為正值，且基本在0.53%至0.96%之間，說明存在一個系統誤差，通過改變流量系數至原系數的0.9926，即可以保證±0.25%的相對示值誤差，確定0.5級的準確度等級還有相當裕量（見圖3、圖4）。

      （2）彎管流量計不經過實流標定即可以達到準確度1.0（相對示值誤差），所檢定的兩臺彎管流量計檢定前只采用幾何檢定法．檢定中相對示值誤差分別為0.90%和0.96%。

      （3）彎管流量計具有重復性。優于0.1%，兩臺彎管流量計檢定結果重復性分別為0.07%、0.04%。

      6 感謝

      天然氣彎管流量計作為天然氣流量計量的一種新型產品，一出現就展示出了強勁的生命力。這里面凝聚了眾多專家和的智慧和心血。在此一并感謝：感謝王池、謝紀績、段慧明、鄭琦、黃飛、王學文等同志在我們研究天然氣彎管流量計工作中給予的支持和關注；感謝大慶采油六廠的全體同志給予的支持和信任；感謝華陽天然氣流量檢定站的同志們在我們的檢定試驗過程中給予的友情配合。