天然气的流量计量（一）——我国天然气工业的发展
天然气的流量计量（一）
——我国天然气工业的发展
孙淮清
1．二十一世纪为天然气的世纪，天然气是优质的燃料和化工原料。作为燃料，它燃烧完全，单位发热量大，燃烧后产物对环境影响小；作为化工原料，它洁净，质优，成本低，可用它生产多种精细化工产品和高附加值产品，天然气的以上特性是它深受用户青睐的原因。天然气在世界能源结构中所占的比例不断上升，据统计1970年为17.7%，1980年为18.8%，1990年为21.5%，2000年为 22.3%，预计2010年为24.3%。
19世纪煤经历100年超过柴薪成为第一能源；20世纪石油经历 60年超过煤；天然气将用40年在2010年至2020年超过石油成为第一能源。全球天然气可采储量现在己达145万亿立方米，目前年产量约为2.2-2.3万亿立方米，储采比高达65，丰富的资源为天然气工业的发展奠定了坚实的基础；目前有两大趋势正在促进天然气消费量的增加。首先是各国政府为保护环境正在大量地以天然气替代传统的能源煤和油；其次是正在开拓天然气新的应用领域（如作为车用燃料）。由此在1987年至1997年10年中天然气的消费量已增长25%，而油品为15%，煤则为4.5%。为克服天然气生产地区和消费地区地理位置相距遥远的困难，液化天然气（LNG）己成为天然气国际贸易中的重要产品，年贸易量约为1000亿立方米，而其价格己可与油品相竞争。随着管道建设和储运技术的进步，输气成本亦在不断下降，因此天然气的贸易量亦在上升，目前已达到约4400亿立方米左右，约占总量的20%。
2．我国是天然气资源丰富的国家之一，天然气远景储量约达38万亿立方米，其中陆上占79%，海上占21%。虽然我国有丰富的天然气资源，天然气的利用却严重滞后，在能源结构中仅占约2%，而工业发达国家一般为30-40%。我国仍然处于以煤为主的能源结构，随着国民经济快速发展，己带来一系列严重问题，如环境恶化，交通运输不堪重负，人民生活质量不高等。由于我国油资源己不能满足经济发展的需要，我国己成为油品进口国，并且进口比重在不断上升。能源结构调整已迫在眉睫，国家确定能源结构将进行战略性调整，使煤、油、气的应用比例趋于合理。目前启动的西气东输工程就是能源结构调整的序幕，今后几十年内天然气的使用百分比将持续快速地上升，在2015年前后，预计将达到10%以上。
3．西气东输工程主要是指新疆塔里木盆地等西部的天然气输送到上海以及整个长江三角洲地区的工程。整个工程包括上游气田开发，输气管道干线建设和下游利用配套建设。西气东输工程是一项上中下游一体化的特大型国家基础工程，它与西电东送，南水北调，青藏铁路并列为世纪初我国四项伟大工程，是西部大开发的重要组成部分，它将对我国国民经济发展起到有力的促进作用。
塔里木盆地面积56万平方米，天然气资源量8.39万亿立方米，占全国天然气资源量的22%，占全国陆上天然气资源量的28%，是我国天然气资源最丰的盆地之一。据国土资源部油气储量评估中心评审认定，作为西气东输主供气田所在的库车-塔北地区，探明储量为3900亿立方米（包括中国石化集团的250亿立方米），可采储量2700亿立方米，基本可满足向长江三角洲以及沿线地区年供120亿立方米商品气，预计稳定供气11-13年，经过进一步勘探，从塔里木盆地资源条件看使累计探明储量达到7900亿立方米，实现年供200亿立方米供气30年是可能的。
西气东输主干线西起塔里木盆地的轮南油气田，向东经过库尔勒、鄯善、哈密、柳园、张掖、武威、干塘、中宁、靖边、柳林、郑州、尉氏、淮南、南京和常州，最终达到上海；全长4167公里，途经九个省市区，输气压力8.4 Mpa，管线直径1016毫米，总计年输气量120亿立方米，稳定供气30年，最终达到年输气量200亿立方米。预计2003年底全线贯通。由于天然气市场开拓是一个渐进过程，预计用户达到120亿立方米，输气管道设计负荷时间为7-8年。
西部天然气的开发除西气东输工程外，目前已建成陕京天然气管线，还建青海涩北到甘肃兰州，重庆忠县到湖北武汉的天然气管线，工程建设正在论证规划中。
根据天然气用气市场需求，工程拟建若干条支线管道，其中合肥—定远，常州—杭州，南京—芜湖支线纳入干线建设。工程的输气站场有工艺站场31座，其中：首站1座，中间压气站17座，分输站10座，末站1座，清管站2座。西气东输上中下游总投资初步估算为 1463亿元左右。
4．西气东输工程对过程检测控制仪表的需求
天然气是埋藏于地下，通过气井开采出来的烃类和少量非烃类混合气体的总称，必须经集气，气液分流，单井计量，脱硫，脱水，回收轻烃，膨胀制冷，换热，吸附和精馏，外输计量等工艺加工处理过程后才能保证气体混合物的露点，水含量，热值含量，CO2和H2S的最大允许浓度等技术规定，成为商品天然气销售给天然气管道公司，管道公司作为储运部门将天然气输送到各城市，由城市天然气公司经城市管网销售给用户，整个天然气集输，加工处理，储运销售，综合利用需要众多的过程检测控制仪表。
4．1．上游气田检测控制仪表的要求
塔里木气田地面建设一期产能建设规模为每年120亿立方米和90万吨轻烃。大约开发250口到300口气井，气井压力均在45Mpa以上，需建立15-28个天然气集气站和4-6个天然气处理厂，这些地面工程需有配套的检测控制仪表。
l） 单井计量和监控技术，必须监测单井的产气量，产液量，压力，温度和含水率等参数，井口的检测仪表处于极为恶劣的工作环境下，如高压（45Mpa以上），腐蚀（含有CO2、H2S多等腐蚀介质）混相（含有轻烃类和饱和水蒸气等）。
2）集气站的过程检测和SCADA（Superrisory control and data acquisition）（管理控制数据采集系统）
集气站的功能是将几个至十几个单井气集中到站进行净化处理，脱去天然气中的水分和酸性气体，这些工艺过程需要的仪表与化工厂相类似，有压力，温度，流量，液位，界位，天然气密度，露点等检测和控制，SCADA系统除控制集气站的处理工厂外，还应通过RTU远距终端装置远距离监视所辖的气井和计量站的生产状态和有关数据，一旦出现事故状态，立即启动集气站中的应急关闭和火炬系统。集气站的高中低略统在发生故障时必须先关闭系统，将高、中、低压系统自动切换到火炬系统，自动点火。充分燃烧，保护环境和保障系统安全。
3）天然气处理厂的DCS集散控制系统
天然气处理厂包括天然气分离厂，液化轻烃加工厂，天然气、轻烃储罐区，热电联供设备，含油污水处理厂等。它们的过程检测和控制系统是典型的DCS集散控制系统，生产工艺过程相对分散，每个工厂都有自己独立的生产工艺过程，各工厂之间又互为上、下游提供原料和能源。作为整个天然气处理厂，它的检测和控制除了保证各工厂平稳运行，还应考虑到全系统的热量和质量平衡以达到对给定原料气为最经济的生产过程控制。
4．2．天然气长输管道的检测控制仪表的要求
天然气长输管线要穿越山地、峡谷、河流、沼泽、盐碱地等多种复杂地段，管道自动控制采用SCADA系统，首末站，中间压气站和分输站控制系统按无人操作有人值守的原则设计，实现全线管道输送工艺过程的监控，调度管理及优化运行；管道通讯采用主备用方式，主用通讯拟采用光缆，备用通讯租用公网电路，在公网不能覆盖地区建设卫星地面站；SCADA系统除一般输送过程的压力、温度、流量、天然气密度、天然气露点等参数的检测和调节以及中间站的监视控制外，还应考虑管道设备的腐蚀和防护，以及管线的安全操作等技术，特别是当发生大灾和设备事故，或者被偷盗时，为保护系统和生态环境系统的应急处理技术。
天然气作为一种商品在气田的外输首站需经商品计量交接给天然气长输管道公司，管道公司将天然气输送到沿途的九个省市区时也要进行分输给各省市的天然气利用公司，各省市的天然气利用公司将天然气销售给各类用户都需要进行计量，其计量数据是财务结算的凭证，它应具有科学性、准确性和公正性。目前，天然气计量有两种：质量计量和能量计量。在工业发达国家两种计量方法都在使用，一般是供需双方以合同方式约定质量指标，如发热量、硫化物含量、主要组分含量、烃露点和水露点等，或按法定要求的质量指标以体积或能量的方法进行交接计量。我国天然气贸易计量方法是在法定要求的质量指标以体积或能量的方法进行交接计量。
天然气主要用于发电、化工、工业燃料和城市燃气四个方面。城市天然气管网需用SCADA系统监视，控制和数据采集。管线网络的拓朴结构有树型、环型、星型等多种组合形式，整个过程检测和控制系统要根据工艺流程合理设计各RTU远距离终端装置，根据用户所需的天然气压力和流量调节整个系统平衡运行，保证及时准确地计量天然气各用户的用量。
4．3．过程检测控制仪表要求的特殊性
天然气是易燃易爆气体，一旦出现事故，危及人民的生命安全，需要提供安全保护仪表如可燃气体报警仪，自动灭火系统和工艺过程中连锁应急关闭系统等。
天然气开发、储运、销售整个过程要实施环境保护全过程生产控制，强化对排放点的达标考核，过程检测仪表需提供如H2S，CO2，水中含油，水中含醇等控制生产过程的分析仪表。
塔里木气田位于天山以南山地，地理位置相对分散，气候异常恶劣，气井井口压力达50～60Mpa，单井最高产量达150万米3/天，气夹带地层沙，要求检测仪表能耐高压，耐冲蚀，承受高温差冲击，对于凝析气田，高压高产情况下压力和温度降低幅度大，易形成水化物，因此要求检测仪表能耐高压、防冻和加注防冻液的一体化产品，长输管线需高压、大口径能承受恶劣环境的流量计和调节阀，应急关闭阀等。
天然气长输管线既穿越荒无人烟的山地、峡谷、河流、沼泽，又要经过村庄城镇，要防止天灾、地震、管线腐蚀、管线断裂等造成的外漏引起的火灾和人员伤害，又要防止人为盗气，要有天然气泄漏的预警系统，以保证天然气管线安全运行。对于安装于室外的仪表要有较高可靠性、安全性和防盗性，防止人为偷盗造成停产、停输等恶性事故。
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