尹荣林 唐婉莹 罗琼 胡建民 严警 刘蕾 寇鑫 滕亚君

尹荣林 ¹ 唐婉莹 ² 罗 琼 ³ 胡建民 ³ 严 警 ¹ 刘 蕾 ¹ 寇 鑫 ⁴ 滕亚君 ^{1 *}

摘 要 管道进口天然气既是危险化学品，又属于大宗资源性商品。鉴于国际贸易进口天然气计量需要准确无误、安全稳定的要求，我国投产在用的跨国进口天然气管道的贸易计量均选用气体超声波流量计，保证了天然气计量的可靠准确与公平公正。本文对跨国管输天然气贸易计量中常用的超声波流量计工作原理进行了介绍，着重从影响超声波流量计准确性的因素进行了分析，并结合影响因素提出了解决方法和预防措施，明确了使用者在超声波流量计的安装、运用与后期维护等环节中应关注的一些基本技术问题，旨在保证测量和计量的精确性，提升了天然气计量工作的科学严谨性与准确性。

关键词 危险化学品；天然气；流量计量；防范措施

Research on Abnormal Flow Measurement and Precautionary Measures of Natural Gas as a Hazardous Chemical

YIN Rong-Lin ¹ TANG Wan-Ying ² LUO Qiong ³ HU Jan-Min ³

YAN Jing¹ LIU Lei¹ KOU Xin⁴ TENG Ya-Jun^1*

Abstract Imported natural gas via pipelines is both a hazardous chemical and a bulk resource commodity. Given the requirements for accurate and secure measurement in international trade, trade measurements of natural gas imported via transnational pipelines in use in China all adopt ultrasonic gas flowmeters, ensuring the reliable accuracy and fairness of natural gas measurement. This paper introduces the working principle of ultrasonic flowmeters commonly used in the trade measurement of natural gas in transnational pipelines, focuses on analyzing the factors affecting the accuracy of ultrasonic flowmeters, and proposes solutions and precautionary measures based on these factors. It clarifies some basic technical issues that users should pay attention to the installation, use, and subsequent maintenance of ultrasonic flowmeters, aiming to achieve accurate measurement and improve the scientific rigor and accuracy of natural gas measurement.

Keywords hazardous chemicals; natural gas; flow measurement; precautionary measures

本论文由1+X合作单位资助

基金项目：海关总署科研项目（2022HK077，2023HK031）

第一作者：尹荣林（1987—），男，汉族，云南曲靖人，工程师，主要从事管输天然气计量检验与研究工作，E-mail: 290462046@qq.com

通信作者：滕亚君（1980—），女，汉族，云南曲靖人，高级工程师，主要从事技术性贸易措施研究和商品检验工作，E-mail: 44734198@qq.com

1. 昆明海关 昆明 650299

2. 国家石油天然气管网集团有限公司云南分公司 昆明 650299

3. 乌鲁木齐海关 乌鲁木齐 830018

4. 中国海关科学技术研究中心 北京 100026

1. Kunming Customs, Kunming 650299

2. National Pipeline Corporation Yunnan Branch Co. Ltd., Kunming 650299

3. Urumqi Customs, Urumqi 830018

4. Science and Technology Research Center of China Customs, Beijing 100026

天然气是一种环保、高效的清洁能源。伴随着我国经济结构转型和绿色低碳能源战略的发展，我国对天然气的需求量增加。在提升国内天然气产量的同时，为满足市场需求，还需进口天然气。根据国家统计局统计数据显示，2018年我国天然气进口量为9039万吨，同比增长31.9%^[1]；海关总署统计数据显示，2021年我国天然气进口量为12136万吨，与2020年相比增长19.9%^[2]。天然气进口方式主要包括管道运输和液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）运输两种。管道运输天然气具有连续、稳定的特点，而海运进口液化天然气则以其灵活性和大规模储存能力成为天然气进口的重要组成部分。自2009年以来，中亚、中缅、中俄天然气跨国管道相继投产通气，实现了我国西北、东北、西南及海上油气战略通道的全面贯通，标志着我国四大天然气进口通道已具规模^[3]。

管道进口天然气既是危险化学品，又属于大宗资源性商品。根据《中华人民共和国海关法》《中华人民共和国海关管道运输进口能源监管办法》（海关总署令第204号）、《关于明确油气液体化工品监管相关事宜的公告》（海关总署公告2015年第45号）等相关要求，海关对管道进口天然气数重量实施监管，严格把关进口天然气鉴重，为天然气贸易结算、报关提供准确计量数据，防止贸易欺诈，维护国家经济利益，保障进口天然气国际贸易的公平公正。跨国管道进口天然气国际贸易交接具有数量多、货值高、税额大的特点，以中亚跨国天然气管道为例^[4]，2018年日均进口天然气交接量达到9300余万标准立方米，折合重量6.5万吨，货值约为0.45亿美元。在如此巨大的交接量下，购销双方除了关注天然气价格外，还需要重点关注天然气计量的准确，这也是中国海关对管道进口天然气实施监管的重点所在。

气体超声波流量计具有计量精度高、无压损、无磨损部件、使用寿命长、量程范围宽、可双向测量和可测脉动流等特点^[5]。鉴于国际贸易进口天然气计量需要准确无误、安全稳定的要求，我国投产在用的跨国进口天然气管道的贸易计量都选用气体超声波流量计，保证了天然气计量准确可靠和公平公正，避免了国际贸易计量的纠纷^[6-7]。本文对跨国管输天然气贸易计量中常用的超声波流量计工作原理进行了介绍，着重从影响超声波流量计准确性的因素进行了分析，并结合影响因素提出了解决方法和预防措施。

1 超声波流量计概述

超声波流量计是一种利用超声波速差法原理检测计量气体流量的过程控制仪表，具有无可动部件、无阻力件、无压损、量程比宽、准确度高、全自动化等特点，且不受流体物理化学性质的影响^[8]。

依据超声波流量计测量原理的差异性，使用频率最高的测量方法为传播速度差法及多普勒频移法。传播速度差法可划分为声循环频率差法、相位差法及时间差法。目前国内采用的超声波流量计中，时间差法占据了主导地位。该方法的测量原理阐述如下：一个超声波探头发射信号，穿透管壁、流经介质并穿越对面管壁后，由另一探头接收；同时，此过程反向进行，即第二个探头亦发射信号并由第一个探头接收。由于流体速度的作用，两组信号在传输路径上产生了可测量的时间差Δt，经过计算推导，得知流速V与时间差Δt、传感器之间距离L以及超声波传播速度c之间的数学转换关系，具体表达式为：V = (c²/2L)×Δt，这一关系式能够计算出流量值Q。图1为气体超声波流量计原理图。

2 影响超声波流量计的因素

2.1 安装直管段的长度

安装过程中，不仅需要选取流场分布均匀的区域，还要同时遵循足够的直管段要求，确保流体形成并维持稳定的速度分布。若直管段不满足要求，将导致流体测量过程中的精确度下降。

图1 天然气超声波流量计工作原理

Fig.1 Working principle of natural gas ultrasonic flowmeter

2.2 工艺管道参数

在管线上安装使用超声波流量计时，需确认工艺管道参数准确^[9]，例如管道的外径尺寸、材质类型、内衬材料、壁厚规格等。针对较为脏污的管线，还需把结垢视作内衬的一部分，以确保所获取的数据更为精确。

2.3 安装方式和位置

由于管道内存在的气泡与杂质会使超声波信号产生反射或衰减效应，增大了测量误差，因此，在安装过程中选择适宜的安装方式至关重要。当换能器探头需安装于倾斜或水平管道时，推荐水平安装，这样就可以使气泡自然汇聚于管道上方，而较大杂质则沿管道底部流动，建议将换能器探头的安装角度控制在与水平面呈约45°角的范围内。另外，安装位置应确保具备足够的背压条件，维持管道内流体充盈状态。

2.4 流体属性

流体中蕴含的气泡、微粒及悬浮杂质，都可能成为声波散射与吸收的源头，进而干扰声波的传播轨迹并削弱信号强度，最终对测量结果产生不利影响。此外，在流速较低的情况下，声波信号可能会变得微弱甚至出现失真；而流速过高时，则可能诱发湍流现象，干扰传感器的精准定位，从而进一步降低测量的准确性。鉴于此，定期对流体的物理特性进行监测，确保其维持在适宜范围至关重要。通过采用预处理装置，有效清除流体中的气泡及颗粒物，也能够有效提升测量精度。

2.5 其他因素

处理换能器探头安装部位的表面，包括去除油漆、锈蚀，并进行砂磨；挑选材质均匀且致密，有利于超声波高效传播的直线管道段；选定适宜的耦合剂；考虑流体类型的选择；安装前，精确计算并设定换能器探头与管道壁之间的安装间距；选用相匹配的探头类型，监控并维持换能器探头工作区域的温度在预设的可操作范围内。以上因素均对超声波流量计的高效性与可靠性产生影响。

3 流量计计量出现异常情况分析

气体超声波流量计在使用过程中常常会遇到一些问题，如流量计的超声波探头频频报警，有时还会出现无流量记录的情况，标定合格的同型号超声波流量计计量误差超标等^[10]。

这种频繁的警报和流量记录缺失情况，通常可以归因于流量计内部液态水的附着，附着物遮挡了超声波探头的视线，使得超声波在通过液态水层时发生折射，从而减弱了传感器捕捉信号的能力。此外，天然气中的固体颗粒物在流量计内部的沉积，也可能干扰超声波的反射路径，降低其反射效率。若同型号的超声波流量计在经过校准后仍然出现超出标准范围的计量误差，则主要是由于安装过程中的精度不足，以及现场工艺设备产生的噪声干扰。天然气的生产工艺表明，天然气的净化处理，包括去油、脱水以及去除机械杂质等步骤，通常在先进的天然气处理厂内完成。这些处理步骤能够确保天然气的水露点和烃露点达到管道输送的要求。然而，根据国内天然气管道的运行经验，投产初期管道内部的积水问题仍然时有发生。这些积水主要来源于试压后残留的水分，以及管道内部湿空气在低温条件下形成的冷凝水。

在施工过程中，若发现残留的试压水气管线，通常的做法是先进行分段加压，随后实施分段球清管操作，以确保管道的全线畅通。根据GB 50251—2015《输气管道工程设计规范》，在分段试压过程中，可以采用空气试压，也可以采用水试压。在采用水作为试压介质的管道中，即便执行了球清管操作，若未进行适当的干燥处理，管道的低洼区域仍有可能残留水分，进而导致内部积水。

根据GB 50251—2015规定，天然气输气管道在完成试压与清管作业后，建议干燥处理流程。若未实施干燥，管道内部将滞留大量潮湿空气，在进行管道投产前的氮气置换作业时，若氮气温度较低，与管道内湿空气相遇并混合，将导致管道内壁冷凝，形成管道内部积水。

4 流量计计量出现异常情况下防范措施建议

在使用中能造成气体超声波流量计计量故障的主要因素是管内粘污物如泥污、油污、锈尘、水等，尤其是积水^[11]。在降低管道内附着物对气体超声波流量计测量精度影响的过程中，工艺设计、施工阶段以及日常维护是三个关键环节，需要特别关注以下几个方面。

4.1 积极营造环境保障管道干燥

GB 50251—2015中提到，输气管道试压、清管结束后宜进行干燥。此条款融合了国际企业的先进标准与国内的施工实践经验。气体超声波流量计在西欧等地区的发达国家中的早期应用，为此提供了实证基础。当前，国内对于长距离天然气输送管道的全面干燥处理尚未普及，且在规范中采用“宜”一词，侧面说明了干燥处理未被设定为强制性要求。以前采用孔板流量计时，管道内积水对计量的影响是有限的。随着气体超声波流量计适用范围的扩大，其对水分高度敏感，因此，管道干燥成为了保障计量精度的关键。

4.2 分离系统的选择应考虑液态水的处理

在天然气输送管道的首末站设置分离器是为了清除气体中混入的各类固态微粒。当前，广泛推广的过滤分离器不仅能够去除不同粒径的固体杂质，还能将粒径大于8～10 μm的水汽完全分离。然而，当分离器中掺入液态水时，其分离性能显著降低。因此，在站场规划阶段，应考虑在分离流程前端增设一级液态水预处理设备进行滤除。

4.3 优化场站操作流程以确保分离器污水及时排放

分离器均配备排污管，其目的是通过人工方式清理分离出的污水。但由于各种各样的因素，可能出现排污滞后情况，积液器内污水积满，导致分离器效果降低，使液态水夹带于天然气中，流经气体超声波流量计，引发测量精度偏差。为彻底解决这些问题并减少人为影响，可以在分离器的排放管道中安装自动化的排污阀门，以保证污水能够迅速被排出。在设备启动的初期阶段，建议提高滤芯更换的频率。

4.4 投产置换过程中的过滤分离器保护措施

在投产置换前，为防止管内积聚的水分或锈尘侵入并导致滤芯失效，最好预先移除滤芯，待置换流程结束后清理分离器内腔，再装上滤芯，这样既延长了滤芯的使用寿命，又保护了超声波流量计。

4.5 气体超声波流量计安装标准的遵循

产品说明书阐述了气体超声波流量计的安装要求，关键在于保证流量计与其上下游直管段之间的高精度同心度。因此，施工单位在安装过程中必须严格遵守安装规定，实现所要求的同心度标准。气体超声波流量计对噪音敏感，与调压器安装在同一空间，调压器产生的噪音将会使气体超声波流量计的计量失效，因此超声波流量计不宜安装在调节阀下游^[12]。

4.6 采用在线标定

鉴于气体超声波流量计的精度受制于安装环境，即便是已被标定的流量计，在现场安装后，其测量准确性也可能发生波动。在设计站场工艺时，应适当考虑增设在线标定系统，并配备标定接管与专用阀门。标定作业时，将标定车驶入现场，通过串联标准表与现场流量计的方式完成在线标定。

4.7 流量计的准确选型

气体超声波流量计大体分为对射式与反射式两大结构类型，两者在气体贸易计量领域均可以满足精度要求。由于各自适应的气体环境特性存在差异，故在选型时需依据实际的气质情况进行考量。

4.8 定期清洗流量计

当天然气携带的固体和液体杂质在流量计内部或传感器上积累到一定程度时，可能会降低流量计的测量准确性。因此，定期对流量计进行清洁非常必要。另外，温度传感器、压力传感器需按时校正，并将校正因子输入计算系统中，防止因温度、压力原因导致计量不准确。在进行压力或温度的测量时，若精确度不足，可能会导致体积测量出现显著的偏差，严重时可能导致测量结果无效。因此，确保测量条件符合标准参考值对于获得可靠的体积数据至关重要。为确保超声波流量计实现准确测量与计量，进而提升计量的科学性与精确度，需在安装流程、操作应用及日常维护等环节关注基本的技术问题。

5 结语

作为重要的清洁能源，天然气在我国能源消费构成中占据显著地位，其进口量的不断增加对贸易计量的准确性和可靠性提出了更高要求。因此，必须严格按照相关标准和规范进行安装、操作和维护，确保计量结果的准确性和可靠性，以维护国家经济利益和保障进口天然气国际贸易的公平公正。

未来，超声波流量计作为天然气贸易计量的主要仪表之一，其技术水平和应用范围将不断拓展。一方面，需要加强对超声波流量计技术的研发和创新，提高其测量精度和稳定性，降低误差率；另一方面，还需要加强国际交流与合作，借鉴国际先进经验和技术，推动我国天然气贸易计量技术的不断发展和进步，为天然气进口提供更加坚实的技术支撑和保障。

参考文献

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