4.4 复杂浆体流量计量技术

        浆体管道运输是一种高效、节能、环保的运输方式，已被广泛应用于磷、硫、高岭土、铝矾土、石灰石等矿物，以及水泥、泥沙等浆体的输送。中国已建成瓮福磷精矿、大峪口磷精矿等矿浆管道运输工程。近年来，水合物浆体管道运输也备受关注。天然气水合物俗称可燃冰，其储量大、能量密度高、燃烧清洁，被认为是21世纪最有潜力的接替能源。固态流化开采方法是将天然气水合物成藏岩层破碎后形成的水合物浆体通过管道从海底输送至海上平台。

        一般物料需要在制浆前进行称重计量或管道运输后经过过滤脱水再进行称重计量。部分物料受工艺条件限制，在制浆前后均无法称重计量。当前，在线浆体流量计量技术主要通过计量体积流量和浆体浓度来获得固体物料质量。计量物料体积的流量计主要有差压式流量计、转子流量计、容积流量计、电磁流量计、超声波流量计等。在矿浆领域，电磁流量计和超声波流量计应用最为广泛。浆体浓度测量通常采用γ射线式浓度计、放射性同位素浓度计、差压法浓度计、差动浸没浮子式浓度计、振动式浓度计、电磁感应式浓度计及超声波式浓度计，实际使用中认为γ射线式浓度计精度最高、稳定性最好。

复杂浆体流量计量技术面临的主要难点如下。

   （1）非均值流及非满管流。浆体输送站管路系统复杂，起停泵、非均质流等导致管道系统稳定性差。在正常情况下，浆体管道的全部管段都应该是满管填充状态，但管道在翻越陡坡或倾斜敷设时，液体在到达峰值点后还会继续流动，导致垂直方向上管道出现不满流现象。

  （2）冲蚀。在浆体输送条件下，位于浆体环境下的流量计感测部位腐蚀和冲蚀磨损严重，不仅影响测量精度，而且导致服役寿命短，维护成本高。影响浆体管道冲蚀磨损的主要因素包括颗粒浓度、撞击速度和角度，颗粒形状、硬度和直径，以及管壁硬度与强度等。需要研发耐冲蚀新材料和表面技术，增强流量计感测部位的耐磨性能和抗腐蚀能力。

  （3）计量管道堵塞。浆体流速低于临界流速时固体颗粒易发生沉降，形成一层固定或者滑动床，甚至导致管道堵塞。由于笼型水合物颗粒在管道中容易凝聚成块状，尤其是在水合物的固相分数较高时，管道中水合物浆体流动过程中水合物颗粒之间会发生碰撞、聚集及破碎，可能导致管道堵塞，对水合物浆体在管道中的流动输送及计量产生极大的影响。

  （4）相变影响。水合物浆体在管道运输过程中，管道内压力低于其三相平衡压力时，水合物开始相变分解出甲烷气体，形成固-液-气三相流动。随着分解气体的不断增加，在管道内会演化形成不同的流动形态。

因此，浆体流量计量精度与管道内介质流动特征密切相关，需要采取流动保障技术，合理控制物料的粒度、输送流速和输送浓度，并研发先进浓度测量技术。

4.5 管道流量量值溯源

        随着国内能源需求的增加，油气管道向高压、大口径方向发展，进口油气的品种、来源、组成等均较复杂，计量检定机构的检定能力和计量技术能否满足外贸交接计量要求，如何维护油气对外交接计量的合法权益，避免油气交接纠纷，成为目前亟待解决的问题。计量是可以溯源到标准量的测量，以此保证测量数据的准确性。从计量数据角度看，测量设备或仪器仪表的检定或校准，实质上是计量标准数据传递赋值活动。

        对于管道液体流量标定，国内外大多采用环道式检测方式，代表性装置主要有欧洲液体环道（Euroloop）、美国喀麦隆（Cameron）液体环道和法国福尔赫曼（Faure H-Ermanrma）液体环道。LNG、液氢等低温液体流量标准装置的国内外研究迄今还处于探索期，且大多以水、液氮和液氦等作为替代工质。气体具有可压缩性，体积流量会随温度、压力发生变化，标定系统更复杂。成都、南京、武汉已建成3套压力为0.4-10.0 MPa、测量不确定度0.05%-0.07%的质量时间法和高压活塞式体积管法天然气流量原级标准装置，还有广州分站、乌鲁木齐分站、塔里木分站等11个国家天然气专业计量站，次级标准和工作标准的测量不确定度为0.16%-0.29%。但在目前国际流行的70MPa及更高压力的加氢机应用方面，中国的计量溯源能力还不完善，因此亟须解决70MPa加氢站商业化运营后贸易结算的民生计量及加氢机溯源问题。在发热量测定方面，中国虽然发布了一系列有关天然气发热量直接和间接测定方法的国家标准，但是在执行这些标准涉及的有关术语和定义的规范、溯源链结构的架构、标准方法的确认、标准气混合物的研制及测定结果不确定度的评定等方面，与国外先进水平相比尚有差距。

        现有的标定建立于传统的基于实物的标定体系上，从最高等级的实物基准到具体应用场景，量值要经过多次传递准确度，存在量值传递检定系统庞大繁杂的难题。量子计量体系已于2019年国际计量日（5月20日）在全球范围正式实施，其采用普朗克常数h、基本电荷e、阿伏伽德罗常数NA和玻尔兹曼常数k，分别重新定义SI基本单位kg、A、mol和K。

        全球发达国家和区域都已竞相布局以量子计量为核心的先进测量体系。2018年12月，美国签署了《国家量子倡议法案》，其中将投入4亿美元用于研究量子计量技术和测量标准。美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology, NIST）提出了嵌入式芯片级计量标准的概念。芯片集成了若干美国计量标准，有望实现计量标准和测量仪器（传感器）一体化，以及参数测量与校准融合发展。欧盟于2016年启动量子技术旗舰计划，将量子计量和传感作为四大优先发展领域之一。英国专门成立了先进量子计量研究院，加强对量子计量标准研究。

        以自然常数为基准的新型计量体系改变了过去依靠实物基准逐级传递的计量模式，量值溯源不随时间、空间和环境条件变化，从而使量值溯源链条更短、速度更快，以及测量结果更准、更稳、更安全。中国发布了《计量发展规划（2021—2035年）》，明确指出实施“量子度量衡”计划，重点研究基于量子效应和物理常数的量子计量技术及计量基准、标准装置小型化技术，突破量子传感和芯片级计量标准技术，形成核心器件研制能力。在管道量值溯源领域，也应提前布局建立国家级高精密管道流量计量设施，构建基于量子计量的先进测量体系，加快研发嵌入式芯片级计量标准，实现流量传感器在线自动校准。

5.发展趋势和建议

5.1 发展趋势

1）管输燃料实施能量计量
        实施能量计量是燃料类管输介质交接计量发展的必然趋势，也是维护公平、公正天然气贸易交易的必要条件。在中国天然气能量计量领域，能量计量的标准体系已基本建立，但针对掺氢天然气，乃至液体燃料的能量计量体系建设亟须提上日程。能量计量需要对介质流量、压力、温度及组成进行快速准确计量，其中组分测量最为关键。现有组分测量测定周期较长，难以适应高流速管道运输快速检测要求。随着“碳达峰、碳中和”（简称“双碳”）目标的深入开展，天然气掺氢比例将会不断提高。目前，国际上在天然气管网中掺氢比例最高达到了30%，这无疑会带来天然气组分与物理性质方面较大程度的改变，对天然气流量计量、组分分析、发热量计算、能量计量等方面带来了新的挑战。应加快在线色谱设备和发热量赋值方法研究。基于激光吸收、光折射-超声原理的发热量测试有较大的应用潜力，也应加快发展。

2）人工智能、大数据赋能管道流量计量

        数据是新时代重要的生产要素，是国家基础性战略资源。油气管道工程每日通过数据采集与监视控制（Supervisory Control and Data Acquisition, SCADA）系统实时监测和采集管道各节点流量传感器的流量数据，采集参数包括体积流量，以及与流量相关的温度、压力，乃至介质组成等。管道运行长期积累了海量数据，但大部分数据信息缺乏有效利用，形同“数据垃圾”。大数据技术的战略意义不在于掌握庞大的数据信息，而在于对这些含有意义的数据进行深度挖掘处理。

        2022年1月，国务院出台了《“十四五”数字经济发展规划》，推进数字产业化和产业数字化发展。数据已是重要的生产因素，如何科学、高效地利用这些计量历史数据，实现对管网流量的科学分配调度以及对未来趋势预测是亟须解决的问题。近年来，随着人工智能技术的突飞猛进，发展了如深度置信网络、卷积神经网络、循环神经网络及物理信息神经网络结构。管道大数据结合人工智能已经开始应用于管网的负荷预测、安全预警、调度评估与优化、性能监视等方面，以保障管网安全高效运行，凸显了强大的数据推演能力。

3）践行“碳计量”服务绿色低碳管道运输

        管道既是油气等能源输能载体，也是用能大户，在管道运输中会消耗大量电能、热能。为实现“双碳”目标，需要精准开展碳排放计量评估，进而制定合理可行的“双碳”实施路径。碳排放计量又称为碳盘查，认为碳排放计量也就是计算企业和政府的生产或各种社会活动直接或间接向大气排放的温室气体。碳排放计量主要有三大方法：排放系数法、物料衡算法、实测法。其中，实测法具有连续检测等优点，是未来重点发展方向。当前对管道运输领域碳排放实时计量还没有统一的计算方法和评价标准。下一步应完善碳排放计量体系，提升碳排放监测能力和水平，研发实时流量、碳浓度等碳排放综合参数监测方法。加强碳计量在碳足迹核算、碳追踪中的应用。

5.2 发展建议

        1）加大新业态、新场景多相流量计研发力度，制定多相管道流量计量规范管道新业态、新场景对多相管道流量计量技术提出新要求。目前，多相流仪表的工作范围和精度受含气率、含油率、含水率、黏度、盐度及管道流型等多种因素的影响。亟须开发和研制适应0-100%含气率、0-100%含水率，覆盖分层流、波浪流、段塞流、环状流的新一代多相流量计。当前多相管道流量计量领域尚缺乏相应的标准规范，应成立管道多相流委员会，为多相流量计标准化、规范化发展提供指导。

        2）加快数据和机理联合驱动模型研发，推动虚拟计量规模化应用。虚拟计量可省去大量的实体计量设备，显著降低计量成本。然而其计算复杂度更高，需要大量带有流量标记的现场数据，以及准确挖掘提取流动特征的参数。建议加大对可靠的多相流模型和稳健高效的建模求解算法研发支持力度，将多相流模型和数据驱动相结合，利用多相流模型对数据进行清洗和降维，从数据和机理两个维度提高虚拟计量系统的预测精度和泛化能力。

       3）建设管道流量量子溯源系统，实现流量计量仪表快速校准。中国普遍采用以实物为基准的溯源模式，相关溯源基础技术和设施还很薄弱，天然气发热量溯源存在短板。中国已具备长度、时间、电学等方面的量子基准，但微小型化、可分发、免校准量子计量标准和仪器还未全面突破。建议加快建立国家级单相、多相管道流量溯源系统，为中国数以万计的管道流量计量仪表快速精准溯源提供支撑。

        4）建立统一开放的管道数据共享中心，推进计量数据资源深度利用。管道长期积累的计量数据已成为企业的宝贵资源，应提升计量数据的战略地位，加强数据的积累和应用。但数据存在人为污染、格式不统一、不规范等问题；数据自下而上，层层上报，缺乏统一直达的数据上传与管理应用平台；互联网时代，中心化数据的可篡改、伪造、虚构、追溯性差和容易被不法组织窃取等缺陷日益凸显。需要制定颁布管道流量数据应用规范，运用大数据、区块链、人工智能等技术，推动计量行业数字产业化规模化应用，提升过程监管能力和服务水平。

6.结束语

        管道流量计量是保障管道安全高效运行，实现公平贸易的基础性工程。历经数十年发展，中国管道流量计量技术取得重大进展，建立了较为完善的计量体系，但也应看到，与国外先进水平相比尚有差距，尤其是多相管道流量计量领域，用于深水油气开发的水下多相流量计多为国外石油巨头垄断。《计量发展规划（2021—2035年）》指出要加强计量基础和前沿技术、新型量值传递溯源技术等相关技术研究，构建符合时代发展需求和国际化发展潮流的国家现代先进测量体系。当前，以大数据、人工智能、云计算为代表的新科技浪潮已赋能千行百业，势必带来计量技术和应用场景的重大变革。在管道流量计量领域，亟须建立智能化、网络化、易溯源的现代先进流量计量体系和技术生态，实现多相、多场、复杂严苛工况流量原创性突破，为中国管道准确、高效计量提供自主可控的技术和装备支撑。