摘要

对管道运输流体流量进行精确计量是物流交接的前提和基础，也是衡量一个国家科技水平的重要因素。文章总结了单相管道流量计量技术分类以及能量计量发展现状，分析了气液分离计量、气液混相计量、气液分流取样计量3种多相管道流量计量方式特点及技术局限，阐述了虚拟计量的原理、特点、实现方式及局限。认为传统的单相管道流量测量技术已日趋成熟，当前面临的关键技术与挑战为：极端参数和复杂环境下流量计量技术、相变工况油气水多相管道流量计量技术、大宗原油贸易交接计量体系、复杂浆体流量计量技术和管道流量量值溯源。针对管道新业态、新场景对计量的要求，提出如下建议：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；建设管道流量量子溯源系统，实现流量计量仪表快速校准；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；建设管道流量量子溯源系统，实现流量计量仪表快速校准；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。

计量是实现单位统一、保证量值准确可靠的活动，是科技创新、产业发展、国防建设、民生保障的重要基础，是构建一体化国家战略体系和能力的重要支撑。计量对科技发展和产品制造具有重要的引领作用。历史上的工业革命和重大技术革命，都是以计量测试技术的突破为引领，通过计量的精准验证来推动。

管道运输作为五大运输方式之一，是现代工业和能源供给体系的重要组成部分。对管道运输流体流量进行精确计量是物流交接的前提和基础。从传统的原油、天然气到氢气、氨气等新能源，从集输管道内的油气水多相流到水煤浆、水合物浆等浆体。当前管道输送介质日益复杂、多元，覆盖单相气体、单相液体、油气水多相流体及浆体。与此同时，管道拓扑结构也从单一管道向复杂管网转变，新业务、新场景给管道流量计量带来新挑战。

管道流量计量技术发展正面临大变化、大综合、大创新时代，互联网、区块链和人工智能等新技术革命为解决复杂输送介质，实时工况环境和极端环境的计量需求提供了可能。面向管道自身特点和发展需求，需要研制一批专用计量测试设备，形成一系列专用计量测试方法和标准规范，提升计量自主可控能力和水平，培育计量新业态、发展计量新模式。

1. 单相管道流量计量技术进展

1.1 单相管道流量计量技术

当前，单相管道流量计量技术主要应用流体流量与力、热、声、电、光、原子能等物理学参数之间的响应关系进行计量，包括差压式、容积式、速度式、超声波流量测量，以及直接质量流量测量等多种计量方法。

差压式流量计量通过测量节流原件前后差压来获取流量，典型仪表为孔板流量计、V锥流量计、文丘里喷嘴流量计、文丘里管流量计等。节流计量计介质适应性好，可用于单相液体、气体及蒸汽流量计量，但使用前需要对流量系数进行标定。容积式流量计主要有腰轮、刮板、齿轮、转子等多种形式，旋转一周排出恒定量的体积，通过计量单位时间转数即可获知流量。容积式流量计精度较高，对于高黏度流体具有很高的测量精度，但测量微小流量时由于泄漏比值增大，误差会增大。速度式流量计常见有涡轮、涡街、电磁流量计等，流速不同，相应的涡流转速、涡街脱落频率及电磁流量计感应电动势亦发生变化，电磁流量计不能测量非导电介质。

超声波流量计具有量程范围宽、非介入、无压损、安装使用方便和维修费用低等优点，近来备受关注，广泛应用于大口径天然气管道流量计量。按原理其可分为时差式、相差式、频差式、多普勒超声波流量计（适合于两相流的测量）。超声波流量计会受到流体声学特性的影响，并且流体的温度、密度、黏度及悬浮颗粒也会影响其测量精确度，需要进行校准。

质量流量计能直接测得管输流体质量，计量的准确度高，主要有科里奥利质量流量计和热式质量流量计两种类型。科里奥利质量流量计的优点是精度高，可以直接测量质量流量及密度，使用户不仅可获知流体的容积而且可了解其组成；缺点是压损大，且易受流体温度和压力影响。热式质量流量计利用传热原理，即流动中的流体与热源之间热量交换关系进行测量，优点是无活动部件及压损低，缺点是易受介质成分影响。

1.2 能量计量技术

在能源气体计量方面，主要有体积计量、质量计量和能量计量3种方式。体积计量只能反映管输流体的“量”的多少，不能体现其“质”的高低，能量计量才能反映燃料的能源属性。以天然气为例，各种气源、不同产地和类型的天然气，组分差异很大，不同气源发热量差值最大，可超过20%。当前，中国开始尝试天然气掺氢输送。以目前中国天然气消费量计算，掺氢比达到20%时，可消纳1 000多万t氢气，有利于解决中国东西部资源错配问题和调峰需求。天然气主要用作燃料，热值是衡量天然气价值的最主要标志。甲烷和氢气热值差异很大，传统的体积计量方式不能体现不同气源之间的热值差异，已不适应目前综合气源交接计量需要。

能量计量自20世纪80年代初已逐渐在西欧和北美推广，现已成为在交接计量中占主导地位的计量方式。2019年5月24日，由国家发展和改革委员会等4部委联合发布的《油气管网设施公平开放监管办法》中明确要求实行天然气能量计量，并要求自2021年5月24日正式实行天然气能量计量计价体系。

中国天然气工业高速发展，已形成国产常规气、非常规气（页岩气、致密砂岩气、煤层气等）、煤制天然气、进口液化天然气（Liquefied Natural Gas, LNG）、进口管道气等多元化的供销格局。据国际能源署的最新年度报告，2023年中国已成为全球最大的LNG进口国。目前，中国大规模使用的仍是天然气体积计量体系，能量计量推行缓慢。中国天然气能量计量标准体系涉及80项内容，其中包括流量计量25项、发热量测量33项、检定规程和校准规范22项。但该体系下的流量计量归属于全国石油天然气标准化技术委员会，发热量测量归属于全国天然气标准化技术委员会，而检定规程和校准规范归属于全国流量计量技术委员会。因此，不同细分专业的技术组织之间的协调机制需要进一步优化。

此外，天然气的能量值通常由单位时间内的体积流量或者质量流量乘以发热量所确定，对天然气发热量的准确检测是实施能量计量的前提。直接法通过燃烧天然气获得直接发热量，难以在线实时监测。国外普遍采用在线气相色谱仪通过组成分析进行间接检测。中国近12万km的天然气管道上所采用的在线色谱分析仪主要为进口产品。目前，国家石油天然气管网集团有限公司组织国内研究和制造力量，已研制出性能良好的在线色谱分析仪，并于2023年召开了发布会。

2. 多相管道流量计量技术进展

气液多相流广泛存在于石油、化工、电力、核能等多个工业管道运输领域。例如，在海洋油气开发中，水下井口产物为油气多相流，需要通过管道混输到平台或陆上终端；在注蒸汽稠油开采中，蒸汽管网内流动介质亦为蒸汽-水两相流。多相流体的流量计量对于生产管理、流动保障、贸易交接都具有重要意义。

由于气液两相流动的复杂性和随机性，两相流量的准确计量始终是个难题。依据气液流量计量原理不同，目前对于多相管道流量计量的研究主要分为3种方法：气液分离计量、气液混相计量和气液分流取样计量。

2.1 气液分离计量技术

气液分离计量技术是应用分离设备将气液混合物分离成单相气体和单相液体后，再通过普通单相流量计进行计量。该方法把两相流量的测量转化为单相流量测量，具有工作可靠、测量精度高、测量范围宽且不受气液两相流流型变化影响等优点。常见的计量分离器采用立式或卧式容器。为了保证分离效果，分离器的直径通常为管道直径的5-10倍，体积庞大。美国塔尔萨大学提出柱状旋流式气液分离器（Gas-Liquid Cylindrical Cyclone, GLCC）是完全分离计量的典型代表。

气液分离计量技术存在以下难点。①分离设备体积庞大，价格昂贵。②由于存在较大的缓冲容积，存在计量延迟，实时性差。③需要建立专门的计量站和测试管道，这在很大程度上增加了计量成本。

2.2 气液混相计量技术

气液混相计量技术是当前工业现场多相管道流量计量的主流方式。该技术无须采用分离装置，因此体积小、结构紧凑。气液总流量通常采用文丘里管等节流型流量计来测量，而相分率则采用电容、电导、射线等相分率传感器进行测量。近年来，实验室内开始采用层析成像技术测量气液相分率，主要有电容成像、电导成像、超声成像、核磁共振成像等。在多相流相分率参数测量中，由于油气水三相物理特性存在较大差异，其相间接触界面十分复杂，滑脱效应显著，致使油气水三相在管道截面及轴向方向均呈现非均匀分布形态，给相分率参数的准确测量带来极大挑战。近年来还出现了利用真实质量流量计直接测量多相流体质量流量的报道，但质量流量计流动阻力损失大，流型和各相组成均对测量精度有影响。气液混相计量技术存在以下难点。①直接面向气液两相流体，受气液两相流动复杂性的影响，误差甚至超过10%。②采用文丘里管等节流型流量计进行气液混相计量，存在较大的阻力损失。③相分率传感器受管道流型和流体介质含盐量等因素影响，需要定期标定，射线类方法还存在放射性污染风险。