靜態(tài)質(zhì)量法天然氣流量計(jì)檢定裝置不確定度分析

李吉陽(yáng) 夏忠林 楊 毅

（遼河油田公司資產(chǎn)裝備部1，遼寧 盤錦 124010；

中國(guó)石油冀東油田公司油氣集輸公司2，河北 唐山 063200；中國(guó)石油北京油氣調(diào)控中心3，北京 100010）

靜態(tài)質(zhì)量法天然氣流量計(jì)檢定裝置不確定度分析

李吉陽(yáng)1夏忠林2楊 毅3

（遼河油田公司資產(chǎn)裝備部1，遼寧 盤錦 124010；

中國(guó)石油冀東油田公司油氣集輸公司2，河北 唐山 063200；中國(guó)石油北京油氣調(diào)控中心3，北京 100010）

基于靜態(tài)質(zhì)量法的氣體流量計(jì)原級(jí)檢定技術(shù)的質(zhì)量和時(shí)間測(cè)量方法符合國(guó)家質(zhì)量和時(shí)間的測(cè)量最高標(biāo)準(zhǔn)，且可以達(dá)到很高的測(cè)量準(zhǔn)確度，應(yīng)用更為廣泛。不確定度是天然氣流量計(jì)量檢定精度的衡量指標(biāo)，深入分析計(jì)算了靜態(tài)質(zhì)量法的不確定度，在此基礎(chǔ)上，提出了降低流量原級(jí)檢定法不確定度的關(guān)鍵措施，為該技術(shù)在天然氣流量計(jì)量檢定中的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

天然氣 流量計(jì)量 不確定度 檢定 mt法

0 引言

天然氣流量計(jì)量檢定裝置是以天然氣為介質(zhì)，給出天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)值的測(cè)量系統(tǒng)。根據(jù)量值傳遞關(guān)系，天然氣流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)由原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、工作級(jí)標(biāo)準(zhǔn)組成，各部分的工作原理和設(shè)備選型有很大差異。天然氣原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的原理決定了次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和工作級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的形式。

氣體流量原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)流量的定義來(lái)復(fù)現(xiàn)氣體流量值的，它形成流體流動(dòng)環(huán)境，并通過(guò)向質(zhì)量、長(zhǎng)度、時(shí)間等基本量溯源來(lái)得到準(zhǔn)確的流量量值。相對(duì)于工作標(biāo)準(zhǔn)而言，氣體流量原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)不需通過(guò)與其他氣體流量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較而得到量值，即其不依賴其他氣體流量裝置的量值。因此，理論上原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是精確度較高的流量裝置。但其實(shí)現(xiàn)量值的原理復(fù)雜，測(cè)量范圍（尤其是測(cè)量上限）受到限制，額定操作條件和環(huán)境條件嚴(yán)格苛刻，建造及運(yùn)行成本較高，維護(hù)和操作復(fù)雜，不宜經(jīng)常使用，適用于進(jìn)行量值溯源、科研試驗(yàn)等［1－2］。

目前，比較常用的天然氣流量原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)主要有高壓氣體活塞裝置、靜態(tài)質(zhì)量法裝置和靜態(tài)時(shí)間法裝置。靜態(tài)質(zhì)量法（mass-time，mt）的質(zhì)量和時(shí)間可溯源到國(guó)家的質(zhì)量和時(shí)間基準(zhǔn)，且可以達(dá)到很高的測(cè)量準(zhǔn)確度，因而得到了較為廣泛的應(yīng)用［3］。目前，國(guó)內(nèi)已建成運(yùn)行的天然氣流量計(jì)檢定裝置主要以mt法裝置為主。

1 m t法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置組成

mt法也被稱為稱重法或質(zhì)量/時(shí)間法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，主體由三通閥、稱重容器和稱組成。氣體經(jīng)過(guò)兩級(jí)壓力調(diào)節(jié)，使得壓力穩(wěn)定在系統(tǒng)所需的壓力。氣體通過(guò)三通閥進(jìn)入稱重容器，通過(guò)秤量氣體質(zhì)量和測(cè)定氣體通過(guò)的時(shí)間就可以計(jì)算出氣體流量。該裝置主要用于校準(zhǔn)音速噴嘴。當(dāng)用于校準(zhǔn)其他流量計(jì)時(shí)，也需在流量計(jì)與三通閥間安裝音速噴嘴，以保證流量恒定。

mt法氣體標(biāo)準(zhǔn)裝置工藝流程如圖1所示。首先用脫開(kāi)機(jī)構(gòu)脫開(kāi)換向閥與稱重容器的連接，秤量空的稱重容器質(zhì)量，然后連接換向閥與稱重容器。此時(shí)氣體通過(guò)被檢表流過(guò)音速噴嘴，通過(guò)換向閥流回下游氣體管路。為保證通過(guò)音速噴嘴的氣體流速達(dá)到音速，下游氣體管路的壓力應(yīng)可控并不高于上游壓力的80％。待整個(gè)系統(tǒng)的流量、溫度達(dá)到穩(wěn)定后，切換換向閥，使氣體流入稱重容器，同時(shí)計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)。當(dāng)進(jìn)入稱重容器的氣量達(dá)到一定量，即稱重容器內(nèi)的壓力達(dá)到上游壓力80％左右時(shí)，再次啟動(dòng)換向閥，氣體流動(dòng)轉(zhuǎn)向旁通，計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)結(jié)束。脫開(kāi)三通閥與稱重容器的連接，測(cè)量稱重容器的質(zhì)量，通過(guò)測(cè)量在實(shí)測(cè)時(shí)間（time）內(nèi)所收集的氣體質(zhì)量（mass），得出氣體的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量流量。然后連接并啟動(dòng)空壓機(jī)，將稱重容器內(nèi)的氣體排到氣體管道內(nèi)，完成后切斷其連接，從而由氣體質(zhì)量和進(jìn)氣時(shí)間得到氣體質(zhì)量流量。

圖1 mt法氣體標(biāo)準(zhǔn)裝置工藝流程Fig.1 Schematic diagram of the process formt method gas standard equipment

mt方法的工作介質(zhì)可以是空氣、天然氣等多種氣體。mt法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的優(yōu)點(diǎn)是原理清晰，方案?jìng)鹘y(tǒng)而可靠。衡器的稱量能力決定了裝置的流量范圍和工作壓力。鑒于衡器稱量范圍的有限性和對(duì)稱量容器總質(zhì)量與氣體凈質(zhì)量之比的靈敏度，它比較適合于復(fù)現(xiàn)高壓中小流量量值。

2 m t法不確定度分析

2.1 m t法原級(jí)不確定度分析

mt方法復(fù)現(xiàn)的質(zhì)量流量可以表示為：

式中：qm為質(zhì)量流量，kg/s；Δt為向稱重罐充氣的時(shí)間，s；Δm為Δt時(shí)間內(nèi)通過(guò)噴嘴進(jìn)入稱重罐的天然氣的質(zhì)量，kg。

從式（1）可以推導(dǎo)得到mt法質(zhì)量流量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

式中：ur（Δm）為測(cè)試時(shí)間內(nèi)通過(guò)噴嘴進(jìn)入稱重罐天然氣質(zhì)量相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度；ur（Δt）為充氣時(shí)間的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度；ur（r）為質(zhì)量流量測(cè)量的重復(fù)性。

①通過(guò)噴嘴的天然氣質(zhì)量的不確定度ur（Δm）

根據(jù)充氣過(guò)程，充氣質(zhì)量可以表示為：

式中：m1為Δt時(shí)間內(nèi)充入稱重罐內(nèi)的天然氣質(zhì)量，kg；m2為臨界流噴組出口和換向閥之間附加容積內(nèi)天然氣質(zhì)量的變化量，kg；m3為換向閥和進(jìn)罐手動(dòng)閥（取決于稱重系統(tǒng)的脫開(kāi)機(jī)構(gòu)位置）之間附加容積內(nèi)天然氣質(zhì)量的變化量，kg；m4為稱重罐充入天然氣后體積膨脹引起的空氣浮力變化量，kg。

充氣質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度可以表示為：

式中：ur（m1）為Δt時(shí)間內(nèi)充入稱重罐內(nèi)的天然氣質(zhì)量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度；ur（m2）為臨界流噴組出口和換向閥之間附加容積內(nèi)天然氣質(zhì)量變化量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度；ur（m3）為換向閥和進(jìn)罐手動(dòng)閥（取決于稱重系統(tǒng)的脫開(kāi)機(jī)構(gòu)位置）之間附加容積內(nèi)天然氣質(zhì)量變化量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度；ur（m4）為稱重罐充入天然氣后體積膨脹引起的空氣浮力變化量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

② 充氣時(shí)間的不確定度ur（Δt）

充氣時(shí)間的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度可以表示為：

式中：ur（Δt）為計(jì)時(shí)器的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度；ur（H1）為單個(gè)快速換向閥換向時(shí)間差的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度；ur（H2）為兩個(gè)快速換向閥聯(lián)動(dòng)換向時(shí)間差的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

③ 質(zhì)量流量測(cè)量的重復(fù)性u(píng)r（r）

最大、最小、中間3個(gè)流量點(diǎn)，每個(gè)流量點(diǎn)重復(fù)測(cè)量6次，計(jì)算得到各個(gè)流量點(diǎn)的重復(fù)性，取其中最大值即為質(zhì)量流量測(cè)量的重復(fù)性u(píng)r（r）。

以南京站mt原級(jí)裝置為例，經(jīng)計(jì)算mt法裝置測(cè)量不確定度度如表1所示。

表1 m t原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)不確定度Tab.1 Uncertainty ofm t primary standard

2.2 音速噴嘴次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分析

通過(guò)臨界流噴嘴的質(zhì)量流量可以表示為：

式中：qm為臨界流噴嘴的質(zhì)量流量，kg/s；A*為噴嘴喉部面積，m2；Cd為噴嘴流出系數(shù)；C*為臨界流函數(shù)；p0為噴嘴前氣體絕對(duì)滯止壓力，Pa；T0為噴嘴前氣體絕對(duì)滯止溫度，K；R為天然氣的氣體常數(shù)，J/（kg·K）。

當(dāng)用mt法檢測(cè)噴嘴的流出系數(shù)時(shí)，流出系數(shù)可表示為：相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

式中：ur（qm）為mt法原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量流量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度；ur（T0）為噴嘴前氣體絕對(duì)滯止溫度測(cè)量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度；ur（R）為天然氣的氣體常數(shù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度，與天然氣成分測(cè)量的不確定度密切相關(guān)；ur（A*）為噴嘴喉部面積的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度，由于其受溫度、壓力影響較小，通過(guò)采用固定的值，此項(xiàng)不確定度通常省略；ur（C*）為臨界流函數(shù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度，與成份及溫度、壓力測(cè)量相關(guān)；ur（p0）為噴嘴前氣體絕對(duì)滯止壓力的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度；ur（r）為流出系數(shù)測(cè)量的重復(fù)性。

噴嘴流出系數(shù)測(cè)量不確定度如表2所示。數(shù)的重復(fù)性。

表2 噴嘴流出系數(shù)測(cè)量不確定度Tab.2 Uncertainty of nozzle discharge coefficientmeasurement

由于次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為音速噴嘴，得到的是質(zhì)量流量，因此在對(duì)ur（V）的評(píng)估過(guò)程中需考慮到質(zhì)量流量到體積流量的轉(zhuǎn)換。同時(shí)，由于系統(tǒng)各處溫度、壓力的變化，還需要考慮管容效應(yīng)對(duì)流經(jīng)流量計(jì)體積的影響。最終體積表達(dá)式如式（10）所示。

式中：qm為臨界流噴嘴的質(zhì)量流量，kg/s；Tmeter為渦輪流量計(jì)處的絕對(duì)溫度，K；pmeter為渦輪流量計(jì)處的絕對(duì)壓力，Pa；Zmeter為渦輪流量計(jì)處氣體的壓縮系數(shù)；VD為

采用以上方法計(jì)算中石油南京站工作級(jí)的最佳測(cè)量能力為0.3％（k=2）。

3 提高計(jì)量檢定精度的關(guān)鍵措施

2.3 渦輪流量計(jì)工作級(jí)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分析

由于具有穩(wěn)定的性能，渦輪流量計(jì)大多被采用來(lái)作為工作標(biāo)準(zhǔn)。近年來(lái)，隨著超聲流量計(jì)的迅猛發(fā)展，一些裝置還輔以超聲流量計(jì)為輔助標(biāo)準(zhǔn)的方式，對(duì)工作級(jí)標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計(jì)的運(yùn)行情況予以輔助核查。渦輪、超聲流量計(jì)均為速度式流量計(jì)，均采用脈沖信號(hào)輸出方式，且通常以儀表系數(shù)為其計(jì)量參數(shù)。

儀表系數(shù)K為工況條件下、單位體積的工質(zhì)流經(jīng)流量計(jì)時(shí)流量計(jì)所發(fā)的脈沖數(shù)，即：

式中：N為流過(guò)體積V時(shí)流量計(jì)發(fā)出的脈沖數(shù)；Vmeter為工況條件下流經(jīng)流量計(jì)的氣體體積，m3。

因此，儀表系數(shù)的不確定度可表示為：

式中：ur（N）為對(duì)應(yīng)流過(guò)體積V時(shí)流量計(jì)發(fā)出的測(cè)量脈沖數(shù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度；ur（Vmeter）為工況條件下流經(jīng)流量計(jì)氣體體積的相對(duì)不確定度；ur（r）為儀表系

根據(jù)有關(guān)流量計(jì)檢定規(guī)程中的要求，在穩(wěn)定條件下對(duì)流量計(jì)進(jìn)行檢定，即在檢定過(guò)程中應(yīng)保證檢定介質(zhì)的溫度、壓力和流量穩(wěn)定不變或變化很小。為此，在本站的設(shè)計(jì)和建設(shè)中需要重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面的關(guān)鍵措施。

3.1 穩(wěn)壓、穩(wěn)流措施

在工藝流程設(shè)計(jì)中，我們需要考慮以下措施解決天然氣作為儀表檢定檢測(cè)介質(zhì)的穩(wěn)壓和穩(wěn)流問(wèn)題。

①選用調(diào)壓、調(diào)流量性能較好的調(diào)節(jié)閥。推薦采用軸流式調(diào)節(jié)閥。

②在工藝流程設(shè)計(jì)中，采取入口二級(jí)穩(wěn)壓、流量計(jì)下游調(diào)流量和出口計(jì)量的流程。這樣可保證在流量計(jì)檢定過(guò)程中天然氣介質(zhì)的壓力和流量較穩(wěn)定。

3.2 溫度穩(wěn)定措施

要求站內(nèi)、外系統(tǒng)都盡量采用埋地方式，不受環(huán)境溫度的影響。地面上管段、匯管、管件等應(yīng)采取保溫措施。

3.3 流量計(jì)前、后直管段要求

①所有的流量計(jì)前、后直管段均應(yīng)經(jīng)機(jī)械加工、研磨，確保直管段內(nèi)表粗糙度達(dá)到▽3.2（Ra=3.2μm）。

②直管段長(zhǎng)度設(shè)置：標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計(jì)、超聲流量計(jì)前為30D，后為10D（D為管直徑）。

在被檢流量計(jì)前10D處設(shè)置整流器，以保證流動(dòng)天然氣介質(zhì)為充分發(fā)展流動(dòng)狀態(tài)，確保流量計(jì)量準(zhǔn)確度。

3.4 施工質(zhì)量要求

施工質(zhì)量高低直接影響標(biāo)準(zhǔn)裝置技術(shù)指標(biāo)的優(yōu)劣，管件加工、焊接質(zhì)量等施工因素至關(guān)重要。在施工前應(yīng)做好施工設(shè)計(jì)和施工方案編制。工程施工應(yīng)嚴(yán)格符合國(guó)家和行業(yè)相關(guān)規(guī)范要求。

由于計(jì)量檢定站原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置、次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置、標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計(jì)、超聲流量計(jì)、分析儀表等都是關(guān)鍵特殊設(shè)備，因此在設(shè)備選擇時(shí)都需要在可靠、精確、安全等各方面給予重點(diǎn)考慮。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了mt法天然氣流量計(jì)量檢定技術(shù)的不確定度，以mt為原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的工作級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的最佳測(cè)量能力為0.3％（k=2）。同時(shí)，提出了降低mt流量原級(jí)檢定法不確定度的關(guān)鍵措施，為該技術(shù)在天然氣流量計(jì)量檢定中的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

［1］桑增亮，潘琦.應(yīng)用于天然氣脫水裝置的噴射器設(shè)計(jì)［J］.化工機(jī)械，2009，36（1）：9－12.

［2］齊友.天然氣計(jì)量及標(biāo)定系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.石油與天然氣化工，2009，38（6）：598－600.

［3］王博.一種新的差壓式流量計(jì)標(biāo)定方法［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2010，37（8）：66－68.

Analyzing the Uncertainty of Natural Gas Flowmeter Verification Device Based on Static Mass Method

The quality and time of natural gas flowmeter primary verification technology based on static mass method can be traced to the national benchmark of quality and time，so the technology can achieve higher accuracy ofmeasurement and has been widely applied.The uncertainty is themeasure index ofmetering and verification accuracy of natural gas flow，the uncertainty of the staticmassmethod is analyzed and calculated in-depth，on this basis，keymeasures for reducing uncertainty of the primary flow verificationmethod are proposed.The analysis lays foundation for popularization and application of this technology in natural gas flow metering and verification.

Natural gas Flow measurement Uncertainty Verification mtmethod

TP273

A

修改稿收到日期：2013－09－02。

李吉陽(yáng)（1974－），男，1998年畢業(yè)于西南石油學(xué)院石油天然氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，工程師；主要從事資產(chǎn)設(shè)備管理工作。