天然氣流量計(jì)使用與檢定中的真空地帶

黃敏 譚磊 劉黎霞

宜昌市計(jì)量檢定測(cè)試所 湖北宜昌 443000

1 天然氣流量計(jì)在使用中對(duì)溫度壓力測(cè)量的需求

目前，我國(guó)用于天然氣貿(mào)易結(jié)算的流量計(jì)主要有氣體容積式流量計(jì)、渦街流量計(jì)、超聲流量計(jì)和渦輪流量計(jì)。

根據(jù)《天然氣計(jì)量系統(tǒng)技術(shù)要求》（GB/T18603-2014）中的規(guī)定，天然氣流量計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)參比條件（即標(biāo)況）為：20℃、壓力為101.325kPa（絕壓），在供氣方與用氣方進(jìn)行貿(mào)易結(jié)算時(shí)采用在標(biāo)況下的天然氣體積（單位：Nm3）作為結(jié)算單位。但在實(shí)際結(jié)算時(shí)，管道內(nèi)天然氣的溫度壓力并不在標(biāo)況下（即工況），因此，就需要對(duì)天然氣實(shí)際溫度與壓力進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)氣態(tài)方程采用公式（a）換算成標(biāo)況下的體積。

其中：

p0-標(biāo)況下氣體的絕對(duì)壓力，Pa；

V0-標(biāo)況下氣體的體積，Nm3；

T0-標(biāo)況下氣體的熱力學(xué)溫度，K；

p1-工況下氣體的絕對(duì)壓力，Pa；

V1-工況下氣體的體積，m3；

T1-工況下氣體的熱力學(xué)溫度，K。

基于上述要求，就需要天然氣流量計(jì)具備自帶的或配套的溫度、壓力傳感器，將工況體積換算成標(biāo)況體積的功能。

2 天然氣流量計(jì)在檢定中的實(shí)際情況

對(duì)于氣體容積式流量計(jì)、渦街流量計(jì)、超聲流量計(jì)和渦輪流量計(jì)，目前現(xiàn)行有效的檢定規(guī)程分別為：JJG633-2005《氣體容積式流量計(jì)檢定規(guī)程》、JJG1029-2007《渦街流量計(jì)》、JJG1030-2007《超聲流量計(jì)檢定規(guī)程》和JJG1037-2008《渦輪流量計(jì)檢定規(guī)程》[1]。

以JJG633-2005《氣體容積式流量計(jì)檢定規(guī)程》為例，對(duì)JJG633-2005中描述的示值誤差的檢定方法進(jìn)行分析：

根據(jù)JJG633-2005中7.2.4.9的要求：一次試驗(yàn)過(guò)程中，被檢流量計(jì)的測(cè)試元件啟、停應(yīng)處于同一位置；給定氣量或設(shè)定脈沖數(shù)應(yīng)等于回轉(zhuǎn)體積的整數(shù)倍，或設(shè)定的給定氣量達(dá)到足以使回轉(zhuǎn)體積變化帶來(lái)的影響可忽略不計(jì)。并按照?qǐng)D1中的公式計(jì)算示值誤差，此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)器的流量需要換算成與被檢流量計(jì)同一溫度和壓力狀態(tài)下的累計(jì)流量值。

同時(shí)，還要根據(jù)JJG633-2005中7.2.3提供的不同種類的標(biāo)準(zhǔn)器，合理選用檢定方法，如圖2所示：

圖1 被檢流量計(jì)示值誤差計(jì)算公式

圖2 氣體容積式流量計(jì)檢定方法與對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)器

2.1 靜態(tài)檢定方法

該方法一般用于檢定沒(méi)有脈沖信號(hào)輸出的流量計(jì)。由于被檢流量計(jì)累積量為標(biāo)況體積，故標(biāo)準(zhǔn)器的累計(jì)流量必須換算成標(biāo)況體積。由于標(biāo)準(zhǔn)器及其配套的溫度、壓力傳感器均經(jīng)過(guò)有效溯源，當(dāng)被檢流量計(jì)示值誤差檢定結(jié)果合格時(shí)，可以認(rèn)為被檢流量計(jì)配套的溫度、壓力傳感器能夠正常工作，內(nèi)部積算功能正常（圖3），且在該檢定環(huán)境下能夠提供較為準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。

圖3 被檢流量計(jì)內(nèi)部積算功能簡(jiǎn)圖

另外，在檢定時(shí)還應(yīng)該考慮被檢流量計(jì)分辨力對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。通常情況下，當(dāng)分辨力對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響不超過(guò)最大允許誤差絕對(duì)值的1/10時(shí)，可以將其忽略。對(duì)于1.5級(jí)的氣體容積式流量計(jì)而言，其最大允許誤差絕對(duì)值的1/10為0.15%，如公式（b）所示：

表1 檢定各種口徑流量計(jì)各檢定點(diǎn)的最短時(shí)間

當(dāng)被檢流量計(jì)為首次檢定時(shí)，其累計(jì)量的分辨力一般為0.0001m3，故根據(jù)公式（b）可以計(jì)算得到給定氣量應(yīng)不小于0.0667m3；當(dāng)被檢流量計(jì)為后續(xù)檢定時(shí)，其累計(jì)量的分辨力一般為0.001m3、0.01m3、0.1m3或1m3，故給定氣量應(yīng)分別不小于0.667m3、6.67m3、66.7m3、667m3。

圖4 某品牌氣體容積式流量計(jì)流量范圍一覽表

根據(jù)圖4的數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出當(dāng)被檢流量計(jì)分辨力為0.0001m3時(shí)，各口徑流量計(jì)在不同檢定點(diǎn)所需要的時(shí)間。

同時(shí)，當(dāng)被檢流量計(jì)分辨力分別為0.001m3、0.01m3、0.1m3或1m3時(shí)，各口徑對(duì)應(yīng)的最短時(shí)間將依次遞增十倍。

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，當(dāng)采用靜態(tài)檢定方法開(kāi)展檢定時(shí)，消耗時(shí)間長(zhǎng)，且后續(xù)檢定時(shí)耗時(shí)更甚，工作效率低，并且對(duì)標(biāo)準(zhǔn)器的氣體容量也有相應(yīng)要求。故該方法在實(shí)際檢定中使用較少。

2.2 動(dòng)態(tài)檢定方法

目前我國(guó)多數(shù)計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)都采用臨界流文丘利噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置作為標(biāo)準(zhǔn)器，該裝置從啟動(dòng)到到達(dá)預(yù)設(shè)流量點(diǎn)存在一個(gè)緩沖過(guò)程，在這個(gè)緩沖過(guò)程中標(biāo)準(zhǔn)器的累計(jì)流量沒(méi)有準(zhǔn)確性可言，因此該標(biāo)準(zhǔn)裝置只能用于動(dòng)態(tài)檢定方法。

根據(jù)JJG633-2005中7.2.4.9的要求，按照?qǐng)D5中的公式計(jì)算儀表系數(shù)，即在設(shè)定的檢定時(shí)間內(nèi)接收被檢流量計(jì)發(fā)出的頻率信號(hào)，并記錄脈沖數(shù)（為減小脈沖計(jì)數(shù)帶來(lái)的誤差對(duì)檢定結(jié)果的影響，累計(jì)脈沖數(shù)一般應(yīng)不小于1000），同時(shí)計(jì)算檢定時(shí)間內(nèi)流過(guò)標(biāo)準(zhǔn)器的氣體體積，計(jì)算出被檢流量計(jì)的儀表系數(shù)[2]。

圖5 被檢流量計(jì)儀表系數(shù)計(jì)算公式

目前多數(shù)計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)都采用該方法對(duì)氣體容積式流量計(jì)進(jìn)行檢定，以提高檢定效率。但由于被檢流量計(jì)的頻率信號(hào)直接來(lái)源于其內(nèi)部機(jī)械運(yùn)動(dòng)件的旋轉(zhuǎn)，所以，頻率信號(hào)所對(duì)應(yīng)的體積量是流過(guò)被檢流量計(jì)的工況流量，計(jì)算得出的流量計(jì)儀表系數(shù)也是工況下的系數(shù)。如果該流量計(jì)檢定合格，僅只能證明被檢流量計(jì)在工況下的計(jì)量性能符合要求，而溫度和壓力傳感器的計(jì)量性能無(wú)法判定，因此，被檢流量計(jì)顯示的標(biāo)況流量的準(zhǔn)確度亦無(wú)法判定。

在JJG633-2005中的7.2.4.5和7.2.4.7有要求進(jìn)行溫度測(cè)量和壓力測(cè)量，但規(guī)程的計(jì)量性能要求中沒(méi)有詳細(xì)規(guī)定上述兩項(xiàng)測(cè)量的最大允許誤差和判定標(biāo)準(zhǔn)。這就可能會(huì)出現(xiàn)某些流量計(jì)檢定結(jié)果合格，但是由于內(nèi)部溫度傳感器和壓力傳感器的測(cè)量誤差過(guò)大，而造成被檢流量計(jì)累計(jì)量失準(zhǔn)的情況。

2.3 其他檢定方法

目前有部分檢定機(jī)構(gòu)采用記錄被檢流量計(jì)瞬時(shí)流量，再乘以檢定時(shí)間的方法，獲得被檢流量計(jì)的累計(jì)流量，以完成檢定，但是在JJG633-2005中并未提供該方法，且規(guī)程中也并未指出可以使用規(guī)定方法以外的其他方法進(jìn)行檢定，并且被檢表的瞬時(shí)流量刷新頻率受儀表內(nèi)部阻尼時(shí)間的限制，不能完全反應(yīng)出流過(guò)被檢表氣體流量的實(shí)際情況，故該方法不可取。

3 如何確定溫度、壓力傳感器的允差范圍

假設(shè)某流量計(jì)準(zhǔn)確度等級(jí)為1.5級(jí)，檢定時(shí)部分?jǐn)?shù)據(jù)如表2所示：

表2 某流量計(jì)檢定部分?jǐn)?shù)據(jù)

被檢流量計(jì)處的溫度和壓力來(lái)源于檢定裝置上的溫度變送器和壓力變送器，都經(jīng)過(guò)有效溯源，能夠保證其量值準(zhǔn)確可靠。假設(shè)此時(shí)被檢流量計(jì)上顯示的溫度為16.8℃，大氣壓力（絕對(duì)壓力）為101.5kPa，流過(guò)的工況體積為0.7169m3，根據(jù)公式（a）可以計(jì)算出此時(shí)被檢流量計(jì)的理論累計(jì)流量（標(biāo)況）為：

其最大允許誤差為±0.7261×1.5%=±0.0109Nm3。即累計(jì)流量的允許變化范圍為（0.7152-0.7370）Nm3。根據(jù)該范圍，結(jié)合公式（c），分別將壓力測(cè)量結(jié)果p和溫度測(cè)量結(jié)果T當(dāng)做單一變量，可以計(jì)算分別出滿足累計(jì)標(biāo)況體積量合格范圍內(nèi)的溫度和壓力波動(dòng)范圍的極值，數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 溫度和壓力對(duì)累計(jì)標(biāo)況流量影響的最大變化量

通過(guò)表3中的數(shù)據(jù)，可以認(rèn)為，當(dāng)被檢流量計(jì)溫度傳感器計(jì)量功能正常，壓力傳感器存在誤差時(shí)，為保證累計(jì)標(biāo)況流量計(jì)量準(zhǔn)確，其壓力傳感器的顯示值必須在（99.98-103.03）kPa之間，該范圍的中值為101.51kPa，半寬為1.52kPa；同樣，當(dāng)被檢流量計(jì)壓力傳感器計(jì)量功能正常，溫度傳感器存在誤差時(shí)，為保證累計(jì)標(biāo)況流量計(jì)量準(zhǔn)確，其溫度傳感器的顯示值必須在（12.50-21.20）℃之間，該范圍的中值為16.85℃，半寬為4.35℃[3]。

這就意味著，對(duì)于被檢表為1.5級(jí)的流量計(jì)，當(dāng)其顯示的壓力、溫度與檢定裝置配套的流量計(jì)處的壓力傳感器壓力值之差超過(guò)±1.5kPa或溫度值之差超過(guò)±4℃時(shí)，即便儀表常數(shù)檢定合格，但換算后的標(biāo)況流量也可能存在誤差超差的情況。

4 其他類型的天然氣流量計(jì)是否存在類似問(wèn)題

對(duì)于渦街流量計(jì)，一般與溫度傳感器、壓力變送器、流量積算儀等設(shè)備配套使用，組成測(cè)量系統(tǒng)，且每個(gè)組成部分均要進(jìn)行溯源，故不存在上述問(wèn)題。但對(duì)于封裝了溫度、壓力傳感器的渦街流量計(jì)則會(huì)出現(xiàn)上述問(wèn)題。

對(duì)于超聲流量計(jì)中的外夾式流量計(jì)，由于其只能測(cè)量工況，所以不會(huì)存在上述問(wèn)題，但對(duì)于整體安裝的超聲流量計(jì)，如能夠顯示標(biāo)況流量（瞬時(shí)或累計(jì)），則會(huì)存在上述問(wèn)題。

對(duì)于渦輪流量計(jì)，當(dāng)采用累計(jì)流量（標(biāo)況）計(jì)算示值誤差時(shí)不會(huì)存在上述問(wèn)題，但如果使用儀表系數(shù)K計(jì)算示值誤差，同樣會(huì)存在上述問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

在天然氣貿(mào)易結(jié)算的需要下，對(duì)天然氣流量計(jì)的計(jì)量性能，以及其他功能的要求日趨嚴(yán)格，這就對(duì)檢定規(guī)程的內(nèi)容提出了更高的要求。呼吁各規(guī)程歸口單位，能夠及時(shí)對(duì)規(guī)程內(nèi)容作出修訂，以滿足目前天然氣貿(mào)易結(jié)算的需要。