新型差壓槽道式流量計校準方法

大慶油田設計院有限公司

流量測量技術是一種復雜的復合測量技術，其中解決運動相似問題一直是流量測量技術面臨的巨大挑戰，一種完全自主知識產權的新型節流式差壓流量計——槽道流量計[1-2]，為解決流量測量的運動相似性問題做了有益的嘗試。槽道流量計基于流體力學、流體控制技術，以優化的流線型紡錘體作為節流件，任意流態流體通過節流件與管道內壁之間形成的環狀槽道時，逐漸調整為流動狀態相似的近似于均勻速度分布的流體，以獲得穩定的差壓[3]。相較于傳統差壓式流量計，槽道式流量計有幾個特點：①對上下游直管段要求低。由于紡錘體節流件的整流功能，槽道式流量計對整流器沒有要求，配置直管段很短，大幅降低了安裝要求。②壓損小。紡錘體的優化流線型設計，使流經流量計的流體在表體內不會發生運動分離，較傳統差壓式流量計的永久壓力損失小很多（是同β值標準孔板永久壓損的20%），同時沒有分離和漩渦，保證了測量信號較高的信噪比。③高準確度和寬量程比。當流體達到充分湍流后，槽道式流量計環道內形成了近似均勻速度分布的流態，在此流態下，流體在環道內的邊際層對流體流態的影響可以忽略，流出系數近似為常數。④經特殊設計的對稱式紡錘體可以實現流體的雙向測量[4]。由于紡錘體具有耐磨損、抗臟污的優勢，使該種流量計有很好的適用性和穩定性，適合在天然氣流量計量領域推廣使用。

槽道式流量計作為新式流量計，沒有相應的標準、規程和規范指導其檢定或校準，只能參照JJG640—2016《差壓式流量計》[5]執行。但該規程主要適用于孔板、噴嘴等傳統差壓流量計，對槽道式流量計并不適用。隨著槽道式流量計應用越來越廣泛，需要制定相應標準對其進行規范。目前，標準工作組已完成了SY/T 7551—2019《用槽道式流量計測量天然氣流量》[6]標準的報批，對其校準方法也進行了重新規定。

1 校準裝置

標準裝置可采用重復性較好的羅茨流量計或渦輪流量計作為主標準器的標準表法氣體流量標準裝置，與被校流量計串聯在同一管路中，配備差壓變送器、壓力變送器和溫度變送器。計算機同時采集被校表和標準表輸出的流量信號，修正后得到相應的標況流量，比較后得到校準結果。標準裝置流量測量的擴展不確定度U≤0.33%（包含因子k=2）；對于準確度0.5 級的槽道式流量計可采用臨界流噴嘴作為標準裝置，標準裝置流量測量的擴展不確定度U≤0.25%（包含因子k=2）。

2 校準方法

2.1 校準條件

流量計采用水平安裝方式，確保表體外壁取壓口及測溫口垂直向上，上游直管段長度至少應為5D（D為管道內徑），下游直管段長度至少應為2D。單次測試過程中，流體介質應達到充分湍流（測量管徑雷諾數ReD≥105），介質溫度變化應在±0.5 ℃內，壓力波動應在±0.5%內，流量波動應在±5%內。

2.2 校準項目和校準程序

2.2.1 流量點

在管徑雷諾數ReD=105時的流量至流量計最大流量之間均勻地選擇4 個測試流量點，也可以增加其他流量點進行附加校準試驗。對于大口徑流量計的校準可能達不到上限流量值，可指定低于流量計最大流量qmax的校準流量范圍，一般為0.7qmax。

2.2.2 測試次數

每個流量點連續測試3 次，對于準確度為0.5級的流量計，應增加測量次數，每個流量點連續測試6 次。

2.2.3 測試時間

每次數據采集時間不小于100 s。

2.2.4 校準程序

校準程序為：①應預運行至少5 min，待流體介質的溫度、壓力、流量達到穩定值后，進行校準；②把流量調到規定的流量值，穩定后同時啟動標準器（或標準器的記錄功能）和被檢流量計（或被檢流量計的輸出功能），并記錄標準器和被檢流量計的初始示值；③按裝置操作要求運行一段時間后，同時停止標準器（或標準器的記錄功能）和被檢流量計（或被檢流量計的輸出功能），記錄標準器和被檢流量計的最終示值；④比較流量計和標準器的累積流量或平均瞬時流量值，計算示值誤差和流出系數；⑤復上述測試，計算流量計的重復性。

2.3 測試數據處理

2.3.1 流量計算

流量計在標準參比條件下的體積流量按式[7]（1）計算。

式中：qij為第i校準點第j次被檢流量計在標準參比條件下的流量值，m3/s；C0為流量計原流出系數，無量綱；Δpij為第i校準點第j次校準被檢流量計的差壓，Pa；ρf為操作條件下介質密度，kg/m3；ρn為標準參比條件下介質密度，kg/m3；ε為可膨脹性系數，無量綱；D為流量計表體內徑，m；d為紡錘體等直段直徑，m；β為等效直徑比，無量綱。

2.3.2 可膨脹系數計算

可膨脹系數ε按式（2）計算。

式中：A為可膨脹系數計算參數，無量綱；pij為第i校準點第j次校準被檢流量計上游處的靜壓力，Pa；κ為等熵指數，無量綱。

2.3.3 示值誤差計算

流量計的單次測量示值誤差按式（3）計算。

式中：Eij為第i校準點第j次校準被檢流量計的相對示值誤差，%；(qs)ij為第i校準點第j次標準器在標準參比條件下的流量值，m3/s。

流量計各流量點的相對示值誤差按式（4）計算。

式中：Ei為流量計第i校準點的相對示值誤差，%；n為第i校準點的測試次數。

流量計的示值誤差按式（5）計算。

式中：|Ei|max為流量計各校準點相對示值誤差中最大值，%。

2.3.4 重復性計算

流量計各流量點的重復性按式（6）計算。

式中：(Er)i為第i校準點的重復性，%。

流量計的重復性按式（7）計算。

2.3.5 流出系數計算

流量計單次校準的流出系數按式（8）計算。

式中：Cij為第i校準點第j次校準流量計的流出系數，無量綱。

流量計各校準點的流出系數按式（9）計算。流量計的流出系數C取各校準點流出系數的算術平均值。

式中：Ci為第i校準點校準流量計的流出系數，無量綱。

2.3.6 管徑雷諾數計算

管徑雷諾數按式（10）計算。平均管徑雷諾數按式（11）計算。

式中：(ReD)ij為第i校準點第j次校準流量計的管徑雷諾數，無量綱；uf為氣體動力黏度，Pa·s。

2.3.7 流量計修正

按前文中計算得到的流量計流出系數，置入配套表頭或流量計算機中，進行流量計修正。

2.4 不確定度估算

2.4.1 校準后的質量流量測量相對標準不確定度

經過實流校準的流量計，其質量流量測量的相對標準不確定度ur(qm)按式[8]（12）估算。

式中：ur(qmf)為流量計校準后在校準條件下的流量相對測量不確定度，由式（13）估算給出；ur(Δp)為差壓測量的不確定度；ur(ρf)為天然氣密度測量的相對不確定度。

2.4.2 校準條件下質量流量測量的不確定度

在校準條件下流量測量的不確定度按式（13）估算。

式中：u(s)為校準用標準裝置的流量測量不確定度；u(Er)為校準數據重復性引入的A 類不確定度。

2.4.3 校準后質量流量測量的相對擴展不確定度

經過實流校準的流量計，其質量流量測量的相對擴展不確定度按式（14）估算。

3 實驗數據

對國內某公司生產的穩定性良好的槽道式流量計進行校準，流量計準確度等級1.0 級，實驗數據見表1。

表1 槽道式流量計校準記錄Tab.1 Calibration records of spindle flowmeter

流量計的出廠流出系數[9]C0=0.87，可膨脹系數計算參數A=0.701 96，等效直徑比β=0.60，采用空氣作為測量介質的標況密度ρn=1.293 kg/m3，得到流量計校準結果數據（表2）。

表2 槽道式流量計校準結果Tab.2 Calibration results of spindle flowmeter

4 結論

針對新型差壓槽道式流量計，給出了以標準表法為標準器的校準方法，通過實驗完成了槽道式流量計校準的數據分析、處理，驗證了校準方法的可靠性和實用性，可以有效指導槽道式流量計在天然氣流量計量方面的推廣和應用。