天然氣超聲流量計等精度量傳應用效果分析

白巖，郭淑梅，白榮，趙霞，晁宏洲

1.中國石油長慶油田分公司 技術監測中心（陜西 西安718500）

2.中國石油長慶油田分公司 第一采氣廠（陜西 西安718500）

3.中國石油塔里木油田分公司 油氣運銷部（新疆 庫爾勒841000）

0 引言

近10年我國天然氣工業得到飛速發展，建成天然氣長輸管道總里程近10×104km，初步形成“橫跨東西、縱貫南北、聯通境外”貫穿全國主要地區與城市的輸送管網。伴隨著天然氣的發展,天然氣計量技術也有了突破性進展，超聲流量計以其高精度、大量程、低壓損等優勢，逐步替代了傳統孔板流量計成為大宗天然氣計量的主要用表。

按照GB/T 18603—2014《天然氣計量系統技術要求》[1]，用于A級交接站點的超聲流量計須進行實流檢定，要拆卸后送國家石油天然氣大流量計量站，用天然氣作為介質檢定。目前，國內建設或正在建設的有9座檢定站，分布在成都、南京、武漢、廣州、烏魯木齊、北京、榆林、塔里木。其中，成都、南京分站建有原級、次級及工作級計量標準，武漢分站建有原級、工作級計量標準，廣州、烏魯木齊、榆林分站建有次級、工作級計量標準，北京、塔里木分站建有工作級計量標準。

目前，主要用工作級計量標準檢定/校準超聲流量計，工作級計量標準的不確定度在0.25%～0.33%。JJG 1030—2007《超聲流量計檢定規程》7.1.1.2中的規定：裝置測量結果的不確定度應不大于被檢流量計最大允許誤差絕對值的1/3[2]。A級站點計量系統的最大允許誤差為1.0%，流量計不確定度為0.75%，檢定該等級超聲流量計，標準裝置的不確定度應達到0.25%。

按該規定，部分工作級計量標準不能滿足檢定規程的要求，但工作計量標準的不確定度的提高受多種因素影響也存在較大難度，而建立次級標準檢定超聲流量計又存在建設投資大、流量范圍小不能覆蓋大口徑流量計的問題。

因此，進行等精度量傳是解決天然氣超聲流量計檢定切實可行的方法。

1 理論基礎

等精度量傳主要應用于高等級標準裝置傳遞系統，將一個流量范圍很小的原級流量基準通過一系列傳遞鏈形成了等級相差無幾的標準體系。比如荷蘭NMI用1個有效容積為0.6 m3的0.1級小鐘罩作為國家基準，通過2臺濕式流量計傳遞給3.5 m3的次級標準鐘罩裝置，再用鐘罩檢定作為傳遞標準使用的渦輪流量計，用該傳遞標準組建標準表法高壓大流量氣體標準裝置，其裝置允許誤差可達到±0.28%[3]。通過三級傳遞后，其不確定度僅增加了2.8倍。如果按照傳統傳遞理論1/3傳遞，經過三級傳遞0.1級→0.3級→0.9級，而最終只能檢定3.0級的流量計，這樣難以滿足工作計量器具發展的需求[4-5]。目前國內天然氣實流檢定站在標準級傳遞中也采納了同樣的原理，使工作流量標準裝置的不確定度剛好滿足±0.32%，滿足1.0級的超聲流量計的檢定需求[4-5]。因此，將高精度計量標準量值傳遞理論等同用于工作計量器具的檢定研究。

流量標準裝置的不確定度計算公式：

式中：ES為檢定標準用的流量標準裝置的準確度；E1表示在檢定條件與使用條件不符的情況下所引起的附加誤差；ER為標準表單次測量的極限相對誤差,即重復性。重復性是指在相同測量條件下，對同一被測量進行連續多次測量所得結果之間的一致性。采用貝塞爾公式，如下：

長慶油田在線實流標定車，在某國家分站用工作標準（0.32級）檢定。其不確定度為：

式中：ES為上級標準裝置工作標準的0.32%。

標準渦輪流量計處溫度測量TS估計值的標準不確定度u(TS)：

標準渦輪流量計處氣體壓力測量PS估計值的標準不確定度u(PS)：

標準渦輪流量計脈沖計數NS估計值的標準不確定度u(NS)：

實踐證明，只要所選擇的標準流量計具有足夠好的重復性，如以上實例分析天然氣在線實流標定車的主標準渦輪流量計的重復性較好，甚至比上一級標準傳遞誤差ES高出一個數量級，被檢的標準流量計的不確定度就接近與上一級標準裝置的不確定度。由此可以看出，當Er遠小于ES時，流量標準裝置準確度δ≈ES。這就是等精度量傳的理論基礎，也就是說標準表流量標準裝置的準確度同上一級標準裝置的準確度大致相等。同理，用該標準表法流量標準裝置檢定其他流量計也可以得到相似的結果[6]。但是，需要強調的是由安裝等因素引起的附加誤差不可估量，因此在檢定過程中應確保標準裝置按照規范標準的要求進行設計、安裝和維護，保證引入最小的附加誤差。

2 應用效果分析

2006年前，長慶油田天然氣貿易交接計量流量計主要送往國家石油天然氣大流量計量站成都、南京分站進行檢定，但由于送檢距離遠、檢定周期長，且現場備用流量計少，拆裝、送檢組織難度大，嚴重影響到氣田的生產組織。因此，2006年長慶油田建設了1套移動式天然氣在線實流檢定裝置。該裝置標準器采用一臺DN300渦輪流量計和一臺DN100渦輪流量計組成，裝置配套建有一臺DN300核查超聲流量計和一臺在線色譜儀（C6+），整體設計壓力6.3 MPa，檢定流量范圍34～4 500 m3/h，測量不確定度優于0.33%。

移動式天然氣在線實流檢定裝置投運以來，長慶油田先后對承擔陜京、靖西等長輸管網供氣任務的第一、二、三凈化廠、榆林天然氣處理廠、榆林第一、二末站、蘇里格第一、三處理廠外貿交接管路進行了改造。從2007年開始實用該檢定裝置進行貿易超聲流量計的在線實流檢定任務，累計檢定1 000余臺次。

檢定時，將裝置與現場檢定預留口連接后，天然氣經過被檢流量計后從核查管路進入裝置，再經核查流量計、標準流量計后從標準管路流出，返回用戶管線。實驗將標準渦輪流量計作為標準，將核查超聲流量計作為被檢流量計，而此核查超聲流量計于某年在某國家分站進行了檢定。對比2次檢定的數據可得出該標準等精度傳遞的現場實驗結論。

表1和表2分別為某年核查超聲流量計在某國家分站與采用標準渦輪流量計的檢定數據，由于受到現場流量調配的困難，在檢定過程中無法實現大流量點的檢定，因此只進行了2 700 m3/h以下流量點的測試。通過近似檢定點的數據比對（表3），可以看出利用精度等級高的某國家分站標準裝置及用移動在線實流標定車的標準渦輪流量計檢定最大值相差0.3%，在小流量檢定點兩次檢定結果相似度較高。

表1 某年超聲流量計檢定數據統計（某國家分站）

表2 某年超聲流量計檢定數據統計（自檢）

表3 某年超聲流量計兩次檢定結果數據比對

為了更加確切地使用實驗結果論證等精度檢定的可取性，將某年的檢定數據同樣進行了統計與分析，從表4、表5、表6可以看出，用高精度標準裝置及基本同等精度的移動渦輪標準流量計檢定結果的差值絕對值最大為0.27%，差異平均值為0.16%。且兩次檢定結果均在被檢0.5級核查超聲流量計的允許誤差范圍內，其中在某國家分站檢定的誤差算術平均值為δ1=0.12%，自檢的誤差算術平均值為δ2=0.16%，檢定結果相接近。

表4 第二年超聲流量計檢定數據統計（自檢）

表5 第二年超聲流量計檢定數據統計（某國家分站）

表6 第二年超聲流量計兩次檢定結果數據比對

由此可見，用量傳體系中的高一個精度等級的標準裝置與重復性極好的同等精度等級的標準開展檢定，兩者的檢定結果差異不大。

表7 各裝置主要技術參數對比

3 結論及建議

1）等精度或近精度量傳已應用于天然氣流量計量，且得到業內認可，但需要特別注意的是作為標準的流量計重復性要優于不確定度的1/3。在線檢定/校準，還需使用調節性能穩定可靠、調節精度高、噪音低的流量調節閥，截止閥最好應用密封性能好、零泄漏、全通徑強制密封球閥，檢定時旁路不能出現漏氣等現象。

2）選擇等精度量傳流量計時，應盡量選擇與被檢流量計不同測量原理的流量計，可避免因測量原理缺陷所帶來干擾引起的附加誤差。

3）由于貿易交接計量流量計的檢定屬于國家強制檢定范疇，因此按照檢定規程只有滿足國家計量檢定系統及檢定規程的要求才能出具檢定證書，而等精度量傳可出具校準證書，目前校準證書在我國還沒有完全的法制效力，但如用戶雙方認可并在簽訂供氣合同明確說明也同樣具有很強的可行性。

應用等精度量傳開展超聲流量計的檢定/校準或使用中檢驗，不僅方便實現檢定，同時節約了檢定裝置的建設費用，又保證了量值的統一。目前，國家站（大慶）、南京分站、武漢分站先后建設了在線實流檢定裝置，用于開展天然氣交接計量流量計的在線或實流檢定，有效緩解了我國天然氣超聲流量計階段性檢定難的問題，也推動了我國天然氣計量技術的發展。