天然氣流量計(jì)在線檢定技術(shù)探討

方永杰

國(guó)家石油天然氣大流量計(jì)量站 （黑龍江 大慶 163712）

天然氣流量計(jì)在線檢定技術(shù)探討

方永杰

國(guó)家石油天然氣大流量計(jì)量站 （黑龍江 大慶 163712）

針對(duì)目前天然氣流量計(jì)檢定的實(shí)際情況和存在的問(wèn)題，結(jié)合目前國(guó)內(nèi)機(jī)械加工技術(shù)發(fā)展情況，提出了研究設(shè)計(jì)天然氣流量計(jì)在線檢定裝置的可行性、重要性和必要性。為中、高壓天然氣流量計(jì)的貿(mào)易交接計(jì)量量值傳遞方法，提出了一個(gè)可行的技術(shù)方案。

天然氣 流量計(jì) 檢定裝置 在線檢定技術(shù)

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)油氣能源需求持續(xù)增長(zhǎng)，特別是天然氣消費(fèi)量迅速增加，已進(jìn)入“天然氣時(shí)代”。 目前中國(guó)石油擁有的天然氣管網(wǎng)干線包括：川渝環(huán)網(wǎng)、西氣東輸、陜京一線、陜京二線、忠武線、澀寧蘭線、冀寧線和淮武聯(lián)絡(luò)線等，逐步建成一縱一橫貫穿中國(guó)的兩條天然氣管道輸送干線和西南、兩湖、西北、華北、華東、東北等6個(gè)區(qū)域的天然氣管道15條合計(jì)超過(guò)11 700km，壓氣站32座、分輸站126座，年輸氣量可達(dá)到1 150.5×109m3，配備貿(mào)易計(jì)量流量計(jì)量?jī)x表370多臺(tái)套。中國(guó)石油計(jì)劃用10年左右的時(shí)間，逐步建成西北、東北、西南、海上四大油氣戰(zhàn)略通道和國(guó)內(nèi)油氣骨干管網(wǎng)，完善儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施和調(diào)控能力，形成供應(yīng)穩(wěn)定的全國(guó)性管網(wǎng)和供氣體系。中國(guó)石油計(jì)劃要進(jìn)入100多個(gè)主要城市的燃?xì)馐袌?chǎng)。目前，我國(guó)天然氣貿(mào)易計(jì)量可選用的流量計(jì)類型有七、八種之多，但在天然氣輸氣管網(wǎng)中使用的中高壓、大口徑流量計(jì)主要有超聲、渦輪、孔板等。在新建的天然氣計(jì)量站中，超聲流量計(jì)、渦輪流量計(jì)幾乎全部取代了孔板，成為最主要的計(jì)量?jī)x表?？紤]到中、高壓氣體計(jì)量檢定的特殊性，目前由國(guó)家石油天然氣大流量計(jì)量站及其成都、南京分站在授權(quán)的范圍內(nèi)對(duì)這些貿(mào)易計(jì)量?jī)x表實(shí)施強(qiáng)制檢定。其檢定方法有兩種：①離線檢定，定期將流量計(jì)拆下送到實(shí)流檢定現(xiàn)場(chǎng)、成都分站或南京分站進(jìn)行檢定；②在線檢定，將移動(dòng)式在線檢定裝置運(yùn)送到計(jì)量站檢定現(xiàn)場(chǎng)對(duì)接到預(yù)留檢定工藝接口上，通過(guò)工藝切換實(shí)現(xiàn)對(duì)流量計(jì)的檢定。目前主要的檢定方式是離線檢定。不管是離線檢定時(shí)被檢流量計(jì)的拆裝，還是在線檢定時(shí)移動(dòng)式流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的安裝，都要花費(fèi)大量時(shí)間和人力物力。最主要的是天然氣管網(wǎng)的運(yùn)行要受到季節(jié)、安全、工藝要求的制約，有時(shí)不能按檢定要求進(jìn)行工藝調(diào)整，此時(shí)依托管網(wǎng)建設(shè)的天然氣計(jì)量站也不能開(kāi)展檢定工作。各檢定機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)裝置的壓力、流量范圍不同，檢定范圍受到一定的局限。根據(jù)目前我國(guó)貿(mào)易交接用中、高壓天然氣流量?jī)x表量值傳遞檢定的實(shí)際情況，探討是否能夠研究設(shè)計(jì)一套天然氣流量計(jì)在線檢定裝置固定安裝在使用現(xiàn)場(chǎng)定期（或不定期抽查）對(duì)其貿(mào)易交接流量計(jì)進(jìn)行量值傳遞檢定。

研究設(shè)計(jì)方案

1 天然氣流量量值溯源體系

國(guó)家氣體流量計(jì)量器具檢定系統(tǒng) （JJG 2064-1990）中，規(guī)定以50～2 000L的鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)系列裝置作為國(guó)家的氣體流量基準(zhǔn) （不確定度為0.20%），采用直接比較法，向不確定度為0.5%的其他次級(jí)流量標(biāo)準(zhǔn)或工作標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行氣體流量量值傳遞，并由這些標(biāo)準(zhǔn)檢定或測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的工作流量計(jì)。該檢定系統(tǒng)能滿足部分氣體流量量值溯源的需要，但沒(méi)有充分考慮氣體流量計(jì)量技術(shù)及儀表的發(fā)展，更沒(méi)有考慮到今天天然氣流量計(jì)量的實(shí)際需要。

為了準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)氣體流量量值，科學(xué)地開(kāi)展量值傳遞工作，國(guó)內(nèi)相繼建成了幾套具有較高水平的天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，并建立了相應(yīng)的天然氣流量量值溯源體系。GB/T 18603-2001《天然氣計(jì)量系統(tǒng)技術(shù)要求》等有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)均提出了盡可能實(shí)流檢定流量?jī)x表的技術(shù)要求，這也是今后天然氣計(jì)量檢定的一種趨勢(shì)。

通過(guò)近幾年的發(fā)展，我國(guó)天然氣流量量值溯源系統(tǒng)，已基本能滿足天然氣工業(yè)發(fā)展的需要。目前，能夠開(kāi)展中、高壓大流量天然氣檢定的技術(shù)機(jī)構(gòu)主要有國(guó)家石油天然氣大流量計(jì)量站及各分站，它們建設(shè)了原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、次級(jí)（傳遞）標(biāo)準(zhǔn)、工作標(biāo)準(zhǔn)組成我國(guó)天然氣量值溯源體系。

國(guó)家站及分站建設(shè)的原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)有：鐘罩、mt、PVTt法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，可以在中、高低壓工況條件下，以空氣或天然氣為介質(zhì)復(fù)現(xiàn)流量量值，不確定度可達(dá)到0.05%～0.1%。傳遞標(biāo)準(zhǔn)不但能把原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的量值傳遞到二級(jí)檢測(cè)站的工作標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也可進(jìn)行壓力放大，成都、南京站采用組合音速噴嘴作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)，不確定度可達(dá)到0.1%～0.25%。工作標(biāo)準(zhǔn)可以是渦輪、超聲流量計(jì)或臨界流文丘里噴嘴，工作壓力視實(shí)際情況可為定壓或變壓，工況流量不確定度可達(dá)0.15%～0.3%。

2 設(shè)計(jì)方案的選擇

對(duì)目前天然氣流量量值溯源技術(shù)發(fā)展情況的分析：

（1）鐘罩、mt、PVTt法氣體流量裝置建設(shè)投資大,工作時(shí)要求在20℃±1℃的工況條件下進(jìn)行工作。

（2）渦輪、超聲流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)表形式的檢定裝置投資小，工況條件可以滿足現(xiàn)場(chǎng)使用條件，但是該種方法選用的工作標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計(jì)、超聲流量計(jì)需要定期拆下來(lái)送到原級(jí)流量實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行全量程檢定，這個(gè)檢定過(guò)程存在兩個(gè)方面的問(wèn)題，首先檢定時(shí)的工況條件和安裝使用條件的不一致及送檢運(yùn)輸過(guò)程對(duì)它們不確定度影響都無(wú)法通過(guò)技術(shù)手段進(jìn)行修正；其次JJG 1030-2007《超聲流量計(jì)》和JJG 1037-2008《渦輪量計(jì)》檢定規(guī)程要求裝置的擴(kuò)展不確定度應(yīng)不大于流量計(jì)最大允許誤差絕對(duì)值的1/3。按照檢定規(guī)程的要求目前國(guó)內(nèi)能夠檢定示值誤差≤±0.3%標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)只有在國(guó)家站、南京分站的原級(jí)或傳遞標(biāo)準(zhǔn)上進(jìn)行量值傳遞檢定或比對(duì)測(cè)試。這樣對(duì)于大于DN200口徑的標(biāo)準(zhǔn)表的檢定或比對(duì)測(cè)試將受到了較大的限制。

（3）組合噴嘴式流量標(biāo)準(zhǔn)裝置是目前國(guó)際、國(guó)內(nèi)常用的一種氣體流量量值傳遞的標(biāo)準(zhǔn)裝置，該種形式裝置的投資不高，工況條件要求不苛刻，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)在線工作條件。其優(yōu)點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：①該種形式標(biāo)準(zhǔn)裝置標(biāo)準(zhǔn)器選用的是具有不同喉徑尺寸的臨界流文丘里噴嘴組合而成，按照J(rèn)JG 620-2008《臨界流文丘里噴嘴》檢定規(guī)程規(guī)定，噴嘴可以每5年拆下一次送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)流檢定或采用幾何尺寸檢測(cè)的方法進(jìn)行檢定[1]。該種形式的裝置量值傳遞簡(jiǎn)單方便；②組合噴嘴式流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的擴(kuò)展不確定度能做到0.3%左右，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)工作流量計(jì)的量值傳遞要求；③由于該種形式的裝置是以噴嘴組合形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，其流量范圍可以按照現(xiàn)場(chǎng)工作流量計(jì)的工況條件進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]。

通過(guò)以上分析，實(shí)現(xiàn)中、高壓天然氣流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)在線檢定選用組合噴嘴形式技術(shù)方案建立檢定裝置較為可行。

組合噴嘴式氣體流量檢定裝置研究

由于該形式噴嘴裝置要求能在中、高壓天然氣輸送的工況條件下工作，首先要考慮中、高壓天然氣的流通、切斷密封方法和使用運(yùn)行條件下的安全可靠性設(shè)計(jì)。

1 中、高壓天然氣流通、切斷密封閥設(shè)計(jì)

由于中、高壓天然氣在管道內(nèi)輸送一般都在1～10MPa壓力下流動(dòng)運(yùn)行。直接進(jìn)行切斷密封很難實(shí)現(xiàn)。必須設(shè)計(jì)專用機(jī)械結(jié)構(gòu)的壓力平衡密封閥來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能（圖1）。

該閥工作原理為：在密封工作狀態(tài)時(shí)，高壓氣體從裝置結(jié)構(gòu)體4的入口進(jìn)入，通過(guò)噴嘴8和密封塞7的中心孔進(jìn)入到密封連接體5內(nèi)，使密封塞7上下的氣體壓力一樣，保證氣缸1內(nèi)的氣體密封壓力不受裝置內(nèi)高壓氣體流通壓力的影響，保證該密封閥工作狀態(tài)密封穩(wěn)定可靠。在流通工作狀態(tài)時(shí)，密封塞6提起，高壓氣體從裝置結(jié)構(gòu)體4的入口進(jìn)入，通過(guò)噴嘴8計(jì)量后，經(jīng)過(guò)密封連接體5下端的4個(gè)對(duì)稱方孔到裝置結(jié)構(gòu)體的出口經(jīng)過(guò)工藝管線進(jìn)入輸送管線完成檢定計(jì)量過(guò)程。

2 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于天然氣流量計(jì)在線檢定裝置是選用文丘里噴嘴做為標(biāo)準(zhǔn)器，在中、高壓天然氣輸送狀態(tài)下實(shí)施檢定工作的。該檢定裝置在工作時(shí)是利用高壓氣體流通、切斷密封閥實(shí)現(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能的。噴嘴流量檢定裝置基本組成如圖2所示。

裝置主要由檢定裝置、工藝流量切換閥、溫壓測(cè)量?jī)x表、計(jì)時(shí)器和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成。裝置設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)被檢流量計(jì)的最大工作流量，考慮滿足被檢流量計(jì)全量程范圍內(nèi)各個(gè)檢定點(diǎn)的檢定要求，選取不同尺寸的噴嘴和不同數(shù)量的噴嘴采取并聯(lián)的形式分布安裝在噴嘴裝置結(jié)構(gòu)體內(nèi)。工作時(shí)，按照被檢流量計(jì)檢定點(diǎn)的流量選擇不同尺寸和不同數(shù)量的噴嘴進(jìn)行組合使之在接近該檢定點(diǎn)流量的情況下，打開(kāi)切斷閥，待流量穩(wěn)定時(shí)，在該檢定點(diǎn)上實(shí)施檢定。

裝置在整體結(jié)構(gòu)上可以考慮橇裝形式，按照裝置的技術(shù)參數(shù)將裝置的主體、控制和數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)分別集中設(shè)計(jì)在兩個(gè)區(qū)域內(nèi)，然后按照分區(qū)工況條件要求設(shè)計(jì)成輕板結(jié)構(gòu)檢定間和檢定控制間兩部分安裝在橇體上。使檢定系統(tǒng)形成一個(gè)整裝計(jì)量橇，計(jì)量橇運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)將進(jìn)出口與工藝預(yù)留接口連接就能進(jìn)行檢定工作。

3 控制和數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

根據(jù)檢定過(guò)程的工藝控制要求，硬件部分設(shè)計(jì)專用控制器與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)一起實(shí)現(xiàn)裝置檢定過(guò)程的手動(dòng)與自動(dòng)控制兩種功能。手動(dòng)控制與自動(dòng)控制通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)切換。

軟件和數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)軟件一起共同實(shí)現(xiàn)，具有以下功能：①建立良好的人機(jī)工作界面，具有檢定過(guò)程工藝流程顯示功能實(shí)現(xiàn)檢定工藝過(guò)程顯示與操作；②實(shí)現(xiàn)檢定過(guò)程數(shù)據(jù)自動(dòng)采集生成數(shù)據(jù)表并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；③具有檢定數(shù)據(jù)顯示、修改和輸出打印功能；④具有數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)功能，可以按照儀表型號(hào)、檢定時(shí)間等進(jìn)行存檔、查詢和打印輸出；⑤可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上傳計(jì)量檢定管理數(shù)據(jù)到主控室和管部門，方便管理部門進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與管理。

4 主要設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)

（1）裝置的擴(kuò)展不確定度:U≤0.3%。

（2）工作壓力（按照工況條件設(shè)計(jì)）：1～10MPa。

（3）工作溫度：0～30℃。

5 使用安全可靠性設(shè)計(jì)

裝置控制和數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用的專用控制器和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)及專用計(jì)數(shù)器電子控制設(shè)備，安裝在防爆型控制室內(nèi)，設(shè)備與控制系統(tǒng)采用防爆管穿線形式進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)控制與設(shè)備隔離的安全操作功能。

高壓氣體流通、切斷閥的開(kāi)、關(guān)采用電控氣動(dòng)形式進(jìn)行控制，微型電控閥設(shè)計(jì)安裝在防爆箱內(nèi)。氣源選用氮?dú)馄客ㄟ^(guò)減壓閥調(diào)節(jié)在0.6MPa下推動(dòng)氣動(dòng)密封閥工作。

采用在線天然氣流量計(jì)檢定裝置的必要性

（1）按照 GB/T 18603-2001《天然氣計(jì)量系統(tǒng)技術(shù)要求》等有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)均提出了盡可能實(shí)流檢定流量?jī)x表的技術(shù)要求，這也是今后天然氣計(jì)量檢定的一種趨勢(shì)。

（2）目前我國(guó)天然氣外輸貿(mào)易計(jì)量流量?jī)x表配備的準(zhǔn)確度等級(jí)要求在1.0級(jí)以內(nèi)，檢定裝置的擴(kuò)展不確定度要求是流量?jī)x表最大誤差絕對(duì)值的1/3。如果在線噴嘴檢定裝置的擴(kuò)展不確定度為0.3%，流量?jī)x表檢定后，貿(mào)易交接雙方采用流量?jī)x表檢定系數(shù)進(jìn)行貿(mào)易交接可以減少貿(mào)易誤差±0.3%左右。按照我國(guó)目前天然氣年輸量1 150.5×109m3計(jì)算，其經(jīng)濟(jì)效益是非常驚人的。同時(shí)可以減少貿(mào)易糾紛，提高管理水平。

（3）在天然氣流量量值傳遞方面：噴嘴式流量標(biāo)準(zhǔn)裝置標(biāo)準(zhǔn)器選用的是具有不同喉徑尺寸的臨界流文丘里噴嘴組合而成，按照J(rèn)JG 620-2008《臨界流文丘里噴嘴》檢定規(guī)程，噴嘴可以每5年拆下一次送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)流檢定或采用幾何尺寸檢測(cè)的方法進(jìn)行檢定。該種形式的裝置使得天然氣流量量值傳遞簡(jiǎn)單方便。

（4）解決了離線檢定時(shí)存在的諸多問(wèn)題：①檢定時(shí)的工況條件和安裝使用條件的不一致及送檢運(yùn)輸過(guò)程對(duì)標(biāo)準(zhǔn)表不確定度影響無(wú)法通過(guò)技術(shù)手段進(jìn)行修正的問(wèn)題；②依托天然氣管網(wǎng)建設(shè)計(jì)量站、輸氣管網(wǎng)的運(yùn)行要受到季節(jié)、安全、工藝要求制約的問(wèn)題；③離線檢定需要定期將流量?jī)x表拆下送到檢定站進(jìn)行檢定，運(yùn)輸距離一般都較遠(yuǎn)，拆裝、運(yùn)輸費(fèi)用較高，受檢定條件限制有時(shí)不能及時(shí)檢定，影響輸氣計(jì)量工作；④由于受到檢定站檢定能力限制，送檢的計(jì)量?jī)x表不能完全模擬工況條件和進(jìn)行全量程檢定的問(wèn)題。

（5）由于天然氣流量計(jì)是在中、高壓工況條件下運(yùn)行的，拆、裝送檢這些儀表必須嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行，具有很高的危險(xiǎn)事故系數(shù)，采用在線檢定方式只需要流程的切換即能實(shí)現(xiàn)檢定過(guò)程，消除了安全隱患。

[1]JJG 620-2008臨界流文丘里噴嘴檢定規(guī)程[S].

[2]孫為清,王建中.流量測(cè)量節(jié)流裝置設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2000.

In the light of the current status and problems in the verification of natural gas flowmeters,it is pointed out that according to the present developing situation of domestic mechanical manufacture technology there are certain feasibility,significance and necessity in studying and designing the online verifying equipment of natural gas flowmeters.Therefore,a feasible technology program has been put forward about the transfer methods of trade metering value about the natural gas flowmeters of middle and high pressure.

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方永杰（1961-），男，國(guó)家一級(jí)注冊(cè)計(jì)量師，現(xiàn)主要從事計(jì)量檢定室從事流量計(jì)量技術(shù)研究、設(shè)計(jì)和管理工作。

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2010-05-04