空氣和天然氣流量標準裝置差異性研究

王 輝

(國家石油天然氣大流量計量站成都分站，成都 610213)

0 引言

氣體流量標準裝置間的量值比對起源于上個世紀70年代的歐美工業(yè)發(fā)達國家，在國際上，標準裝置間量值比對已成為實驗室互認和能力驗證的關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容，只有通過比對(也就是各個標準裝置之間的比對)才能實現(xiàn)各國量值溯源鏈間的橫向比較，進而最大限度地減少貿(mào)易雙方的計量差異，最終實現(xiàn)互認。

隨著四川南、北天然氣環(huán)形管網(wǎng)、陜京一線、陜京二線、忠武管線、西氣東輸一線、西氣東輸二線等建立，用于天然氣計量的流量計數(shù)量日益增多。由于天然氣貿(mào)易計量直接涉及到貿(mào)易雙方巨大的經(jīng)濟利益，因此，確保流量計的計量準確度也就成為了供需雙方關(guān)注的焦點。為確保企業(yè)的經(jīng)濟利益，我國相繼建立了以天然氣為介質(zhì)的氣體流量檢定站，同時自上個世紀80年代末以來也相繼建立了以空氣為介質(zhì)的氣體流量標準裝置用于現(xiàn)場流量計的檢定、測試工作。然而，這些空氣標準裝置和天然氣標準裝置的溯源方式不相同，其量值也存在著差異。

GB/T 21391—2008《用氣體渦輪流量計測量天然氣流量》中已經(jīng)明確規(guī)定了“在檢測壓力大于0.4MPa時采用天然氣為介質(zhì)的實流標準裝置進行檢定”，那么針對其他類型的流量計，采用何種介質(zhì)的標準裝置進行檢定才能保證流量計現(xiàn)場計量的準確性，這就需要對標準裝置的差異性進行研究。而針對氣體流量標準裝置差異性的分析，國際上通常采用的是量值比對的方法，利用合適的傳遞標準(即比對流量計)，在不同的標準裝置間開展循環(huán)測試。其主要目的是考察不同標準裝置間的差異，通過差異分析來判斷各標準裝置的不確定度是否在宣稱的范圍內(nèi)，從而了解各標準裝置的準確性和可靠性，最終實現(xiàn)各標準裝置的量值傳遞的統(tǒng)一。

由于空氣和天然氣標準裝置在氣質(zhì)組分、檢測壓力、環(huán)境條件等諸多方面都有不同，針對兩種不同介質(zhì)標準裝置差異性的研究將是十分復雜的工作，本文將采用量值比對的方法對空氣和天然氣標準裝置的差異性進行研究，以期找到差異性存在的原因，為進一步研究兩種裝置的差異性打下一定的基礎(chǔ)。

1 氣體流量標準裝置及實驗方案簡介

目前國內(nèi)用于檢定和測試工作的標準裝置有很多，為了研究空氣和天然氣標準裝置的差異性，本文選取了三套具有代表性的標準裝置進行實驗。

1.1 氣體流量標準裝置的選擇

通過對有關(guān)技術(shù)資料的整理，結(jié)合在各個地區(qū)的實際情況，對標準裝置的不確定度、實際工作壓力、流量范圍和安裝條件等技術(shù)指標進行分析，確定在以下標準裝置上開展循環(huán)比對實驗，來研究不同標準裝置的差異性。不同標準裝置的具體情況見表1。

表1 標準裝置的能力和水平比較表

1.2 比對流量計的選擇

為了更好的保證不同標準裝置上流量計測試結(jié)果的準確性，必須要求被測流量計具有良好的重復性和穩(wěn)定性，同時參照比對流量計的選取方法進行。常用于天然氣流量計量的流量計類型有很多，最長使用的有氣體超聲流量計、渦輪流量計和孔板流量計、羅茨流量計等。

現(xiàn)場使用的孔板流量計主要采用幾何檢驗法，較少使用空氣實流標定。氣體超聲流量計的口徑大、流量范圍大，準確度高，但不能用在低壓的情況下。羅茨流量計具有精度高、可靠性高、在流速變化大的情況下也能保持計量的準確度；始動流量小、壓力損失小、量程比寬，適用于微流量的測量；使用壽命更長；鋁合金材質(zhì)，體積小、重量輕，安裝維護更為方便的特點。渦輪流量計具有準確度高、量程比寬、適應性強、復現(xiàn)性好、在線性流量范圍內(nèi)，即使流量發(fā)生變化，累積流量準確度也不會降低的特點。

因此，結(jié)合各個地區(qū)流量標準裝置的實際情況和比對流量計的選取原則，本文選擇了2臺羅茨流量計和1臺渦輪流量計作為測試實驗的比對流量計。比對流量計的技術(shù)指標見表2。

1.3 測試實驗方案

測試實驗流量布點首先需要根據(jù)對流量計的初步性能測試，結(jié)合流量計的額定流量范圍，選擇比對流量計的分界流量以上、性能均較穩(wěn)定的流量點進行比對實驗，以盡量排除在小流量下流量計本身性能不穩(wěn)定對比對結(jié)果的影響。

表2 比對流量計技術(shù)指標

根據(jù)CIPM/BIPM關(guān)鍵比對的要求，流量計實驗布點依據(jù)JJG 1037—2008《渦輪流量計》和JJG 633—2005《氣體容積式流量計》。在數(shù)據(jù)處理分析過程中，實驗布點方案見表3。

表3 布點實驗方案

2 測試數(shù)據(jù)處理及差異性分析

2.1 渦輪流量計測試數(shù)據(jù)和分析

選取在天然氣標準裝置測試時不同壓力下二組實驗數(shù)據(jù)，與兩套空氣標準裝置上的數(shù)據(jù)進行比較。

2.1.1 渦輪流量計的數(shù)據(jù)處理

渦輪流量計數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表4，在不同實驗室測試的對比曲線見圖1。

圖1 渦輪流量計在不同介質(zhì)下的測試數(shù)據(jù)圖

表4 渦輪流量計比對實驗數(shù)據(jù)

2.1.2 結(jié)論

當渦輪流量計分別安裝在空氣和天然氣標準裝置上時，從圖1中明顯看出，在幾個實驗室共同測試的40～100m3/h流量范圍內(nèi)，用空氣為介質(zhì)流量計檢定的儀表系數(shù)大于用天然氣為介質(zhì)流量計檢定的儀表系數(shù)，在圖中儀表系數(shù)偏差最大處為0.5%左右；在25～40m3/h流量范圍內(nèi)，用空氣為介質(zhì)流量計檢定的儀表系數(shù)大于用天然氣為介質(zhì)流量計檢定的儀表系數(shù)，在圖中儀表系數(shù)偏差最大處為0.7%左右。

2.2 羅茨流量計測試數(shù)據(jù)和分析

2.2.1 羅茨流量計X數(shù)據(jù)處理與分析

編號為X的羅茨流量計數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表5，在不同實驗室測試的對比曲線見圖2。

表5 編號為X羅茨流量計比對實驗數(shù)據(jù)

圖2 編號為X羅茨流量計空氣和天然氣比對圖

2.2.2 羅茨流量計X結(jié)論

從圖2可以看出編號為X的羅茨流量計在以空氣和天然氣為介質(zhì)的測試中，從整個趨勢看，用空氣為介質(zhì)流量計檢定的儀表系數(shù)大于用天然氣為介質(zhì)流量計檢定的儀表系數(shù)，在圖中儀表系數(shù)偏差最大處為1.4%左右，在15～35m3/h流量范圍內(nèi)，兩條曲線的偏差不大，為0.4%左右，在35～85m3/h流量范圍內(nèi)，偏差變大。在60m3/h處達到最大。

2.2.3 羅茨流量計Y數(shù)據(jù)處理與分析

編號為Y的羅茨流量計數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表6，在不同實驗室測試的對比曲線見圖3。

表6 編號為Y羅茨流量計比對實驗數(shù)據(jù)

圖3 編號為Y羅茨流量計空氣和天然氣比對圖

2.2.4 羅茨流量計Y結(jié)論

從圖3可以看出編號為Y的羅茨流量計在以空氣和天然氣為介質(zhì)的測試中，從整個趨勢看，用空氣為介質(zhì)流量計檢定的儀表系數(shù)大于用天然氣為介質(zhì)流量計檢定的儀表系數(shù)，在圖中儀表系數(shù)偏差最大處為1.0%左右，在35m3/h兩條曲線的偏差最小，為0.14%左右，在60m3/h處達到最大。在15～35m3/h流量范圍內(nèi)，兩條曲線的偏差比較在35～85m3/h流量范圍內(nèi)，兩條曲線的偏差要小一些。

2.3 流量計檢定儀表系數(shù)的數(shù)據(jù)處理與分析

1)選取在天然氣標準裝置上檢測的流量計的檢定儀表系數(shù)，與兩套空氣標準裝置上檢測的流量計檢定儀表系數(shù)進行比較。實驗數(shù)據(jù)見表7。

表7 流量計檢定儀表系數(shù)

2)通過對本次測試實驗的數(shù)據(jù)進行綜合分析，以空氣為介質(zhì)的標準裝置的檢定儀表系數(shù)大于以天然氣為介質(zhì)的標準裝置的檢定儀表系數(shù)。

3 結(jié)論

本文通過對天然氣標準裝置的數(shù)據(jù)與兩套空氣標準裝置的數(shù)據(jù)進行分析，可以得出不同標準裝置間差異性的基本結(jié)論：

1)在本次比對實驗測試中，渦輪流量計在用空氣為介質(zhì)檢定流量計的儀表系數(shù)大于用天然氣為介質(zhì)檢定流量計的儀表系數(shù)。從這個實驗結(jié)論可以看出，渦輪流量計所得出的比對結(jié)論與GB/T 21391—2008《用氣體渦輪流量計測量天然氣流量》標準中所規(guī)定的“在檢測壓力大于0.4MPa時采用天然氣為介質(zhì)的實流標準裝置進行檢定” 的要求一致。如果渦輪流量計在實際使用中使用空氣檢定的儀表系數(shù)，則測得的流量比實際流量偏小。

2)在本次比對實驗測試中，除編號為X的羅茨流量計在第二套空氣標準裝置檢定儀表系數(shù)相對于天然氣標準裝置的偏差為負以外，其他各次測試實驗中在用空氣為介質(zhì)檢定流量計的儀表系數(shù)均大于用天然氣為介質(zhì)檢定流量計的儀表系數(shù)。

3)由于羅茨流量計的壓力變化的敏感性沒有渦輪流量計高，所以在以空氣為介質(zhì)和用天然氣為介質(zhì)檢定渦輪和羅茨流量計的儀表系數(shù)變換曲線，渦輪流量計的變化趨勢更加明顯。

4)國內(nèi)用于天然氣流量計量的流量計，應盡量在天然氣流量標準裝置上檢定，否則可能會給現(xiàn)場計量帶來較大影響。

[1] JJF 1033—2008 計量標準考核規(guī)范

[2] GB/T 18604 用氣體超聲流量計測量天然氣流量

[3] JJG 198—1994 速度式流量計檢定規(guī)程

[4] GB/T 18603 天然氣計量系統(tǒng)技術(shù)要求