一種新型mt法天然氣流量標準裝置不確定度評估

任 佳 段繼芹 王 強

(國家石油天然氣大流量計量站成都分站，成都 610213)

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一種新型mt法天然氣流量標準裝置不確定度評估

任 佳 段繼芹 王 強

(國家石油天然氣大流量計量站成都分站，成都 610213)

自上世紀90年代起，全世界廣泛應用靜態(tài)稱重法流量標準,又稱質(zhì)量-時間(mt)法流量標準，作為高水平的氣流量原級標準裝置。成都分站在上世紀90年代末建立的mt法流量標準基礎(chǔ)上，研發(fā)了一套基于雙罐等臂電磁天平技術(shù)的mt法天然氣流量標準裝置，其設(shè)計指標為質(zhì)量流量測量不確定度為(0.05～0.076)%(k=2)。介紹了裝置的基本原理、電磁天平稱量系統(tǒng)和液壓驅(qū)動快速換向系統(tǒng)目前達到的技術(shù)指標，以及不確定度評估方法和一些改進理念。

計量學；等臂天平；天然氣；原級標準

0 引言

我國天然氣工業(yè)的快速發(fā)展對天然氣貿(mào)易計量用流量計的準確度提出了更高的要求，因此，進一步提高天然氣流量量傳溯源體系的技術(shù)水平和能力也成為一種必然的發(fā)展趨勢。天然氣流量原級標準裝置作為天然氣流量量傳溯源體系中的首要環(huán)節(jié)，根據(jù)測量不確定度傳播規(guī)律，原級標準裝置的技術(shù)水平和能力對整個體系有著至關(guān)重要的影響。

目前，全世界有mt法、高壓體積管、油氣動態(tài)替換體積管法等幾種不同類型的高壓天然氣流量原級標準裝置。其中，應用較為廣泛的是mt法天然氣流量原級標準裝置。美國西南研究院在上個世紀90年代建設(shè)了兩套不同壓力的mt法天然氣流量原級標準裝置，中國有兩套mt法天然氣流量原級標準裝置，分別由國家石油天然氣大流量計量站成都分站(簡稱成都分站)在1997年建成和由國家石油天然氣大流量計量站南京分站(簡稱南京分站)于2012年建成。這些原級標準裝置的質(zhì)量流量測量不確定度通常在0.1%(k=2)左右。

為了將原級標準裝置校準傳遞標準的校準不確定度降低到0.12%(k=2)左右，成都分站于2013年在上世紀90年代末建立的mt法流量標準基礎(chǔ)上，研發(fā)了一套基于雙罐等臂電磁天平和液壓驅(qū)動快速換向技術(shù)的mt法天然氣流量標準裝置。這套新的mt法原級標準裝置操作壓力范圍為0.3～6.0MPa、工況流量范圍為5～400m3/h、質(zhì)量流量測量不確定度建設(shè)目標為(0.05～0.076)%(k=2)。目前關(guān)鍵設(shè)備電磁天平稱量系統(tǒng)和液壓驅(qū)動快速換向系統(tǒng)已制作完成，3t電磁天平稱量系統(tǒng)出廠時重復性達到0.5g，液壓驅(qū)動快速換向系統(tǒng)換向閥開關(guān)時間達到30ms±3ms，均優(yōu)于設(shè)計指標。

1 工作原理

mt法原級標準裝置主要用于作為傳遞標準的臨界流文丘里噴嘴的校準和檢定。目前正在建設(shè)的基于雙罐等臂電磁天平技術(shù)的mt法原級標準系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 mt法原級標準裝置結(jié)構(gòu)示意圖

來自上游氣源管道的天然氣首先流經(jīng)音速噴嘴進入出口管道(此時快速換向閥2開，閥1關(guān))，當達到穩(wěn)定和臨界流狀態(tài)時，通過快速換向閥1和2的開關(guān)切換(此時快速換向閥2關(guān)，閥1開)，將天然氣流動方向轉(zhuǎn)向兩臺帶隔熱層的、對稱安裝于電磁天平兩側(cè)的稱量罐。用于換向的快速換向閥為液壓驅(qū)動，開關(guān)時間通常可以達到50ms，甚至更快。快速換向閥換向時，啟動計時器開始記錄向稱量罐內(nèi)和滯留容積(見圖1中噴嘴下游至稱量罐閥門上游的管道，又稱補償段。其中臨界流文丘里噴嘴至兩只換向閥前的管道容積為VA,換向閥1到稱量罐閥門上游管道容積為VB)內(nèi)充氣的時間t。一臺3t的高精度電磁天平用于確定充氣前后稱量罐內(nèi)的氣體質(zhì)量變化。滯留容積內(nèi)質(zhì)量的變化通過充氣前后的壓力、溫度和滯留體積進行計算。因此，質(zhì)量流量可以由稱量罐和補償段內(nèi)氣體質(zhì)量變化量除以充氣時間得到。質(zhì)量流量測量模型用見式(1)。

(1)

2 不確定度評估方法

2.1 質(zhì)量流量測量不確定度

根據(jù)式(1)，質(zhì)量流量的標準不確定度可以表示為：

cr(m補B)2·ur(m補A)2+

cr(mC)2·ur(mC)2

(2)

質(zhì)量流量的相對測量擴展不確定度計算如下：

Ur(qm)=2×ur(qm)

(3)

2.2 質(zhì)量測量不確定度

質(zhì)量測量不確定度分量主要包括稱量罐質(zhì)量稱量、補償段A和B質(zhì)量測量這三個不確定度分量。其分解及計算見表1和表2。

表1 稱量罐質(zhì)量稱量的相對標準不確定度一覽表

1)單罐充氣時，質(zhì)量稱量的相對標準不確定度：

2)雙罐充氣時，質(zhì)量稱量的相對標準不確定度：

其中：mc為稱量罐內(nèi)氣體總質(zhì)量。

3)采用替代法稱量，測量過程中排除了臂差因素，所以該項不確定度可忽略。

表2 補償段質(zhì)量測量的相對標準不確定度一覽表

2.3 時間測量不確定度

時間測量不確定度分量主要包括計時器分辨率、晶振穩(wěn)定度和換向閥開關(guān)時間重復性三個分量，其分解及計算見表3。

表3 時間測量的相對標準不確定度一覽表

1)換向閥開關(guān)時間重復性計算方法

通常采用行程法來計算換向閥開關(guān)時間的A類不確定度。將換向閥開關(guān)10次，分別將開、關(guān)時間記作t1和t2。

換向閥開關(guān)時間差引起的標準不確定度為：

換向閥開時間的重復性為：

換向閥關(guān)時間的重復性為：

2)時間測量標準不確定度的合成：

2.4 質(zhì)量流量測量不確定度的計算

根據(jù)式(2)，質(zhì)量流量測量的相對標準不確定度分解見表4。

表4 質(zhì)量流量測量的相對標準不確定度一覽表

2.5 不同工況條件下質(zhì)量流量測量不確定度的評估結(jié)果

根據(jù)2013年10月至2014年12月期間，電磁天平重復性實驗數(shù)據(jù)表明單次測量結(jié)果的重復性為0.36,0.12,0.23,0.14,0.15g。由此可計算得到uw。

2013年11月至2014年12月，快速換向閥開關(guān)時間的實驗數(shù)據(jù)結(jié)果(見表5、6)，由此可計算得到ur(t2)。

表5 快速換向閥1的開、關(guān)時間統(tǒng)計表 單位：ms

續(xù)表

表6 快速換向閥2的開、關(guān)時間統(tǒng)計表 單位：ms

表7 質(zhì)量流量測量不確定度評估結(jié)果

由于質(zhì)量流量不確定度與工況條件有密切的關(guān)系，因此，需要針對不同流量的臨界流文丘里噴嘴作為流量控制元件時分別評定測量不確定度。根據(jù)表1～表4所列的測量模型，得到質(zhì)量流量不確定度評估結(jié)果見表7。

3 結(jié)束語

通過補償段和稱量罐結(jié)構(gòu)優(yōu)化、液壓驅(qū)動快速換向閥集成技術(shù)的優(yōu)化，以及雙罐等臂電磁天平的應用，成都分站新建的原級標準裝置有較好的評估結(jié)果。但原級標準裝置是由一套復雜的工藝系統(tǒng)組成，測量不確定度還受環(huán)境條件、系統(tǒng)壓力和溫度的穩(wěn)定性、快速換向閥的換向方式等因素的影響，目前以上評估結(jié)果需要原級標準裝置建成后，通過開展音速噴嘴實驗和不同原級標準裝置間的比對實驗來驗證，因此，在下步原級標準裝置的在線調(diào)試和運行過程中，還將在以下幾個方面進行優(yōu)化和進一步的研究：1)實現(xiàn)“零重疊”且不破壞臨界流狀態(tài)的快速換向方式；2)原級標準裝置系統(tǒng)壓力和溫度的穩(wěn)定性控制；3)利用快速壓力溫度傳感器實時核查補償段內(nèi)壓力和溫度的常規(guī)測量結(jié)果；4)建立并完善質(zhì)量過程控制；5)與歐洲實驗室的原級標準裝置開展比對。

[1] 段繼芹，任佳，等.中國天然氣原級標準裝置的發(fā)展.第15屆國際流量測量大會，2010

[2] ISO/IEC Guide98-3 測量不確定度第三部分——測量結(jié)果不確定度評定導則,2008

[3] John D Wright et al.Design and Uncertainty Analysis for a PVTt Gas Flow Standard.Journal of Research ofNational Institute of Standards and Technology, 2003,108(1)

[4] R E Harris ,等.mt法氣體流量原級標準裝置.第5屆國際流體流量測量研討會，1990

[5] R E Harris,等.工況條件對原級氣體流量標準裝置不確定度的影響.第6屆國際流量測量大會,2000

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.08.10