對(duì)“用氣體超聲流量計(jì)測(cè)量天然氣流量”國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的修改建議

段繼芹 李長(zhǎng)俊 周 芳

1.中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院 2.西南石油大學(xué)3.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司天然氣氣質(zhì)控制和能量計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 4.國(guó)家石油天然氣大流量計(jì)量站成都分站

0 引言

近年來(lái)，中國(guó)自產(chǎn)天然氣、進(jìn)口天然氣和液化天然氣數(shù)量快速增加，至2016年底，我國(guó)天然氣的消費(fèi)量已超過(guò)2 100×108m3，進(jìn)口天然氣量超過(guò)700×108m3，預(yù)計(jì)到2020年我國(guó)天然氣的表觀消費(fèi)量將超過(guò)3 500×108m3，進(jìn)口天然氣量將超過(guò)1 200×108m3[1]。如何提高天然氣貿(mào)易交接計(jì)量準(zhǔn)確度以及如何客觀公正地維護(hù)貿(mào)易雙方合法經(jīng)濟(jì)利益是大家關(guān)注的焦點(diǎn)。氣體超聲流量計(jì)具有無(wú)機(jī)械可動(dòng)部件、無(wú)壓損、量程比大、測(cè)量準(zhǔn)確性較高、適應(yīng)性強(qiáng)和具有自診斷能力等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于天然氣計(jì)量。中俄天然氣貿(mào)易交接用流量計(jì)也為超聲流量計(jì)，據(jù)了解，俄羅斯氣體超聲流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)主要參考了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。因此，需弄清國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)和中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)間的差異性。同時(shí)天然氣貿(mào)易常采用兩臺(tái)不同原理或相同原理不同廠(chǎng)家的流量計(jì)串聯(lián)安裝，通過(guò)兩臺(tái)流量計(jì)的差值不能超過(guò)供銷(xiāo)雙方商定的差值控制限的控制來(lái)保證流量計(jì)準(zhǔn)確可靠運(yùn)行。而中國(guó)氣體超聲流量計(jì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18604—2014[2]未對(duì)兩臺(tái)超聲流量計(jì)的差值控制限提出具體要求，氣體超聲流量計(jì)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 17089-1—2010附錄C 則提出了相關(guān)要求，但有待進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。為此，對(duì)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)和中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的差異性進(jìn)行了對(duì)比分析，同時(shí)通過(guò)試驗(yàn)確定了兩臺(tái)超聲流量計(jì)的差值控制限。

1 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析

ISO 17089-1—2010、ГOCT 8.611—2013[4]和GB/T 18604—2014這3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)超聲流量計(jì)的技術(shù)要求、安裝要求、經(jīng)實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)或檢定合格的超聲流量計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)使用的計(jì)量性能保證和測(cè)量不確定度估算等做出了相關(guān)要求，3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)內(nèi)容、要求及指標(biāo)稍有不同。

1.1 標(biāo)準(zhǔn)適用范圍及主要章節(jié)內(nèi)容

由于中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)主要根據(jù)美國(guó)煤氣協(xié)會(huì)AGA NO.9—2007[5]、近年研究成果、現(xiàn)場(chǎng)使用經(jīng)驗(yàn)及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)主要技術(shù)要求而制（修）訂。因此國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)和中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)在標(biāo)準(zhǔn)適用范圍和主要章節(jié)內(nèi)容稍有不同（表1）。

從表1可知：俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)ГOCT 8.611—2013缺少I(mǎi)SO 17089-1—2010中兩次校準(zhǔn)誤差限及誤測(cè)量處理方法介紹、超聲流量計(jì)測(cè)量誤差及修正方法、串聯(lián)安裝超聲流量計(jì)比對(duì)方法、幾何相關(guān)溫度和壓力校正的詳細(xì)計(jì)算、干擾測(cè)試及要求章節(jié)的內(nèi)容。中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18604—2014缺少I(mǎi)SO 17089-1—2010中兩次校準(zhǔn)誤差限及誤測(cè)量處理方法介紹、串聯(lián)安裝超聲流量計(jì)比對(duì)方法、幾何相關(guān)溫度和壓力校正的詳細(xì)計(jì)算內(nèi)容。

表1 3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)適用范圍及主要章節(jié)內(nèi)容比較表

1.2 測(cè)量氣質(zhì)條件

由于歐盟、俄羅斯和中國(guó)對(duì)天然氣管輸氣質(zhì)的要求不同，因此ISO 17089-1—2010、ГOCT 8.611—2013和GB/T 18604—2014標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)測(cè)量氣質(zhì)條件也有一定差異（表2），但GB 17820—2012《天然氣》[6]中我國(guó)貿(mào)易交接用Ⅱ類(lèi)天然氣氣質(zhì)要求CO2含量小于等于3%（體積分?jǐn)?shù)），總S含量小于等于200 mg/m3。因此超聲流量計(jì)適用的技術(shù)指標(biāo)要求一致。

1.3 超聲流量計(jì)技術(shù)指標(biāo)

ГOCT 8.611—2013與 ISO 17089-1—2010相比只給出了最大允許誤差要求，但列出了超聲流量計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確度等級(jí)有 A（0.5）級(jí)、B（0.75）級(jí)、C（1.5）級(jí)、 D（2.5）級(jí)和E（5.0）級(jí)5個(gè)級(jí)別，其中對(duì)于貿(mào)易交接用氣體超聲流量計(jì)等級(jí)為A（0.5）級(jí)和B（0.75）級(jí)，其工況流量測(cè)量擴(kuò)展不確定度分別為0.3%和0.5%，標(biāo)況流量測(cè)量擴(kuò)展不確定度分別為0.4%和0.55%，比ISO 17089-1—2010和中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)要求嚴(yán)格。GB/T 18604—2014對(duì)貿(mào)易計(jì)量用氣體超聲流量計(jì)計(jì)量性能的要求與ISO 17089-1—2010相似，ISO 17089-1—2010還增加了對(duì)氣體超聲流量計(jì)復(fù)現(xiàn)性的要求。各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)計(jì)量性能要求比較如表3所示。

表2 3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)氣體超聲流量計(jì)測(cè)量氣質(zhì)條件比較表

表3 3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量性能要求比較表

1.4 安裝要求

1.4.1 聲學(xué)噪聲防治

ISO 17089-1—2010和 GB/T 18604—2014都 給出了可能存在的噪聲源及對(duì)流量計(jì)的影響，并就如何減少噪聲對(duì)超聲流量計(jì)的影響提出了實(shí)用性的建議，如將調(diào)壓閥和其他產(chǎn)生噪聲的設(shè)備安裝在流量計(jì)的下游，使噪聲源遠(yuǎn)離流量計(jì)，安裝盲三通和過(guò)濾器等管件，增強(qiáng)信號(hào)處理功能等，而ГOCT 8.611—2013標(biāo)準(zhǔn)未提及。

1.4.2 上下游直管段長(zhǎng)度要求

GB/T 18604—2014在超聲流量計(jì)計(jì)量管路安裝設(shè)計(jì)方面的技術(shù)要求主要參考了ISO 17089-1—2010標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)內(nèi)容。不同的阻流件條件、不同廠(chǎng)家的超聲流量計(jì)和不同的流動(dòng)調(diào)整器組合對(duì)于上游直管段的要求不同，因此，最小上游直管段長(zhǎng)度應(yīng)由生產(chǎn)廠(chǎng)家通過(guò)型式試驗(yàn)給出。當(dāng)沒(méi)有型式試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)由用戶(hù)來(lái)確定最小上游直管段長(zhǎng)度。按流量計(jì)是否配流動(dòng)調(diào)整器，最小上游直管段長(zhǎng)度可以是（30～50）D（D表示管徑，下同）。而下游直管段最小長(zhǎng)度為3D，取溫孔等位置為（3～5）D。還指出，當(dāng)沒(méi)有足夠的安裝空間和上游管路條件惡劣時(shí)，需要配流動(dòng)調(diào)整器。3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)上下游直管段長(zhǎng)度及溫度計(jì)安裝位置要求比較結(jié)果如表4所示。

1.5 實(shí)流校準(zhǔn)要求

ISO 17089-1—2010、ГOCT 8.611—2013 和 GB/T 18604—2014均提出作為貿(mào)易計(jì)量的氣體超聲流量計(jì)需要進(jìn)行實(shí)流校準(zhǔn)。各標(biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)技術(shù)要求比較如表5所示。

1.6 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量性能保障措施

GB/T 18604—2014相應(yīng)條款內(nèi)容主要參照ISO 17089-1—2010中的相關(guān)內(nèi)容，非常詳細(xì)地說(shuō)明了如何利用超聲流量計(jì)自診斷歷史數(shù)據(jù)的分析來(lái)判斷流量計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量性能。3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量性能保障措施比較結(jié)果如表6所示。

2 兩臺(tái)超聲流量計(jì)串聯(lián)安裝實(shí)驗(yàn)

選取國(guó)際上主要使用的兩個(gè)生產(chǎn)廠(chǎng)家的超聲流量計(jì)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，兩臺(tái)超聲流量計(jì)的原始參數(shù)如表7所示。

2.1 兩臺(tái)超聲流量計(jì)串聯(lián)實(shí)驗(yàn)方案

在國(guó)家石油天然氣大流量計(jì)量站成都分站進(jìn)行兩種安裝工況下性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)。工況一：上游直管段內(nèi)徑為309 mm，管長(zhǎng)為30D，后接內(nèi)徑為303 mm、管長(zhǎng)為10D的超聲流量計(jì)B上游直管段，安裝流量計(jì)B，再安裝內(nèi)徑為303 mm、管長(zhǎng)為5D的超聲流量計(jì)B下游直管段，再安裝內(nèi)徑為286 mm、管長(zhǎng)為10D的超聲流量計(jì)A上游直管段，接著安裝流量計(jì)A，再安裝內(nèi)徑為286 mm、管長(zhǎng)為5D的超聲流量計(jì)A下游直管段。工況二：上游直管段內(nèi)徑為309 mm，管長(zhǎng)為30D，后接內(nèi)徑為286 mm、管長(zhǎng)為10D的超聲流量計(jì)A上游直管段，接著安裝流量計(jì)A，再安裝內(nèi)徑為286 mm、管長(zhǎng)為5D的超聲流量計(jì)A下游直管段，再安裝內(nèi)徑為303 mm、管長(zhǎng)為10D的超聲流量計(jì)B上游直管段，安裝流量計(jì)B，再安裝內(nèi)徑303 mm長(zhǎng)5D超聲流量計(jì)B下游直管段。兩臺(tái)流量計(jì)安裝位置如圖1所示。

表4 3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)上下游直管段長(zhǎng)度及溫度計(jì)安裝位置要求比較表

表5 3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)流校準(zhǔn)要求比較表

表6 3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量性能保障措施比較表

兩臺(tái)流量計(jì)串聯(lián)安裝，實(shí)驗(yàn)流量分布見(jiàn)表8。

2.2 兩臺(tái)超聲流量計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

將兩臺(tái)超聲流量計(jì)分別按工況一、工況二串聯(lián)安裝，按表8實(shí)驗(yàn)流量進(jìn)行測(cè)試，流量計(jì)的重復(fù)性、安裝位置對(duì)計(jì)量性能的影響和兩臺(tái)流量計(jì)的流量差值控制限如下。流量計(jì)A的重復(fù)性相對(duì)較小，相對(duì)于流量計(jì)B較穩(wěn)定，但流量計(jì)分界流量qt以上重復(fù)性小于0.10%，qt以下重復(fù)性小于0.15%，兩者較穩(wěn)定。

表7 兩臺(tái)超聲流量計(jì)的原始參數(shù)表

圖1 兩臺(tái)流量計(jì)安裝示意圖

表8 實(shí)驗(yàn)流量分布表

2.2.1 重復(fù)性

將流量計(jì)A和B分別安裝在上游或下游的重復(fù)性數(shù)據(jù)繪于圖2，由圖2可知，流量計(jì)B的重復(fù)性偏大，

圖2 兩臺(tái)超聲流量計(jì)的重復(fù)性數(shù)據(jù)圖

2.2.2 流量計(jì)安裝位置對(duì)計(jì)量性能的影響

流量計(jì)安裝位置對(duì)計(jì)量性能的影響如圖3所示。從圖3可知，在流量計(jì)分界流量qt以上，流量計(jì)A安裝在上、下游的影響不超過(guò)0.3%，計(jì)量性能相對(duì)較穩(wěn)定。

圖3 流量計(jì)A、B安裝在上、下游的影響圖

2.2.3 兩臺(tái)串聯(lián)超聲流量計(jì)的差值控制限

兩臺(tái)串聯(lián)超聲流量計(jì)的差值控制限如表9所示。由表9初步可知，兩臺(tái)流量計(jì)流量q≥0.25qmax，平均小時(shí)流量偏差的差值控制限均小于0.3%，在滿(mǎn)足上游大于40D和兩臺(tái)流量計(jì)間距大于15D時(shí)，流量計(jì)安裝在上游或下游帶來(lái)的影響可忽略[7]。

表9 兩臺(tái)串聯(lián)超聲流量計(jì)的差值控制限表

3 GB/T 18604—2014修訂建議

綜上比較分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，建議GB/T 18604—2014下次修訂時(shí)主要增加以下兩方面的內(nèi)容：

1）增加ISO 17089-1—2010中超聲流量計(jì)兩次校準(zhǔn)誤差限及測(cè)量誤差處理方法。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 17089-1—2010資料性附錄A提供了兩次校準(zhǔn)誤差限及測(cè)量誤差處理方法。圖4為一臺(tái)超聲流量計(jì)首次校準(zhǔn)和后續(xù)校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)比較圖。首次校準(zhǔn)“偏移量”已輸入流量計(jì)的電子模塊。從圖4可看出后續(xù)校準(zhǔn)產(chǎn)生了超出誤差范圍的結(jié)果，因此可能帶來(lái)誤測(cè)量問(wèn)題。誤測(cè)量的時(shí)間段將取決于許多因素，首要的是以前工作的狀況。當(dāng)偏移發(fā)生時(shí)如能從日志文件或比較檢查中發(fā)現(xiàn)，則它就可以作為任何誤測(cè)量開(kāi)始的日期。否則，起始日期應(yīng)在現(xiàn)有數(shù)據(jù)或合同協(xié)議的基礎(chǔ)上雙方達(dá)成一致，這需要對(duì)記錄的實(shí)際流量的工作時(shí)段進(jìn)行測(cè)量檢查。

圖4 一臺(tái)超聲流量計(jì)首次校準(zhǔn)和后續(xù)校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)比較圖

2）增加串聯(lián)安裝超聲流量計(jì)比對(duì)方法。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 17089-1—2010資料性附錄C提供了兩臺(tái)超聲流量計(jì)串聯(lián)的參比計(jì)量方法。該方法用于在計(jì)量現(xiàn)場(chǎng)兩臺(tái)串聯(lián)超聲流量計(jì)其中一臺(tái)進(jìn)行修理后重建可溯性，同時(shí)也是兩臺(tái)串聯(lián)超聲流量計(jì)正常運(yùn)行時(shí)性能評(píng)估控制并提供證明符合貿(mào)易交接要求的最有效的辦法[3]（圖5）。圖5給出了4種性能評(píng)估控制限，如果評(píng)估流量計(jì)性能時(shí)當(dāng)ΔqV,HDF/qV,HDF值超出了性能評(píng)估范圍，應(yīng)首先排除故障以確定哪臺(tái)流量計(jì)發(fā)生了偏移，待排除故障后并作為核查流量計(jì)放回使用，另外的氣體超聲流量計(jì)就是貿(mào)易交接主流量計(jì)。歐洲國(guó)家國(guó)際貿(mào)易也采用不同生產(chǎn)廠(chǎng)家的兩臺(tái)超聲流量計(jì)串聯(lián)或渦輪與超聲流量串聯(lián)的參比計(jì)量方法[8]，其兩臺(tái)流量計(jì)差值控制限在正常運(yùn)行時(shí)控制在0.2%，超過(guò)0.3%控制系統(tǒng)顯示預(yù)警，需引起注意并排查問(wèn)題，超過(guò)0.5%不能接受。該方法也符合前述第二部分的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖5 串聯(lián)安裝超聲流量計(jì)比對(duì)方法圖

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)超聲流量計(jì)測(cè)量天然氣流量的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO 17089-1—2010）、俄羅斯（ГOCT 8.611—2013）及中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 18604—2014）的對(duì)比分析，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)同國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)內(nèi)容是基本一致的，在超聲流量計(jì)使用過(guò)程質(zhì)量控制方面有待加強(qiáng)，建議GB/T 18604—2014增加超聲流量計(jì)兩次校準(zhǔn)誤差限及測(cè)量誤差處理方法和串聯(lián)安裝超聲流量計(jì)比對(duì)方法等方面的內(nèi)容。

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