國內(nèi)外天然氣流量計檢定流程及水平比較

陳群堯，趙 矛

中油國際管道有限公司 （北京 100007）

隨著世界經(jīng)濟的不斷發(fā)展，保護環(huán)境、減少二氧化碳及二氧化硫的排放越來越得到各國的重視。在當今仍然倚重化石燃料的時代，天然氣作為清潔能源，廣泛被全世界采用。國家與國家之間，國家內(nèi)行業(yè)與行業(yè)之間的天然氣交易十分頻繁。因此，天然氣的計量工作凸顯重要，天然氣的計量及檢定水平體現(xiàn)了國家工業(yè)化實力和現(xiàn)代化水平。根據(jù)IEA（國際能源署）2018報告[1]，在未來5～10年內(nèi)，中國的天然氣進口量將占到世界第一位（圖1）。迅速提高我國的天然氣計量檢定水平，進入世界先進水平行列尤為重要。

圖1 2017—2023年全球天然氣消費增量構(gòu)成預測

1 國外大口徑天然氣流量計檢定流程

縱觀國外工業(yè)發(fā)達國家的天然氣計量檢定實驗室，一般都具備大口徑、高壓力、高精度流量計的檢定能力。國外主要大口徑天然氣流量計檢定實驗室裝置水平大致如下[2-9]。

1.1 荷蘭國家計量研究院（Groningen）

Groningen檢定裝置壓力范圍：0.9～4.1 MPa；流量計管徑范圍：≤Ф200mm；流量范圍：45～2.5×103m3/h；不確定度：≤0.30%，檢定裝置示意流程如圖2所示。

圖2 Groningen檢定裝置示意流程

原級標準裝置為鐘罩式，次級標準和工作標準裝置分為兩路，一路次級標準為10臺平行布局，最大流量400 m3/h容積式流量計，用于高精度流量計檢定；一路工作標準為1臺400 m3/h容積式流量計。4臺最大流量分別為650 m3/h、1 600 m3/h、4 000 m3/h（2臺）的渦輪流量計，用于日常檢定。次級標準可直接檢定工作標準。

1.2 荷蘭國家計量研究院（Bergum）

Bergum檢定裝置壓力范圍：0.9～5.0 MPa；流量計管徑范圍：Ф50～150 mm；流量范圍：≤1.2×103m3/h；不確定度：≤0.25%，檢定裝置示意流程如圖3所示。

原級標準裝置為鐘罩式，次級標準裝置為2臺流量分別為400 m3/h和1 000 m3/h的容積式流量計，工作級為4臺最大流量4 000 m3/h的渦輪流量計。該裝置可通過次級標準溯源至Groningen檢定站的主標準，也可內(nèi)部進行溯源。

圖3 Bergum檢定裝置示意流程

1.3 荷蘭國家計量研究院（Westerbork）

Westerbork檢定裝置壓力范圍：4.1～6.3 MPa；流量計管徑范圍：≤Ф750 mm；流量范圍：≤6.5×103m3/h；不確定度：≤0.25%，檢定裝置示意流程如圖4所示。

圖4 Westerbork檢定裝置示意流程

原級標準裝置為鐘罩式，次級標準裝置可采用2只900 mm的文丘里臨界噴嘴，工作級為10臺最大流量4 000 m3/h的渦輪流量計。該裝置有兩條檢定管路與工作級串聯(lián)。

1.4 加拿大輸氣校準公司（TCC）

TCC檢定裝置壓力范圍：≤7.0 MPa；流量計管徑范圍：Ф200～750 mm；流量范圍：50～6×104m3/h；不確定度：≤0.2%。檢定裝置示意流程如圖5所示。

圖5 TCC檢定裝置示意流程

原級標準裝置為旋轉(zhuǎn)活塞校準儀，核查標準由10臺腰輪流量計構(gòu)成，次級標準裝置為2臺最大流量2 500 m3/h和6臺最大流量10 000 m3/h的渦輪流量計。核查標準定期對標準表進行檢測，以確保標準表可靠穩(wěn)定。TCC檢定裝置是目前世界上天然氣流量計儀表檢定壓力最高、管徑最大、檢定能力最強的檢定實驗室。該裝置可通過荷蘭NMI提供的1臺DN400 mm渦輪流量計和1臺DN400 mm超聲波流量計將裝置溯源至NMI標準。

1.5 德國國家物理技術(shù)研究院（Pigsar）

Pigsar檢定裝置壓力范圍[10-13]：1.4～5.0 MPa；流量計管徑范圍：Ф80～500 mm；流量范圍：4.8×102～2.0×104m3/h；不確定度：≤0.16%。檢定裝置示意流程如圖6所示。

圖6 Pigsar檢定裝置示意流程

原級標準裝置為高壓體積管（HPPP），次級標準裝置為4臺G250的渦輪流量計，工作標準裝置為1臺G100和4臺G1000渦輪流量計。HPPP是不確定度最小的原級，其不確定度不超過0.01%。

1.6 美國氣體研究所（GRI）

1）高壓環(huán)道。GRI高壓環(huán)道裝置壓力范圍：1.0～8.3 MPa；流量計管徑范圍：Ф50～600 mm；流量范圍：≤2.3×103m3/h；不確定度：0.25%。

2）低壓環(huán)道。GRI低壓環(huán)道裝置壓力范圍：0.14～1.45 MPa；流量計管徑范圍：Ф25～200 mm；流量范圍：≤0.9×103m3/h；不確定度：≤0.25%。

GRI檢定裝置的原級標準采用mt法，工作級標準裝置為臨界流文丘里噴嘴。其溯源的方法簡單，可通過原級裝置的量值直接溯源至NIST（美國國家標準與技術(shù)研究院National Institute of Standards and Technology）。檢定裝置示意流程如圖7所示。

圖7 GRI環(huán)道檢定流程簡圖

1.7 美國科羅拉多工程實驗室（CEESI）

CEESI檢定裝置壓力范圍：≤7.0 MPa；流量計管徑范圍：≤Ф750 mm；流量范圍：≤4.9×104m3/h；不確定度：≤0.25%。

CEESI檢定裝置原級標準裝置采用pVTt法，次級標準裝置為文丘里臨界噴嘴，工作標準裝置為渦輪流量計。CEESI也是目前世界上能檢定Ф750 mm口徑流量計不多的實驗室之一。

1.8 法國Alfortville檢測中心（GdF）

GdF檢定裝置壓力范圍：1.0～6.0 MPa；流量計管徑范圍：≤Ф300 mm；流量范圍：≤6.5×103m3/h；不確定度：≤0.25%。

GdF檢定裝置原級標準采用pVTt法，工作級標準裝置為文丘里臨界流噴嘴。

另外，俄羅斯、挪威及日本的流量計檢定實驗室[2]也頗具一定規(guī)模，這里就不再一一介紹。

2 國內(nèi)天然氣流量計檢定流程

國內(nèi)從20世紀90年代后期就開始建立天然氣流量計檢定實驗室，自第一條大口徑天然氣管道——陜京天然氣管道建成后，國內(nèi)流量計檢定實驗室已經(jīng)初具規(guī)模，具備了對大管徑、高壓力及高精度管輸天然氣流量計的檢定能力[5,9-13]。隨著國內(nèi)西氣東輸天然氣管道工程、中亞及中俄等跨國天然氣管道工程的建設(shè)，國內(nèi)的天然氣流量計檢定工作不斷與國際接軌，水平也不斷提高?，F(xiàn)將國內(nèi)主要的流量計檢定實驗室分述如下。

2.1 大慶國家大流量計站

大慶站是國家一級標準站，檢定裝置壓力范圍：0.4～2.0 MPa；流量計管徑范圍：≤Ф300 mm；流量范圍：10～1.5×103m3/h；不確定度：≤0.5%。

大慶站原級標準裝置采用10 m3鐘罩，這也是國內(nèi)目前準確度等級最高的鐘罩式氣體流量標準裝置。這套檢定裝置以空氣為介質(zhì)，次級標準為文丘里臨界噴嘴，工作級標準為渦輪流量計。另外，大慶站還有一套以天然氣為介質(zhì)，采用CEESI生產(chǎn)檢定的16只不同管徑的文丘里臨界噴嘴并聯(lián)組成的移動式檢定裝置，流量范圍：10～1.5×103m3/h，不確定度：≤0.25%。

2.2 南京天然氣實流計量測試中心

南京站檢定裝置壓力范圍：2.5～10.0 MPa；流量計管徑范圍：Ф50～400 mm；流量范圍：10～1.2×104m3/h；不確定度：≤0.32%。檢定裝置示意流程如圖8所示。

原級標準采用mt法，次級12只采用按照ISO9300標準設(shè)計、制造和安裝的文丘里臨界噴嘴并聯(lián)安裝。檢定線路分為兩路，大口徑線路工作標準由1臺DN150 mm和7臺DN200 mm渦輪流量計并聯(lián)安裝組成，流量范圍：50～12 000 m3/h，核查標準為2臺超聲波流量計（DN150 mm、DN400 mm）；小口徑線路工作標準由1臺DN50 mm、1臺DN80 mm及1臺DN100 mm渦輪流量計并聯(lián)安裝組成，流量范圍：10～750 m3/h，核查標準為1臺DN100 mm超聲波流量計。另外，南京站還有一套移動式天然氣流量檢定標準，該移動標準由2臺并聯(lián)渦輪流量計工作標準及1臺超聲波流量計核查標準構(gòu)成，其工作壓力：1.6～10.0 MPa；流量范圍：10～8 000 m3/h。

圖8 南京站天然氣實流計量測試中心流程示意

2.3 成都天然氣流量分站

成都站檢定裝置壓力范圍：0.3～4.0 MPa；流量計管徑范圍：Ф50～400 mm；流量范圍：16～8.0×103m3/h；不確定度：≤0.33%。檢定裝置示意流程如圖9所示。

圖9 成都站天然氣流量計檢定流程示意

原級標準采用mt法，次級采用13只美國CEESI檢定通過的文丘里臨界噴嘴并聯(lián)安裝構(gòu)成，流量范圍：26～100 000 m3/h，不確定度為0.25%，工作標準為5組并聯(lián)渦輪流量計，可對口徑DN25～400 mm的多種流量計進行檢定，核查裝置采用超聲波流量計，流量范圍：20～8 000 m3/h。另外，成都站還有一套移動式天然氣流量檢定標準，該移動標準為超聲波流量計，其工作壓力：0.3～4.0 MPa，流量范圍：40～8 000 m3/h。

2.4 武漢天然氣流量分站

武漢站檢定裝置壓力范圍：2.5～10.0 MPa；流量計管徑范圍：≤Ф300 mm；流量范圍：20～8.0×104m3/h；不確定度：≤0.33%。檢定裝置示意流程如圖10所示。

武漢站是國內(nèi)第一個使用HPPP原級標準裝置的檢定站，選用由2臺G250渦輪流量計的平均值傳遞，流量范圍：20～400 m3/h，配備兩組限流噴嘴，實現(xiàn)16～400 m3/h 8個工況流量點的設(shè)定；工作標準裝置由并聯(lián)的11條標準管路構(gòu)成，每條管路由標準渦輪流量計和核查超聲波流量計串聯(lián)而成。另外，武漢站還有一套移動式標準，由3臺并聯(lián)的標準渦輪流量計（口徑分別為DN80、150、400 mm）與1臺口徑為DN300 mm的核查超聲波流量計串聯(lián)組成，設(shè)計壓力為10 MPa，流量范圍：20～8 000 m3/h，被檢測流量計口徑DN50～300 mm。鑒于HPPP原級裝置檢定系統(tǒng)不確定度的影響因素，減少管容是必要的辦法。

圖10 武漢站天然氣流量計檢定流程示意

2.5 重慶天然氣流量分站

重慶站檢定裝置壓力范圍：0～1.2 MPa；流量計管徑范圍：Ф25～250 mm；流量范圍：1～6.0×103m3/h；不確定度：≤0.2%。

重慶站的原級標準裝置采用pVTt法，次級標準采用文丘里臨界流噴嘴，工作級標準為渦輪流量計。

2.6 烏魯木齊站

新建的烏魯木齊站檢定裝置壓力范圍：2.5～10 MPa；流量計管徑范圍：Ф50～400 mm；流量范圍：7～8.0×103m3/h；不確定度：≤0.1%。檢定裝置流程如圖11所示。

圖11 烏魯木齊站檢定流程示意

烏魯木齊站無原級標準裝置，原級在南京站或成都站校準，次級標準為文丘里臨界噴嘴，工作級標準為渦輪流量計。

2.7 廣州站

新建的廣州站檢定裝置壓力范圍：4.5～10 MPa；流量計管徑范圍：Ф50～400 mm；流量范圍：8～1.2×104m3/h；不確定度：≤0.1%。

與上述烏魯木齊站類似，廣州檢定站無原級標準裝置，僅含次級和工作級，原級在南京站或成都站校準，次級標準仍然為文丘里臨界噴嘴，工作級標準為渦輪流量計。

此外，國內(nèi)最近又在北京、塔里木、榆林、東北等地建立了工作級標準的計檢定站[14-17]，其檢定方式和原理大同小異，這里就不再贅述。

3 國內(nèi)外天然氣流量計檢定水平比對

3.1 起步時間有差距

國外天然氣流量計檢定起步較早，隨著工業(yè)化革命發(fā)展和天然氣作為主要能源的普及，歐美國家的流量計檢定實驗室在20世紀70～80年代就相繼建成[2-9]，并投用多年，形成了完善的標準體系。我國在改革開放后20世紀90年代開始建立大口徑天然氣流量計檢定實驗室[10-11]，隨著陜京輸氣管道、澀寧蘭天然氣管道、西氣東輸管道及出川天然氣管道的投用，國內(nèi)在成都、大慶、南京、武漢、重慶等地都建立了大口徑天然氣流量計檢定實驗站。隨著中亞天然氣管道、中俄天然氣管道及海上LNG等國際通道的開通，國內(nèi)又在烏魯木齊、廣州及塔里木等地建成了新的一批流量計檢定實驗站。這些實驗站的檢定水平與歐美老牌實驗室相比，在流量計管徑、壓力和精度方面都在不斷縮小差距。

3.2 檢定介質(zhì)發(fā)生轉(zhuǎn)變

通常流量計檢定的介質(zhì)一般選用空氣、氮氣和天然氣。為了提高檢定的準確度，采用天然氣進行流程檢定是檢定流量計的最好介質(zhì)，歐美工業(yè)發(fā)達國家的流量計檢定實驗室都從過去的空氣或氮氣介質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)樘烊粴饨橘|(zhì)，最大限度地消除介質(zhì)重量和流動性差異引起的誤差；國內(nèi)后建或擴建的南京、成都及新建的烏魯木齊、廣州、塔里木等檢定站也采用管輸天然氣作為檢定介質(zhì)，達到與國際水平同步。

3.3 原級標準裝置在不斷更新

原級標準裝置在不斷更新，流量計檢定的原級裝置過去一般采用的是鐘罩式方法，后來逐步過度到mt法或pVTt法。目前，德國的Pigsar檢測站和中國的武漢計量檢測站采用HPPP法[17-18]。這些原級標準裝置的更新，使原級的檢定壓力有很大變化，檢定的不確定度得到提高。

3.4 次級標準裝置以臨界噴嘴居多

次級標準裝置的形式主要包括旋轉(zhuǎn)活塞流量計、容積流量計、渦輪流量計和文丘里臨界流噴嘴等，文丘里臨界流噴嘴作為次級流量標準裝置不確定度達到0.15%～0.25%的范圍。目前國際上先進的流量計檢定實驗室次級標準裝置大多采用文丘里臨界流噴嘴，國內(nèi)的南京、成都、烏魯木齊及廣州等計量檢定中心也都采用了文丘里臨界流噴嘴作為次級流量標準裝置。

3.5 工作級標準裝置趨于固定

被直接用于流量計量值傳遞的工作級標準裝置也趨于固定，通常工作級標準采用的渦輪流量計一般不確定度在0.25%～0.40%之間，渦輪流量計技術(shù)成熟，具有良好的流量特性，被廣泛采用。國內(nèi)所有的流量計檢定站都采用渦輪流量計作為工作標準器，臨界流文丘里噴嘴由于其壓力損失較大，容積流量計對介質(zhì)的清潔程度要求較高，這兩種流量計作為工作級標準器一般僅限用于低壓檢定站。

3.6 檢定規(guī)范和方式與國際一致

天然氣流量計的檢定原理一般采用容積值比較法，即在相同時間和工況條件下天然氣通過標準裝置和被檢測流量計，比較兩者流量值誤差，從而確定流量計的性能。國際通行的流量計檢定程序十分成熟，國內(nèi)開展的流量計檢定流程無一例外都是參照國外流程；檢定裝置的設(shè)計、制造和安裝都是直接采用國際標準，因此檢定方式與國際完全接軌。

3.7 計量標準采標歐美

中國天然氣流量計量工作雖然起步較晚，但從一開始就以歐美標準為參考。國內(nèi)的天然氣流量計量標準都是參照歐美標準，通過采標的形式轉(zhuǎn)化為國家標準（GB）或行業(yè)標準（SY）。表1列出了現(xiàn)行中國天然氣流量計量標準與歐美天然氣流量計量標準的對比[5,15-16]。

通過表1可以看出，中國目前采用的天然氣流量計量標準都等效或等同于歐美國家的相應(yīng)標準。從另一方面看出，中國天然氣流量計量標準與國際標準基本是一致的。

表1 國內(nèi)外天然氣流量計量標準比較

3.8 檢定管徑和精度不斷提高

隨著流量計檢定技術(shù)的不斷發(fā)展，天然氣流量計的檢定管徑和精度不斷提高。表2列出國內(nèi)外流量計檢定實驗室原級檢定裝置的最大流量、最大壓力及不確定度比對數(shù)值。

表2 國內(nèi)外流量計檢定實驗室原級不確定值

表3列出工作級檢定裝置的最大流量、最大壓力、檢定最大管徑及不確定度比對數(shù)值。從表3所列數(shù)據(jù)可以看出，目前國外流量計檢定裝置的最大管徑已經(jīng)達到750 mm，國內(nèi)最大檢定流量計管徑不超過400 mm。不過最大流量和最大壓力國內(nèi)外沒有明顯的差別，不確定度的差距也在逐漸縮小。

從表2和表3的不確定度可以看出，雖然國內(nèi)外檢定實驗室的不確定度差距在逐漸縮小。但不難看出：歐美特別是德國和荷蘭的檢定機構(gòu)，其原級檢定不確定值在0.064%～0.07%范圍，工作級水平在0.13%～0.15%范圍；國內(nèi)檢定機構(gòu)的原級不確定值在0.1%左右，工作級不確定值在0.25%左右。從精度上看，國內(nèi)檢定水平與國際水平仍存在一定的差距。

表3 國內(nèi)外流量計檢定實驗室工作級不確定值