新型差壓槽道式流量計(jì)校準(zhǔn)方法

大慶油田設(shè)計(jì)院有限公司

流量測(cè)量技術(shù)是一種復(fù)雜的復(fù)合測(cè)量技術(shù)，其中解決運(yùn)動(dòng)相似問題一直是流量測(cè)量技術(shù)面臨的巨大挑戰(zhàn)，一種完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型節(jié)流式差壓流量計(jì)——槽道流量計(jì)[1-2]，為解決流量測(cè)量的運(yùn)動(dòng)相似性問題做了有益的嘗試。槽道流量計(jì)基于流體力學(xué)、流體控制技術(shù)，以優(yōu)化的流線型紡錘體作為節(jié)流件，任意流態(tài)流體通過節(jié)流件與管道內(nèi)壁之間形成的環(huán)狀槽道時(shí)，逐漸調(diào)整為流動(dòng)狀態(tài)相似的近似于均勻速度分布的流體，以獲得穩(wěn)定的差壓[3]。相較于傳統(tǒng)差壓式流量計(jì)，槽道式流量計(jì)有幾個(gè)特點(diǎn)：①對(duì)上下游直管段要求低。由于紡錘體節(jié)流件的整流功能，槽道式流量計(jì)對(duì)整流器沒有要求，配置直管段很短，大幅降低了安裝要求。②壓損小。紡錘體的優(yōu)化流線型設(shè)計(jì)，使流經(jīng)流量計(jì)的流體在表體內(nèi)不會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)分離，較傳統(tǒng)差壓式流量計(jì)的永久壓力損失小很多（是同β值標(biāo)準(zhǔn)孔板永久壓損的20%），同時(shí)沒有分離和漩渦，保證了測(cè)量信號(hào)較高的信噪比。③高準(zhǔn)確度和寬量程比。當(dāng)流體達(dá)到充分湍流后，槽道式流量計(jì)環(huán)道內(nèi)形成了近似均勻速度分布的流態(tài)，在此流態(tài)下，流體在環(huán)道內(nèi)的邊際層對(duì)流體流態(tài)的影響可以忽略，流出系數(shù)近似為常數(shù)。④經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的對(duì)稱式紡錘體可以實(shí)現(xiàn)流體的雙向測(cè)量[4]。由于紡錘體具有耐磨損、抗臟污的優(yōu)勢(shì)，使該種流量計(jì)有很好的適用性和穩(wěn)定性，適合在天然氣流量計(jì)量領(lǐng)域推廣使用。

槽道式流量計(jì)作為新式流量計(jì)，沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程和規(guī)范指導(dǎo)其檢定或校準(zhǔn)，只能參照J(rèn)JG640—2016《差壓式流量計(jì)》[5]執(zhí)行。但該規(guī)程主要適用于孔板、噴嘴等傳統(tǒng)差壓流量計(jì)，對(duì)槽道式流量計(jì)并不適用。隨著槽道式流量計(jì)應(yīng)用越來越廣泛，需要制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行規(guī)范。目前，標(biāo)準(zhǔn)工作組已完成了SY/T 7551—2019《用槽道式流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》[6]標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)批，對(duì)其校準(zhǔn)方法也進(jìn)行了重新規(guī)定。

1 校準(zhǔn)裝置

標(biāo)準(zhǔn)裝置可采用重復(fù)性較好的羅茨流量計(jì)或渦輪流量計(jì)作為主標(biāo)準(zhǔn)器的標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，與被校流量計(jì)串聯(lián)在同一管路中，配備差壓變送器、壓力變送器和溫度變送器。計(jì)算機(jī)同時(shí)采集被校表和標(biāo)準(zhǔn)表輸出的流量信號(hào)，修正后得到相應(yīng)的標(biāo)況流量，比較后得到校準(zhǔn)結(jié)果。標(biāo)準(zhǔn)裝置流量測(cè)量的擴(kuò)展不確定度U≤0.33%（包含因子k=2）；對(duì)于準(zhǔn)確度0.5 級(jí)的槽道式流量計(jì)可采用臨界流噴嘴作為標(biāo)準(zhǔn)裝置，標(biāo)準(zhǔn)裝置流量測(cè)量的擴(kuò)展不確定度U≤0.25%（包含因子k=2）。

2 校準(zhǔn)方法

2.1 校準(zhǔn)條件

流量計(jì)采用水平安裝方式，確保表體外壁取壓口及測(cè)溫口垂直向上，上游直管段長(zhǎng)度至少應(yīng)為5D（D為管道內(nèi)徑），下游直管段長(zhǎng)度至少應(yīng)為2D。單次測(cè)試過程中，流體介質(zhì)應(yīng)達(dá)到充分湍流（測(cè)量管徑雷諾數(shù)ReD≥105），介質(zhì)溫度變化應(yīng)在±0.5 ℃內(nèi)，壓力波動(dòng)應(yīng)在±0.5%內(nèi)，流量波動(dòng)應(yīng)在±5%內(nèi)。

2.2 校準(zhǔn)項(xiàng)目和校準(zhǔn)程序

2.2.1 流量點(diǎn)

在管徑雷諾數(shù)ReD=105時(shí)的流量至流量計(jì)最大流量之間均勻地選擇4 個(gè)測(cè)試流量點(diǎn)，也可以增加其他流量點(diǎn)進(jìn)行附加校準(zhǔn)試驗(yàn)。對(duì)于大口徑流量計(jì)的校準(zhǔn)可能達(dá)不到上限流量值，可指定低于流量計(jì)最大流量qmax的校準(zhǔn)流量范圍，一般為0.7qmax。

2.2.2 測(cè)試次數(shù)

每個(gè)流量點(diǎn)連續(xù)測(cè)試3 次，對(duì)于準(zhǔn)確度為0.5級(jí)的流量計(jì)，應(yīng)增加測(cè)量次數(shù)，每個(gè)流量點(diǎn)連續(xù)測(cè)試6 次。

2.2.3 測(cè)試時(shí)間

每次數(shù)據(jù)采集時(shí)間不小于100 s。

2.2.4 校準(zhǔn)程序

校準(zhǔn)程序?yàn)椋孩賾?yīng)預(yù)運(yùn)行至少5 min，待流體介質(zhì)的溫度、壓力、流量達(dá)到穩(wěn)定值后，進(jìn)行校準(zhǔn)；②把流量調(diào)到規(guī)定的流量值，穩(wěn)定后同時(shí)啟動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)器（或標(biāo)準(zhǔn)器的記錄功能）和被檢流量計(jì)（或被檢流量計(jì)的輸出功能），并記錄標(biāo)準(zhǔn)器和被檢流量計(jì)的初始示值；③按裝置操作要求運(yùn)行一段時(shí)間后，同時(shí)停止標(biāo)準(zhǔn)器（或標(biāo)準(zhǔn)器的記錄功能）和被檢流量計(jì)（或被檢流量計(jì)的輸出功能），記錄標(biāo)準(zhǔn)器和被檢流量計(jì)的最終示值；④比較流量計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)器的累積流量或平均瞬時(shí)流量值，計(jì)算示值誤差和流出系數(shù)；⑤復(fù)上述測(cè)試，計(jì)算流量計(jì)的重復(fù)性。

2.3 測(cè)試數(shù)據(jù)處理

2.3.1 流量計(jì)算

流量計(jì)在標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的體積流量按式[7]（1）計(jì)算。

式中：qij為第i校準(zhǔn)點(diǎn)第j次被檢流量計(jì)在標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的流量值，m3/s；C0為流量計(jì)原流出系數(shù)，無量綱；Δpij為第i校準(zhǔn)點(diǎn)第j次校準(zhǔn)被檢流量計(jì)的差壓，Pa；ρf為操作條件下介質(zhì)密度，kg/m3；ρn為標(biāo)準(zhǔn)參比條件下介質(zhì)密度，kg/m3；ε為可膨脹性系數(shù)，無量綱；D為流量計(jì)表體內(nèi)徑，m；d為紡錘體等直段直徑，m；β為等效直徑比，無量綱。

2.3.2 可膨脹系數(shù)計(jì)算

可膨脹系數(shù)ε按式（2）計(jì)算。

式中：A為可膨脹系數(shù)計(jì)算參數(shù)，無量綱；pij為第i校準(zhǔn)點(diǎn)第j次校準(zhǔn)被檢流量計(jì)上游處的靜壓力，Pa；κ為等熵指數(shù)，無量綱。

2.3.3 示值誤差計(jì)算

流量計(jì)的單次測(cè)量示值誤差按式（3）計(jì)算。

式中：Eij為第i校準(zhǔn)點(diǎn)第j次校準(zhǔn)被檢流量計(jì)的相對(duì)示值誤差，%；(qs)ij為第i校準(zhǔn)點(diǎn)第j次標(biāo)準(zhǔn)器在標(biāo)準(zhǔn)參比條件下的流量值，m3/s。

流量計(jì)各流量點(diǎn)的相對(duì)示值誤差按式（4）計(jì)算。

式中：Ei為流量計(jì)第i校準(zhǔn)點(diǎn)的相對(duì)示值誤差，%；n為第i校準(zhǔn)點(diǎn)的測(cè)試次數(shù)。

流量計(jì)的示值誤差按式（5）計(jì)算。

式中：|Ei|max為流量計(jì)各校準(zhǔn)點(diǎn)相對(duì)示值誤差中最大值，%。

2.3.4 重復(fù)性計(jì)算

流量計(jì)各流量點(diǎn)的重復(fù)性按式（6）計(jì)算。

式中：(Er)i為第i校準(zhǔn)點(diǎn)的重復(fù)性，%。

流量計(jì)的重復(fù)性按式（7）計(jì)算。

2.3.5 流出系數(shù)計(jì)算

流量計(jì)單次校準(zhǔn)的流出系數(shù)按式（8）計(jì)算。

式中：Cij為第i校準(zhǔn)點(diǎn)第j次校準(zhǔn)流量計(jì)的流出系數(shù)，無量綱。

流量計(jì)各校準(zhǔn)點(diǎn)的流出系數(shù)按式（9）計(jì)算。流量計(jì)的流出系數(shù)C取各校準(zhǔn)點(diǎn)流出系數(shù)的算術(shù)平均值。

式中：Ci為第i校準(zhǔn)點(diǎn)校準(zhǔn)流量計(jì)的流出系數(shù)，無量綱。

2.3.6 管徑雷諾數(shù)計(jì)算

管徑雷諾數(shù)按式（10）計(jì)算。平均管徑雷諾數(shù)按式（11）計(jì)算。

式中：(ReD)ij為第i校準(zhǔn)點(diǎn)第j次校準(zhǔn)流量計(jì)的管徑雷諾數(shù)，無量綱；uf為氣體動(dòng)力黏度，Pa·s。

2.3.7 流量計(jì)修正

按前文中計(jì)算得到的流量計(jì)流出系數(shù)，置入配套表頭或流量計(jì)算機(jī)中，進(jìn)行流量計(jì)修正。

2.4 不確定度估算

2.4.1 校準(zhǔn)后的質(zhì)量流量測(cè)量相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

經(jīng)過實(shí)流校準(zhǔn)的流量計(jì)，其質(zhì)量流量測(cè)量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(qm)按式[8]（12）估算。

式中：ur(qmf)為流量計(jì)校準(zhǔn)后在校準(zhǔn)條件下的流量相對(duì)測(cè)量不確定度，由式（13）估算給出；ur(Δp)為差壓測(cè)量的不確定度；ur(ρf)為天然氣密度測(cè)量的相對(duì)不確定度。

2.4.2 校準(zhǔn)條件下質(zhì)量流量測(cè)量的不確定度

在校準(zhǔn)條件下流量測(cè)量的不確定度按式（13）估算。

式中：u(s)為校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)裝置的流量測(cè)量不確定度；u(Er)為校準(zhǔn)數(shù)據(jù)重復(fù)性引入的A 類不確定度。

2.4.3 校準(zhǔn)后質(zhì)量流量測(cè)量的相對(duì)擴(kuò)展不確定度

經(jīng)過實(shí)流校準(zhǔn)的流量計(jì)，其質(zhì)量流量測(cè)量的相對(duì)擴(kuò)展不確定度按式（14）估算。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

對(duì)國(guó)內(nèi)某公司生產(chǎn)的穩(wěn)定性良好的槽道式流量計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，流量計(jì)準(zhǔn)確度等級(jí)1.0 級(jí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 槽道式流量計(jì)校準(zhǔn)記錄Tab.1 Calibration records of spindle flowmeter

流量計(jì)的出廠流出系數(shù)[9]C0=0.87，可膨脹系數(shù)計(jì)算參數(shù)A=0.701 96，等效直徑比β=0.60，采用空氣作為測(cè)量介質(zhì)的標(biāo)況密度ρn=1.293 kg/m3，得到流量計(jì)校準(zhǔn)結(jié)果數(shù)據(jù)（表2）。

表2 槽道式流量計(jì)校準(zhǔn)結(jié)果Tab.2 Calibration results of spindle flowmeter

4 結(jié)論

針對(duì)新型差壓槽道式流量計(jì)，給出了以標(biāo)準(zhǔn)表法為標(biāo)準(zhǔn)器的校準(zhǔn)方法，通過實(shí)驗(yàn)完成了槽道式流量計(jì)校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)分析、處理，驗(yàn)證了校準(zhǔn)方法的可靠性和實(shí)用性，可以有效指導(dǎo)槽道式流量計(jì)在天然氣流量計(jì)量方面的推廣和應(yīng)用。