天然氣流量計(jì)算機(jī)校準(zhǔn)的常見問題及處理方法

楊世彬

大慶油田設(shè)計(jì)院有限公司

流量計(jì)算機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、運(yùn)算速度快、精度等級高等特點(diǎn)[1-2]。為確保天然氣交接計(jì)量準(zhǔn)確、可靠，天然氣貿(mào)易交接時(shí)，天然氣計(jì)量站均采用流量計(jì)算機(jī)計(jì)量的最終交接天然氣標(biāo)況體積流量作為貿(mào)易結(jié)算憑證。通過采集流量計(jì)參數(shù)和相關(guān)的溫度、壓力、氣體組分等參數(shù)，將工況體積流量轉(zhuǎn)換成標(biāo)況體積流量，依據(jù)檢定規(guī)程進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，得出對應(yīng)流量計(jì)量數(shù)據(jù)[3-4]。為保證貿(mào)易交接準(zhǔn)確可靠，依據(jù)JJG 1003—2016《流量積算儀檢定規(guī)程》，需要對計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)。

近年來，計(jì)量技術(shù)人員對于流量計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究較多，校準(zhǔn)方法研究較少。本文以F1 渦輪流量計(jì)算機(jī)為例，對校準(zhǔn)過程中流量示值誤差偏大原因進(jìn)行歸納總結(jié)，列舉校準(zhǔn)后流量計(jì)算機(jī)不能正常運(yùn)行的問題，提出合理解決方案。

1 數(shù)學(xué)模型建立

渦輪流量計(jì)工況流量與流量計(jì)算機(jī)標(biāo)況流量轉(zhuǎn)換公式如下：

式中：Q為渦輪流量計(jì)工況體積流量，m3/h；f為單位時(shí)間內(nèi)渦輪流量計(jì)發(fā)的脈沖信號個(gè)數(shù)，s-1；K為渦輪流量計(jì)的脈沖系數(shù)，即單位體積的流體流過流量計(jì)發(fā)出的脈沖數(shù)，L/m3；Qn為渦輪流量計(jì)標(biāo)況體積流量，m3/h；p為工作狀態(tài)下絕對壓力，kPa；pn為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力，101.325 kPa；T為工作條件下氣體溫度，℃；Tn為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體溫度，20 ℃；Z為工作條件下氣體壓縮因子；Zn為標(biāo)準(zhǔn)參考條件下氣體壓縮因子。

由公式（1）、（2）可知，流量示值誤差來源于以上參數(shù)。各輸入量相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度如表1所示。

表1 相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總Tab.1 Summary of relative standard uncertainty

由于各輸入量的估算值變化不會導(dǎo)致其他參量變化，故相關(guān)系數(shù)為0。根據(jù)JJF 1059.1—2012《測量不確定度評定與表示》，若合成不確定度為

則相對擴(kuò)展不確定度為

2 示值誤差偏大原因分析

以國家管網(wǎng)西氣東輸某天然氣計(jì)量站F1 流量計(jì)算機(jī)為例，使用標(biāo)準(zhǔn)器MC6（多功能校驗(yàn)儀）作為信號源，模擬流量計(jì)發(fā)出不同頻率信號，同時(shí)固定壓力、溫度、儀表系數(shù)等輸入量，得出標(biāo)況流量示值誤差（表2）。

表2 校準(zhǔn)結(jié)果Tab.2 Calibration results

2.1 壓縮因子計(jì)算誤差大

流量計(jì)算機(jī)計(jì)算的Z、Zn值與國家站軟件計(jì)算結(jié)果相差較大，導(dǎo)致示值誤差偏大。

（1）組態(tài)內(nèi)氣體組分設(shè)置為keypad（鍵盤值）時(shí)，無法保存，計(jì)算機(jī)實(shí)際采用download 在線色譜值。如表3 所示，由于在線色譜分析儀采集的氣體組分值是實(shí)時(shí)變化的，且各組分的保留時(shí)間完全不同，無法完成校準(zhǔn)工作?？稍诮M態(tài)軟件內(nèi)關(guān)閉online gas quality（在線氣體組分），將其改為No，保存并上傳組態(tài)。如表4 所示，組分值來源更改為鍵盤值，或者從上位機(jī)中斷開氣體色譜儀，流量校準(zhǔn)結(jié)束后再恢復(fù)在線色譜采集。

表3 色譜分析儀采集組分時(shí)間變化Tab.3 Time change of components collected by the chromatographic analyzer

表4 氣體摩爾分?jǐn)?shù)及其來源Tab.4 Molar fraction of gas and its source

（2）在國家管網(wǎng)集團(tuán)西氣東輸各天然氣站中，流量計(jì)算機(jī)均采用AGA8-92DC 法和氣相色譜歸一法計(jì)算天然氣壓縮因子等參數(shù)（表5）。

表5 歸一化前后天然氣壓縮因子等參數(shù)計(jì)算結(jié)果Tab.5 Calculation results of parameters like natural gas compressibility factor before and after normalization

2.2 流量計(jì)多點(diǎn)誤差修正

如表6 所示，利用標(biāo)準(zhǔn)裝置對渦輪流量計(jì)進(jìn)行檢定時(shí)，選取量程內(nèi)固定幾個(gè)流量點(diǎn)作為檢定點(diǎn)[5]，計(jì)算出各點(diǎn)的示值誤差，并對多點(diǎn)誤差做修正處理。流量計(jì)算機(jī)的校準(zhǔn)是模擬一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的工況流量，不需要誤差修正。在校準(zhǔn)過程中將組態(tài)內(nèi)流量計(jì)各檢定點(diǎn)及對應(yīng)誤差修正值做好記錄，然后將誤差修正值全部修改為0，待校準(zhǔn)結(jié)束后將修正值恢復(fù)，保存并上傳組態(tài)。

表6 流量檢定點(diǎn)及修正誤差Tab.6 Flow verification points and error correction

3 校準(zhǔn)后不能正常運(yùn)行問題

3.1 小信號切除

當(dāng)進(jìn)出口閥門全關(guān)閉，確認(rèn)管路內(nèi)無氣體流動(dòng)時(shí)，流量計(jì)算機(jī)仍然顯示有流量累加。雖然渦輪流量計(jì)理論上不存在零點(diǎn)漂移問題，但流量以模擬信號形式輸出時(shí)，因模擬電路的特性也會產(chǎn)生漂移。由于渦輪流量計(jì)探頭輸出脈沖信號，其幅值與流過漩渦發(fā)生體流體的流速平方成正比。當(dāng)探頭輸出信號幅值較大時(shí)，信噪比也較大，干擾不易侵入；當(dāng)流速較低、信噪比小時(shí)，干擾容易侵入。此時(shí)采用小信號切除方法，使儀表既能在流速較高時(shí)保證正常測量，又能在流速低于切除值、可測最小流量對應(yīng)值時(shí)，穩(wěn)定指示零。雖然小信號對全天計(jì)量的影響不大，但如果長時(shí)間累計(jì)，對計(jì)量準(zhǔn)確度影響極大[6-7]。合理設(shè)置與渦輪葉片啟動(dòng)靈敏度相匹配的小信號切除點(diǎn)是提高計(jì)量準(zhǔn)確度的關(guān)鍵（表7）。

表7 小信號切除設(shè)置Tab.7 Small signal removal setting

3.2 組態(tài)上傳錯(cuò)誤

校準(zhǔn)恢復(fù)后，流量計(jì)算機(jī)面板上顯示壓力、溫度為固定值，且現(xiàn)場的壓力、溫度變送器示值異常。由于流量校準(zhǔn)過程中溫度、壓力要采用固定的替代值（substitute value），校準(zhǔn)結(jié)束后直接上傳組態(tài)，計(jì)算機(jī)沒有采集到現(xiàn)場的壓力、溫度信號；所以，應(yīng)在校準(zhǔn)結(jié)束后將替代值方式改為無效（invalid），再上傳組態(tài)。

3.3 壓力下限報(bào)警

校準(zhǔn)恢復(fù)后，流量計(jì)算機(jī)顯示壓力信號在8 000 kPa 與101.1 kPa 之間變換，現(xiàn)場壓力變送器示值在100.8 kPa 上下浮動(dòng)，報(bào)警顯示pmin alarm（壓力下限報(bào)警）。原因是：由于計(jì)算機(jī)組態(tài)內(nèi)將壓力下限報(bào)警值設(shè)置為101 kPa，當(dāng)壓力低于101 kPa就會產(chǎn)生報(bào)警，示值顯示8 000 kPa 鍵盤值；當(dāng)壓力大于或等于101 kPa 時(shí)，顯示正常示值；比如，將壓力下限報(bào)警值設(shè)置為100.5 kPa，就不會產(chǎn)生報(bào)警，但又不能設(shè)置過低，因?yàn)閴毫ψ兯推鳈z定過程中對于下限絕壓值的調(diào)整都是以當(dāng)?shù)氐膶?shí)際大氣壓值作為標(biāo)準(zhǔn)值[8]。因此，在不同的海拔地區(qū)，由于當(dāng)?shù)卮髿鈮褐档牟町悾侠碓O(shè)置壓力下限報(bào)警值顯得尤為關(guān)鍵。

3.4 流量計(jì)通信報(bào)警

流量計(jì)算機(jī)校準(zhǔn)結(jié)束后，顯示渦輪流量計(jì)通信報(bào)警，而且清除不掉。在校準(zhǔn)過程中需要拔掉機(jī)柜后面采集流量計(jì)脈沖信號的端子，通過標(biāo)準(zhǔn)器模擬現(xiàn)場脈沖信號，此時(shí)流量計(jì)與流量計(jì)算機(jī)通信中斷。當(dāng)校準(zhǔn)結(jié)束后，恢復(fù)端子，流量計(jì)算機(jī)還記憶著模擬流量信號[9]，連接流量計(jì)信號端子后無法識別。需要重啟流量計(jì)算機(jī)，重新與流量計(jì)匹配通信信號，若仍不能消除報(bào)警，可以將氣體分輸支路切換到該流量計(jì)所在支路，流量計(jì)產(chǎn)生工況流量，通信報(bào)警就會消除。

4 結(jié)束語

通過提出流量計(jì)算機(jī)示值誤差偏大的解決方案，可降低計(jì)量誤差，提高流量計(jì)算機(jī)校準(zhǔn)精度，保證貿(mào)易計(jì)量的準(zhǔn)確性，減少計(jì)量糾紛，維護(hù)貿(mào)易雙方的經(jīng)濟(jì)利益。通過采取一些流量計(jì)算機(jī)校準(zhǔn)后共性問題的處理方法，不僅能提高校準(zhǔn)的工作效率，增強(qiáng)分輸與計(jì)量狀態(tài)的連續(xù)性，減少污染物的排放，保護(hù)環(huán)境，而且可降低人力、物力以及不必要的設(shè)備損耗，提高設(shè)備使用的科學(xué)性，提高能源利用的有效性[10]，減少生產(chǎn)過程中的能源消耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。