天然氣流量計在線檢定技術(shù)探討

方永杰

國家石油天然氣大流量計量站 （黑龍江 大慶 163712）

天然氣流量計在線檢定技術(shù)探討

方永杰

國家石油天然氣大流量計量站 （黑龍江 大慶 163712）

針對目前天然氣流量計檢定的實際情況和存在的問題，結(jié)合目前國內(nèi)機械加工技術(shù)發(fā)展情況，提出了研究設(shè)計天然氣流量計在線檢定裝置的可行性、重要性和必要性。為中、高壓天然氣流量計的貿(mào)易交接計量量值傳遞方法，提出了一個可行的技術(shù)方案。

天然氣 流量計 檢定裝置 在線檢定技術(shù)

進入21世紀以來，我國油氣能源需求持續(xù)增長，特別是天然氣消費量迅速增加，已進入“天然氣時代”。 目前中國石油擁有的天然氣管網(wǎng)干線包括：川渝環(huán)網(wǎng)、西氣東輸、陜京一線、陜京二線、忠武線、澀寧蘭線、冀寧線和淮武聯(lián)絡(luò)線等，逐步建成一縱一橫貫穿中國的兩條天然氣管道輸送干線和西南、兩湖、西北、華北、華東、東北等6個區(qū)域的天然氣管道15條合計超過11 700km，壓氣站32座、分輸站126座，年輸氣量可達到1 150.5×109m3，配備貿(mào)易計量流量計量儀表370多臺套。中國石油計劃用10年左右的時間，逐步建成西北、東北、西南、海上四大油氣戰(zhàn)略通道和國內(nèi)油氣骨干管網(wǎng)，完善儲運設(shè)施和調(diào)控能力，形成供應(yīng)穩(wěn)定的全國性管網(wǎng)和供氣體系。中國石油計劃要進入100多個主要城市的燃氣市場。目前，我國天然氣貿(mào)易計量可選用的流量計類型有七、八種之多，但在天然氣輸氣管網(wǎng)中使用的中高壓、大口徑流量計主要有超聲、渦輪、孔板等。在新建的天然氣計量站中，超聲流量計、渦輪流量計幾乎全部取代了孔板，成為最主要的計量儀表。考慮到中、高壓氣體計量檢定的特殊性，目前由國家石油天然氣大流量計量站及其成都、南京分站在授權(quán)的范圍內(nèi)對這些貿(mào)易計量儀表實施強制檢定。其檢定方法有兩種：①離線檢定，定期將流量計拆下送到實流檢定現(xiàn)場、成都分站或南京分站進行檢定；②在線檢定，將移動式在線檢定裝置運送到計量站檢定現(xiàn)場對接到預(yù)留檢定工藝接口上，通過工藝切換實現(xiàn)對流量計的檢定。目前主要的檢定方式是離線檢定。不管是離線檢定時被檢流量計的拆裝，還是在線檢定時移動式流量標準裝置的安裝，都要花費大量時間和人力物力。最主要的是天然氣管網(wǎng)的運行要受到季節(jié)、安全、工藝要求的制約，有時不能按檢定要求進行工藝調(diào)整，此時依托管網(wǎng)建設(shè)的天然氣計量站也不能開展檢定工作。各檢定機構(gòu)標準裝置的壓力、流量范圍不同，檢定范圍受到一定的局限。根據(jù)目前我國貿(mào)易交接用中、高壓天然氣流量儀表量值傳遞檢定的實際情況，探討是否能夠研究設(shè)計一套天然氣流量計在線檢定裝置固定安裝在使用現(xiàn)場定期（或不定期抽查）對其貿(mào)易交接流量計進行量值傳遞檢定。

研究設(shè)計方案

1 天然氣流量量值溯源體系

國家氣體流量計量器具檢定系統(tǒng) （JJG 2064-1990）中，規(guī)定以50～2 000L的鐘罩式氣體流量標準系列裝置作為國家的氣體流量基準 （不確定度為0.20%），采用直接比較法，向不確定度為0.5%的其他次級流量標準或工作標準進行氣體流量量值傳遞，并由這些標準檢定或測試現(xiàn)場的工作流量計。該檢定系統(tǒng)能滿足部分氣體流量量值溯源的需要，但沒有充分考慮氣體流量計量技術(shù)及儀表的發(fā)展，更沒有考慮到今天天然氣流量計量的實際需要。

為了準確復(fù)現(xiàn)氣體流量量值，科學地開展量值傳遞工作，國內(nèi)相繼建成了幾套具有較高水平的天然氣流量標準裝置，并建立了相應(yīng)的天然氣流量量值溯源體系。GB/T 18603-2001《天然氣計量系統(tǒng)技術(shù)要求》等有關(guān)標準均提出了盡可能實流檢定流量儀表的技術(shù)要求，這也是今后天然氣計量檢定的一種趨勢。

通過近幾年的發(fā)展，我國天然氣流量量值溯源系統(tǒng)，已基本能滿足天然氣工業(yè)發(fā)展的需要。目前，能夠開展中、高壓大流量天然氣檢定的技術(shù)機構(gòu)主要有國家石油天然氣大流量計量站及各分站，它們建設(shè)了原級標準、次級（傳遞）標準、工作標準組成我國天然氣量值溯源體系。

國家站及分站建設(shè)的原級標準有：鐘罩、mt、PVTt法氣體流量標準裝置，可以在中、高低壓工況條件下，以空氣或天然氣為介質(zhì)復(fù)現(xiàn)流量量值，不確定度可達到0.05%～0.1%。傳遞標準不但能把原級標準的量值傳遞到二級檢測站的工作標準，同時也可進行壓力放大，成都、南京站采用組合音速噴嘴作為傳遞標準，不確定度可達到0.1%～0.25%。工作標準可以是渦輪、超聲流量計或臨界流文丘里噴嘴，工作壓力視實際情況可為定壓或變壓，工況流量不確定度可達0.15%～0.3%。

2 設(shè)計方案的選擇

對目前天然氣流量量值溯源技術(shù)發(fā)展情況的分析：

（1）鐘罩、mt、PVTt法氣體流量裝置建設(shè)投資大,工作時要求在20℃±1℃的工況條件下進行工作。

（2）渦輪、超聲流量計標準表形式的檢定裝置投資小，工況條件可以滿足現(xiàn)場使用條件，但是該種方法選用的工作標準渦輪流量計、超聲流量計需要定期拆下來送到原級流量實驗室進行全量程檢定，這個檢定過程存在兩個方面的問題，首先檢定時的工況條件和安裝使用條件的不一致及送檢運輸過程對它們不確定度影響都無法通過技術(shù)手段進行修正；其次JJG 1030-2007《超聲流量計》和JJG 1037-2008《渦輪量計》檢定規(guī)程要求裝置的擴展不確定度應(yīng)不大于流量計最大允許誤差絕對值的1/3。按照檢定規(guī)程的要求目前國內(nèi)能夠檢定示值誤差≤±0.3%標準流量計只有在國家站、南京分站的原級或傳遞標準上進行量值傳遞檢定或比對測試。這樣對于大于DN200口徑的標準表的檢定或比對測試將受到了較大的限制。

（3）組合噴嘴式流量標準裝置是目前國際、國內(nèi)常用的一種氣體流量量值傳遞的標準裝置，該種形式裝置的投資不高，工況條件要求不苛刻，可以滿足現(xiàn)場在線工作條件。其優(yōu)點有以下幾個方面：①該種形式標準裝置標準器選用的是具有不同喉徑尺寸的臨界流文丘里噴嘴組合而成，按照JJG 620-2008《臨界流文丘里噴嘴》檢定規(guī)程規(guī)定，噴嘴可以每5年拆下一次送到實驗室進行實流檢定或采用幾何尺寸檢測的方法進行檢定[1]。該種形式的裝置量值傳遞簡單方便；②組合噴嘴式流量標準裝置的擴展不確定度能做到0.3%左右，可以滿足現(xiàn)場工作流量計的量值傳遞要求；③由于該種形式的裝置是以噴嘴組合形式進行設(shè)計，其流量范圍可以按照現(xiàn)場工作流量計的工況條件進行設(shè)計[2]。

通過以上分析，實現(xiàn)中、高壓天然氣流量計現(xiàn)場在線檢定選用組合噴嘴形式技術(shù)方案建立檢定裝置較為可行。

組合噴嘴式氣體流量檢定裝置研究

由于該形式噴嘴裝置要求能在中、高壓天然氣輸送的工況條件下工作，首先要考慮中、高壓天然氣的流通、切斷密封方法和使用運行條件下的安全可靠性設(shè)計。

1 中、高壓天然氣流通、切斷密封閥設(shè)計

由于中、高壓天然氣在管道內(nèi)輸送一般都在1～10MPa壓力下流動運行。直接進行切斷密封很難實現(xiàn)。必須設(shè)計專用機械結(jié)構(gòu)的壓力平衡密封閥來實現(xiàn)其功能（圖1）。

該閥工作原理為：在密封工作狀態(tài)時，高壓氣體從裝置結(jié)構(gòu)體4的入口進入，通過噴嘴8和密封塞7的中心孔進入到密封連接體5內(nèi)，使密封塞7上下的氣體壓力一樣，保證氣缸1內(nèi)的氣體密封壓力不受裝置內(nèi)高壓氣體流通壓力的影響，保證該密封閥工作狀態(tài)密封穩(wěn)定可靠。在流通工作狀態(tài)時，密封塞6提起，高壓氣體從裝置結(jié)構(gòu)體4的入口進入，通過噴嘴8計量后，經(jīng)過密封連接體5下端的4個對稱方孔到裝置結(jié)構(gòu)體的出口經(jīng)過工藝管線進入輸送管線完成檢定計量過程。

2 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于天然氣流量計在線檢定裝置是選用文丘里噴嘴做為標準器，在中、高壓天然氣輸送狀態(tài)下實施檢定工作的。該檢定裝置在工作時是利用高壓氣體流通、切斷密封閥實現(xiàn)來實現(xiàn)這一功能的。噴嘴流量檢定裝置基本組成如圖2所示。

裝置主要由檢定裝置、工藝流量切換閥、溫壓測量儀表、計時器和計算機控制系統(tǒng)組成。裝置設(shè)計時，根據(jù)被檢流量計的最大工作流量，考慮滿足被檢流量計全量程范圍內(nèi)各個檢定點的檢定要求，選取不同尺寸的噴嘴和不同數(shù)量的噴嘴采取并聯(lián)的形式分布安裝在噴嘴裝置結(jié)構(gòu)體內(nèi)。工作時，按照被檢流量計檢定點的流量選擇不同尺寸和不同數(shù)量的噴嘴進行組合使之在接近該檢定點流量的情況下，打開切斷閥，待流量穩(wěn)定時，在該檢定點上實施檢定。

裝置在整體結(jié)構(gòu)上可以考慮橇裝形式，按照裝置的技術(shù)參數(shù)將裝置的主體、控制和數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)分別集中設(shè)計在兩個區(qū)域內(nèi)，然后按照分區(qū)工況條件要求設(shè)計成輕板結(jié)構(gòu)檢定間和檢定控制間兩部分安裝在橇體上。使檢定系統(tǒng)形成一個整裝計量橇，計量橇運到現(xiàn)場將進出口與工藝預(yù)留接口連接就能進行檢定工作。

3 控制和數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

根據(jù)檢定過程的工藝控制要求，硬件部分設(shè)計專用控制器與工業(yè)控制計算機一起實現(xiàn)裝置檢定過程的手動與自動控制兩種功能。手動控制與自動控制通過轉(zhuǎn)換開關(guān)切換。

軟件和數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)采集卡與計算機軟件一起共同實現(xiàn)，具有以下功能：①建立良好的人機工作界面，具有檢定過程工藝流程顯示功能實現(xiàn)檢定工藝過程顯示與操作；②實現(xiàn)檢定過程數(shù)據(jù)自動采集生成數(shù)據(jù)表并進行數(shù)據(jù)處理；③具有檢定數(shù)據(jù)顯示、修改和輸出打印功能；④具有數(shù)據(jù)庫存儲功能，可以按照儀表型號、檢定時間等進行存檔、查詢和打印輸出；⑤可以通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上傳計量檢定管理數(shù)據(jù)到主控室和管部門，方便管理部門進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與管理。

4 主要設(shè)計技術(shù)指標

（1）裝置的擴展不確定度:U≤0.3%。

（2）工作壓力（按照工況條件設(shè)計）：1～10MPa。

（3）工作溫度：0～30℃。

5 使用安全可靠性設(shè)計

裝置控制和數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計使用的專用控制器和工業(yè)控制計算機及專用計數(shù)器電子控制設(shè)備，安裝在防爆型控制室內(nèi)，設(shè)備與控制系統(tǒng)采用防爆管穿線形式進行連接，實現(xiàn)控制與設(shè)備隔離的安全操作功能。

高壓氣體流通、切斷閥的開、關(guān)采用電控氣動形式進行控制，微型電控閥設(shè)計安裝在防爆箱內(nèi)。氣源選用氮氣瓶通過減壓閥調(diào)節(jié)在0.6MPa下推動氣動密封閥工作。

采用在線天然氣流量計檢定裝置的必要性

（1）按照 GB/T 18603-2001《天然氣計量系統(tǒng)技術(shù)要求》等有關(guān)標準均提出了盡可能實流檢定流量儀表的技術(shù)要求，這也是今后天然氣計量檢定的一種趨勢。

（2）目前我國天然氣外輸貿(mào)易計量流量儀表配備的準確度等級要求在1.0級以內(nèi)，檢定裝置的擴展不確定度要求是流量儀表最大誤差絕對值的1/3。如果在線噴嘴檢定裝置的擴展不確定度為0.3%，流量儀表檢定后，貿(mào)易交接雙方采用流量儀表檢定系數(shù)進行貿(mào)易交接可以減少貿(mào)易誤差±0.3%左右。按照我國目前天然氣年輸量1 150.5×109m3計算，其經(jīng)濟效益是非常驚人的。同時可以減少貿(mào)易糾紛，提高管理水平。

（3）在天然氣流量量值傳遞方面：噴嘴式流量標準裝置標準器選用的是具有不同喉徑尺寸的臨界流文丘里噴嘴組合而成，按照JJG 620-2008《臨界流文丘里噴嘴》檢定規(guī)程，噴嘴可以每5年拆下一次送到實驗室進行實流檢定或采用幾何尺寸檢測的方法進行檢定。該種形式的裝置使得天然氣流量量值傳遞簡單方便。

（4）解決了離線檢定時存在的諸多問題：①檢定時的工況條件和安裝使用條件的不一致及送檢運輸過程對標準表不確定度影響無法通過技術(shù)手段進行修正的問題；②依托天然氣管網(wǎng)建設(shè)計量站、輸氣管網(wǎng)的運行要受到季節(jié)、安全、工藝要求制約的問題；③離線檢定需要定期將流量儀表拆下送到檢定站進行檢定，運輸距離一般都較遠，拆裝、運輸費用較高，受檢定條件限制有時不能及時檢定，影響輸氣計量工作；④由于受到檢定站檢定能力限制，送檢的計量儀表不能完全模擬工況條件和進行全量程檢定的問題。

（5）由于天然氣流量計是在中、高壓工況條件下運行的，拆、裝送檢這些儀表必須嚴格按照操作規(guī)程進行，具有很高的危險事故系數(shù)，采用在線檢定方式只需要流程的切換即能實現(xiàn)檢定過程，消除了安全隱患。

[1]JJG 620-2008臨界流文丘里噴嘴檢定規(guī)程[S].

[2]孫為清,王建中.流量測量節(jié)流裝置設(shè)計手冊[M].北京:化學工業(yè)出版社,2000.

In the light of the current status and problems in the verification of natural gas flowmeters,it is pointed out that according to the present developing situation of domestic mechanical manufacture technology there are certain feasibility,significance and necessity in studying and designing the online verifying equipment of natural gas flowmeters.Therefore,a feasible technology program has been put forward about the transfer methods of trade metering value about the natural gas flowmeters of middle and high pressure.

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方永杰（1961-），男，國家一級注冊計量師，現(xiàn)主要從事計量檢定室從事流量計量技術(shù)研究、設(shè)計和管理工作。

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2010-05-04