天然氣實流檢定原級標準裝置的設計研究

高志國，朱瑞苗，吳佳，王美燕

(中石化中原石油勘探局勘察設計研究院，河南 濮陽 457001)

計量儀表廣泛應用于石油天然氣、石油化工等行業，準確可靠的計量數據是保證天然氣管網安全穩定生產、提高企業經濟效益的前提條件。國家《計量法》、《中華人民共和國強制檢定的工作計量器具檢定管理辦法》、《中華人民共和國強制檢定的工作計量器具目錄》均明確規定需要對計量器具進行定期、定點的強制檢定。國家標準《天然氣計量系統技術要求》中，對輸量達到標準狀態下5×104m3/h的天然氣貿易計量站，采用在線實流檢定或校準天然氣流量儀表。中石化正在建設的國家石油天然氣大流量計量站武漢分站是具有原級標準的國家級天然氣實流檢定站，筆者通過原級標準檢定站的設計過程，對國際上采用的原級標準、量值溯源方式及其不確定度分析進行了闡述。

1 原級標準裝置介紹

氣體流量原級標準是根據流量的定義來復現氣體流量值的，原級標準裝置形成流體流動環境，并通過對質量、長度、時間等基本量溯源得到準確的流量值。相對于標準而言，氣體流量原級標準的優點是它不需要通過與其他氣體流量標準進行比較而得到量值，即它不依賴其他氣體流量裝置的量值，因而理論上該方法是準確度最高的流量裝置。但另一方面，由于其實現量值的原理復雜，測量范圍，特別是測量上限受到限制，額定操作條件和環境條件苛刻，建造及運行成本較高，維護和操作復雜，不宜經常使用，適用于進行量值溯源、科研試驗等。

目前，比較常用的天然氣流量原級標準主要有高壓氣體活塞裝置HPPP(high pressure piston prover)、靜態質量法裝置(mt)法和靜態時間法裝置(pVTt)法。

1.1 HPPP法

HPPP法氣體流量標準裝置由具有恒定截面和已知容積的管段組成，活塞以自由置換或強制置換方式在其內往復運動，根據活塞通過該管段所需時間可得到氣體的標準體積流量。檢測開關可確定活塞進入和離開標準管段的時間間隔，標準管段的容積可采用水驅法由標準量器確定。但近年來隨著幾何尺寸儀器的不斷發展，現在多采用幾何測量的方式對標準管段的體積進行直接測量。目前國際上只有德國國家物理技術研究院PTB使用一套HPPP法高壓天然氣氣體流量基準裝置，其系統原理如圖1所示。

圖1 HPPP天然氣原級標準系統原理

1.2 mt法氣體流量標準裝置

mt法氣體流量標準裝置，主體由三通閥、稱重容器和秤組成。氣體經過兩級壓力調節后使壓力穩定在系統所需值。通過三通閥進入稱重容器，稱量氣體質量和測量通過的時間就可以計算出流量。該裝置主要用于校準音速噴嘴，當用于校準其他流量計時，需在流量計與三通閥間安裝音速噴嘴，以保證流量恒定。mt法裝置的質量和時間可溯源到國家的質量和時間基準，其工藝流程如圖2所示。

圖2 mt法氣體標準裝置工藝流程

1.3 pVTt法氣體流量標準裝置

pVTt法氣體流量標準裝置根據氣體熱力學狀態方程，在實測時間(t)內讓氣體注入或流出容積為V的標準容器，通過容器內氣體絕對壓力p和熱力學溫度T的變化，計算確定氣體的標準質量流量。V通過體積法或稱重法確定，但在實際使用中要考慮進行溫度和壓力修正。該方法所涉及的測量參數和影響因素較多，均會影響所復現的標準流量值，故其流量測量不確定度要高于mt法裝置，其標準裝置原理如圖3所示。

圖3 pVTt法氣體流量標準裝置原理

2 量值傳遞方式

2.1 HPPP法為原級的氣體量值傳遞系統

HPPP法系統的關鍵是缸體體積及通過該體積時間的測量，因而該系統溯源到長度和時間基準。目前，HPPP可實現的不確定度可達到0.06%；HPPP直接量值傳遞G100級別和G250級別的渦輪流量計；在此基礎上，為了實現流量上限量程的拓展，可使用該G250級別的流量計量值傳遞4臺相同流量范圍的G250渦輪流量計，此4臺渦輪流量計并聯使用可量值傳遞至更高流量的G1000級別渦輪流量計，在此G1000級別流量計的基礎上量值傳遞工作用的6臺G1000級別的渦輪流量計，最終可實現的最大流量為9 600 m3/h，各級系統的不確定度結果如圖4所示。

2.2 mt法為原級的氣體量值傳遞系統

以mt法為原級的氣體流量量值傳遞系統由于系統本身涉及質量和時間的測量，因而系統溯源到質量和時間基準。目前，mt法可實現的不確定度優于0.10%。mt法直接量值傳遞的流量計為音速噴嘴，單個噴嘴的量程在mt法的測量范圍內，根據裝置的測量能力，并聯使用噴嘴的測量范圍可擴大到2 507 m3/h；使用音速噴嘴組對工作標準進行量值傳遞，在此基礎上使用工作標準對現場使用的流量計進行量值傳遞，各級系統的不確定度結果如圖5所示。

圖4 HPPP法量值傳遞系統及不確定度

圖5 mt法量值傳遞系統及不確定度

3 不確定度分析

3.1 HPPP法不確定度分析

HPPP方法復現的體積流量可以表示為

(1)

式中：qV——體積流量，m3/s；V——活塞通過的有效體積，m3；Δt——活塞運動一個行程所需時間，s。

V=πd2L

(2)

式中：d——HPPP的不銹鋼缸體內徑，m；L——HPPP的不銹鋼缸體有效長度，m。

從式(1)，式(2)可以得到HPPP法體積流量及體積的標準不確定度：

(3)

式中：ur(V)——HPPP活塞有效體積測量的相對標準不確定度；ur(Δt)——活塞運動時間的相對標準不確定度；ur(r)——容積測量的重復性。

(4)

式中：ur(d)——內徑測量的相對標準不確定度；ur(L)——有效長度測量的相對標準不確定度。

從式(4)可以看出d和L是HPPP法缸體體積測量的重要參數，為了測量d和L，搭建了專用系統設備進行測量。

在對HPPP缸體的直徑和行程長度進行測試后，可計算得到缸體體積測量的不確定度。目前，由于測量缸體直徑和行程長度采用專用儀器，此項不確定度為0.02%(k=2)。

3.2 mt法不確定度分析

mt方法復現的質量流量可以表示為

(5)

式中：qm——質量流量，kg/s；Δt——向稱重罐充氣的時間，s；Δm——Δt內通過噴嘴進入稱重罐的天然氣質量，kg。

從式(5)可以推導得到采用mt法質量流量的標準不確定度：

(6)

式中：ur(Δm)——測試時間內通過噴嘴進入稱重罐天然氣質量相對標準不確定度；ur(Δt)——充氣時間的相對標準不確定度；ur(r)——質量流量測量的重復性。

Δm=m1+m2+m3+m4

(7)

式中：m1——Δt時間內充入稱重罐內的天然氣質量，kg；m2——臨界流噴嘴出口和換向閥之間附加容積內天然氣質量的變化量，kg；m3——換向閥和進罐手動閥(取決于稱重系統的脫開機構位置)之間附加容積內天然氣質量的變化量，kg；m4——稱重罐充入天然氣后，體積膨脹引起的空氣浮力變化量，kg。

(8)

式中：ur(m1)——Δt時間內充入稱重罐內的天然氣質量的相對標準不確定度；ur(m2)——臨界流噴嘴出口和換向閥之間附加容積內天然氣質量變化量的相對標準不確定度；ur(m3)——換向閥和進罐手動閥(取決于稱重系統的脫開機構位置)之間附加容積內天然氣質量變化量的相對標準不確定度；ur(m4)——稱重罐充入天然氣后，體積膨脹引起的空氣浮力變化量的相對標準不確定度。

(9)

式中：ur(Δt)——計時器的相對標準不確定度；ur(H1)——單個快速換向閥換向時間差的相對標準不確定度；ur(H2)——2個快速換向閥聯動換向時間差的相對標準不確定度。

4 結束語

通過對天然氣原級標準裝置的介紹，研究了國際上常用的三種不同原理的原級標準裝置量值溯源方式，對各種標準裝置的不確定度進行分析，對比原級標準裝置的優劣，在國家石油天然氣大流量計量站武漢分站中推薦采用HPPP法作為原級標準裝置。通過對該技術的消化吸收，逐步轉化為中國石化專有技術，將使中國石化在天然氣計量技術領域處于領先地位。同時，利用該裝置與國際原級標準裝置開展量值比對和研究，進一步推進中國天然氣計量科學技術進步。

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