靜態(tài)質量法天然氣流量計檢定裝置不確定度分析

李吉陽 夏忠林 楊 毅

（遼河油田公司資產裝備部1，遼寧 盤錦 124010；

中國石油冀東油田公司油氣集輸公司2，河北 唐山 063200；中國石油北京油氣調控中心3，北京 100010）

靜態(tài)質量法天然氣流量計檢定裝置不確定度分析

李吉陽1夏忠林2楊 毅3

（遼河油田公司資產裝備部1，遼寧 盤錦 124010；

中國石油冀東油田公司油氣集輸公司2，河北 唐山 063200；中國石油北京油氣調控中心3，北京 100010）

基于靜態(tài)質量法的氣體流量計原級檢定技術的質量和時間測量方法符合國家質量和時間的測量最高標準，且可以達到很高的測量準確度，應用更為廣泛。不確定度是天然氣流量計量檢定精度的衡量指標，深入分析計算了靜態(tài)質量法的不確定度，在此基礎上，提出了降低流量原級檢定法不確定度的關鍵措施，為該技術在天然氣流量計量檢定中的推廣應用奠定了基礎。

天然氣 流量計量 不確定度 檢定 mt法

0 引言

天然氣流量計量檢定裝置是以天然氣為介質，給出天然氣流量標準值的測量系統(tǒng)。根據量值傳遞關系，天然氣流量計量標準由原級標準、次級標準、工作級標準組成，各部分的工作原理和設備選型有很大差異。天然氣原級標準的原理決定了次級標準和工作級標準的形式。

氣體流量原級標準是根據流量的定義來復現(xiàn)氣體流量值的，它形成流體流動環(huán)境，并通過向質量、長度、時間等基本量溯源來得到準確的流量量值。相對于工作標準而言，氣體流量原級標準不需通過與其他氣體流量標準進行比較而得到量值，即其不依賴其他氣體流量裝置的量值。因此，理論上原級標準是精確度較高的流量裝置。但其實現(xiàn)量值的原理復雜，測量范圍（尤其是測量上限）受到限制，額定操作條件和環(huán)境條件嚴格苛刻，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［1－2］。

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、靜態(tài)質量法裝置和靜態(tài)時間法裝置。靜態(tài)質量法（mass-time，mt）的質量和時間可溯源到國家的質量和時間基準，且可以達到很高的測量準確度，因而得到了較為廣泛的應用［3］。目前，國內已建成運行的天然氣流量計檢定裝置主要以mt法裝置為主。

1 m t法氣體流量標準裝置組成

mt法也被稱為稱重法或質量/時間法氣體流量標準裝置，主體由三通閥、稱重容器和稱組成。氣體經過兩級壓力調節(jié)，使得壓力穩(wěn)定在系統(tǒng)所需的壓力。氣體通過三通閥進入稱重容器，通過秤量氣體質量和測定氣體通過的時間就可以計算出氣體流量。該裝置主要用于校準音速噴嘴。當用于校準其他流量計時，也需在流量計與三通閥間安裝音速噴嘴，以保證流量恒定。

mt法氣體標準裝置工藝流程如圖1所示。首先用脫開機構脫開換向閥與稱重容器的連接，秤量空的稱重容器質量，然后連接換向閥與稱重容器。此時氣體通過被檢表流過音速噴嘴，通過換向閥流回下游氣體管路。為保證通過音速噴嘴的氣體流速達到音速，下游氣體管路的壓力應可控并不高于上游壓力的80％。待整個系統(tǒng)的流量、溫度達到穩(wěn)定后，切換換向閥，使氣體流入稱重容器，同時計時器開始計時。當進入稱重容器的氣量達到一定量，即稱重容器內的壓力達到上游壓力80％左右時，再次啟動換向閥，氣體流動轉向旁通，計時器計時結束。脫開三通閥與稱重容器的連接，測量稱重容器的質量，通過測量在實測時間（time）內所收集的氣體質量（mass），得出氣體的標準質量流量。然后連接并啟動空壓機，將稱重容器內的氣體排到氣體管道內，完成后切斷其連接，從而由氣體質量和進氣時間得到氣體質量流量。

圖1 mt法氣體標準裝置工藝流程Fig.1 Schematic diagram of the process formt method gas standard equipment

mt方法的工作介質可以是空氣、天然氣等多種氣體。mt法氣體流量標準裝置的優(yōu)點是原理清晰，方案傳統(tǒng)而可靠。衡器的稱量能力決定了裝置的流量范圍和工作壓力。鑒于衡器稱量范圍的有限性和對稱量容器總質量與氣體凈質量之比的靈敏度，它比較適合于復現(xiàn)高壓中小流量量值。

2 m t法不確定度分析

2.1 m t法原級不確定度分析

mt方法復現(xiàn)的質量流量可以表示為：

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

從式（1）可以推導得到mt法質量流量的標準不確定度為：

式中：ur（Δm）為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）為充氣時間的相對標準不確定度；ur（r）為質量流量測量的重復性。

①通過噴嘴的天然氣質量的不確定度ur（Δm）

根據充氣過程，充氣質量可以表示為：

式中：m1為Δt時間內充入稱重罐內的天然氣質量，kg；m2為臨界流噴組出口和換向閥之間附加容積內天然氣質量的變化量，kg；m3為換向閥和進罐手動閥（取決于稱重系統(tǒng)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為稱重罐充入天然氣后體積膨脹引起的空氣浮力變化量，kg。

充氣質量的標準不確定度可以表示為：

式中：ur（m1）為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）為臨界流噴組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）為換向閥和進罐手動閥（取決于稱重系統(tǒng)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）為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。

② 充氣時間的不確定度ur（Δt）

充氣時間的相對標準不確定度可以表示為：

式中：ur（Δt）為計時器的相對標準不確定度；ur（H1）為單個快速換向閥換向時間差的相對標準不確定度；ur（H2）為兩個快速換向閥聯(lián)動換向時間差的相對標準不確定度。

③ 質量流量測量的重復性ur（r）

最大、最小、中間3個流量點，每個流量點重復測量6次，計算得到各個流量點的重復性，取其中最大值即為質量流量測量的重復性ur（r）。

以南京站mt原級裝置為例，經計算mt法裝置測量不確定度度如表1所示。

表1 m t原級標準不確定度Tab.1 Uncertainty ofm t primary standard

2.2 音速噴嘴次級標準不確定度分析

通過臨界流噴嘴的質量流量可以表示為：

式中：qm為臨界流噴嘴的質量流量，kg/s；A*為噴嘴喉部面積，m2；Cd為噴嘴流出系數；C*為臨界流函數；p0為噴嘴前氣體絕對滯止壓力，Pa；T0為噴嘴前氣體絕對滯止溫度，K；R為天然氣的氣體常數，J/（kg·K）。

當用mt法檢測噴嘴的流出系數時，流出系數可表示為：相對標準不確定度為：

式中：ur（qm）為mt法原級標準質量流量的相對標準不確定度；ur（T0）為噴嘴前氣體絕對滯止溫度測量的相對標準不確定度；ur（R）為天然氣的氣體常數的相對標準不確定度，與天然氣成分測量的不確定度密切相關；ur（A*）為噴嘴喉部面積的相對標準不確定度，由于其受溫度、壓力影響較小，通過采用固定的值，此項不確定度通常省略；ur（C*）為臨界流函數的相對標準不確定度，與成份及溫度、壓力測量相關；ur（p0）為噴嘴前氣體絕對滯止壓力的相對標準不確定度；ur（r）為流出系數測量的重復性。

噴嘴流出系數測量不確定度如表2所示。數的重復性。

表2 噴嘴流出系數測量不確定度Tab.2 Uncertainty of nozzle discharge coefficientmeasurement

由于次級標準為音速噴嘴，得到的是質量流量，因此在對ur（V）的評估過程中需考慮到質量流量到體積流量的轉換。同時，由于系統(tǒng)各處溫度、壓力的變化，還需要考慮管容效應對流經流量計體積的影響。最終體積表達式如式（10）所示。

式中：qm為臨界流噴嘴的質量流量，kg/s；Tmeter為渦輪流量計處的絕對溫度，K；pmeter為渦輪流量計處的絕對壓力，Pa；Zmeter為渦輪流量計處氣體的壓縮系數；VD為

采用以上方法計算中石油南京站工作級的最佳測量能力為0.3％（k=2）。

3 提高計量檢定精度的關鍵措施

2.3 渦輪流量計工作級標準不確定度分析

由于具有穩(wěn)定的性能，渦輪流量計大多被采用來作為工作標準。近年來，隨著超聲流量計的迅猛發(fā)展，一些裝置還輔以超聲流量計為輔助標準的方式，對工作級標準渦輪流量計的運行情況予以輔助核查。渦輪、超聲流量計均為速度式流量計，均采用脈沖信號輸出方式，且通常以儀表系數為其計量參數。

儀表系數K為工況條件下、單位體積的工質流經流量計時流量計所發(fā)的脈沖數，即：

式中：N為流過體積V時流量計發(fā)出的脈沖數；Vmeter為工況條件下流經流量計的氣體體積，m3。

因此，儀表系數的不確定度可表示為：

式中：ur（N）為對應流過體積V時流量計發(fā)出的測量脈沖數的相對標準不確定度；ur（Vmeter）為工況條件下流經流量計氣體體積的相對不確定度；ur（r）為儀表系

根據有關流量計檢定規(guī)程中的要求，在穩(wěn)定條件下對流量計進行檢定，即在檢定過程中應保證檢定介質的溫度、壓力和流量穩(wěn)定不變或變化很小。為此，在本站的設計和建設中需要重點考慮以下幾個方面的關鍵措施。

3.1 穩(wěn)壓、穩(wěn)流措施

在工藝流程設計中，我們需要考慮以下措施解決天然氣作為儀表檢定檢測介質的穩(wěn)壓和穩(wěn)流問題。

①選用調壓、調流量性能較好的調節(jié)閥。推薦采用軸流式調節(jié)閥。

②在工藝流程設計中，采取入口二級穩(wěn)壓、流量計下游調流量和出口計量的流程。這樣可保證在流量計檢定過程中天然氣介質的壓力和流量較穩(wěn)定。

3.2 溫度穩(wěn)定措施

要求站內、外系統(tǒng)都盡量采用埋地方式，不受環(huán)境溫度的影響。地面上管段、匯管、管件等應采取保溫措施。

3.3 流量計前、后直管段要求

①所有的流量計前、后直管段均應經機械加工、研磨，確保直管段內表粗糙度達到▽3.2（Ra=3.2μm）。

②直管段長度設置：標準渦輪流量計、超聲流量計前為30D，后為10D（D為管直徑）。

在被檢流量計前10D處設置整流器，以保證流動天然氣介質為充分發(fā)展流動狀態(tài)，確保流量計量準確度。

3.4 施工質量要求

施工質量高低直接影響標準裝置技術指標的優(yōu)劣，管件加工、焊接質量等施工因素至關重要。在施工前應做好施工設計和施工方案編制。工程施工應嚴格符合國家和行業(yè)相關規(guī)范要求。

由于計量檢定站原級標準裝置、次級標準裝置、標準渦輪流量計、超聲流量計、分析儀表等都是關鍵特殊設備，因此在設備選擇時都需要在可靠、精確、安全等各方面給予重點考慮。

4 結束語

本文分析了mt法天然氣流量計量檢定技術的不確定度，以mt為原級標準的工作級標準的最佳測量能力為0.3％（k=2）。同時，提出了降低mt流量原級檢定法不確定度的關鍵措施，為該技術在天然氣流量計量檢定中的應用奠定了堅實基礎。

［1］桑增亮，潘琦.應用于天然氣脫水裝置的噴射器設計［J］.化工機械，2009，36（1）：9－12.

［2］齊友.天然氣計量及標定系統(tǒng)的應用［J］.石油與天然氣化工，2009，38（6）：598－600.

［3］王博.一種新的差壓式流量計標定方法［J］.化工自動化及儀表，2010，37（8）：66－68.

Analyzing the Uncertainty of Natural Gas Flowmeter Verification Device Based on Static Mass Method

The quality and time of natural gas flowmeter primary verification technology based on static mass method can be traced to the national benchmark of quality and time，so the technology can achieve higher accuracy ofmeasurement and has been widely applied.The uncertainty is themeasure index ofmetering and verification accuracy of natural gas flow，the uncertainty of the staticmassmethod is analyzed and calculated in-depth，on this basis，keymeasures for reducing uncertainty of the primary flow verificationmethod are proposed.The analysis lays foundation for popularization and application of this technology in natural gas flow metering and verification.

Natural gas Flow measurement Uncertainty Verification mtmethod

TP273

A

修改稿收到日期：2013－09－02。

李吉陽（1974－），男，1998年畢業(yè)于西南石油學院石油天然氣儲運專業(yè)，獲學士學位，工程師；主要從事資產設備管理工作。