系統壓力變化和取壓位置對羅茨氣體流量計標定結果的影響

蘇海欣 趙卓識/.上海燃氣市北銷售有限公司；.上海埃科燃氣測控設備有限公司

0 引言

羅茨氣體流量計是一種廣泛應用于天然氣及城市燃氣計量的容積式流量計[1]。為了保證其量值準確統一，必須定期使用氣體流量標準裝置對其實施檢定或校準，通過直接測量法獲得被測儀表的誤差，以此作為衡量儀表準確度等級的依據[2]。在計量過程中氣體流量計的壓力值參與流量計算，因此影響計量的準確性。如果未考慮運行系統壓力的變化，被檢流量計的誤差值在一定程度被放大；另一方面，在檢校過程中，受拆裝難度、標準裝置、檢測條件等因素限制，不可能對所有氣體流量計都進行表體取壓，同時相關檢定規程上也沒有明確這一要求，所以一般采用表前或表后取壓的方式[3-4]。取壓位置的不同決定了壓力值的不同，進而導致流量計的示值不同。本文分析并研究不同取壓位置對羅茨氣體流量計標定結果的影響。

1 檢校工作原理

1.1 羅茨氣體流量計工作原理

羅茨氣體流量計是一種記錄一段時間內流過流體總量的累積式流量儀表。當流體流過流量計時，內部機械運動件在流體動力作用下，把流體分割成單個已知回轉體積的氣室，并進行重復不斷地充滿和排空，通過機械或電子測量技術記錄其循環次數，得到流體累積流量。羅茨氣體流量計利用智能積算儀檢測到的信號，依據氣體狀態方程進行溫度和壓力補償，把工作狀態下的累積流量轉換為標準狀態下（大氣壓力為101.325 kPa，溫度為20 ℃）的累積流量。若不考慮壓縮因子的影響，其轉換公式為

式中：QR——被檢羅茨氣體流量計在標準狀態下的累積流量，m3/h；

QMUT——被檢羅茨氣體流量計工況下的累積流量，m3/h；

pm——工況下的實際壓力，kPa；

tm——工況下的實際溫度，℃

1.2 示值誤差計算

采用鐘罩作為氣體流量標準裝置，對比鐘罩排出氣體和流經被測儀表時顯示的累積氣體體積數值，可得被測儀表的相對示值誤差為

式中：e——被測儀表的相對示值誤差；

VR——羅茨氣體流量計經過溫壓補償后，標準狀態條件下的累積體積，L；

Vs——根據實際溫度和壓力將鐘罩排出的氣體體積換算為標準狀態下的對應值，L

因而有：

式中：Vbell——鐘罩排出的氣體體積，L；

pbell和tbell——分別為罩內空氣的絕對壓力和溫度

由式（2）和式（3）可知，必須將鐘罩內氣體進行標準狀態換算，才能保證相對誤差的準確性。

2 試驗結果與分析

一般情況下，鐘罩的引出排氣管直接連接流量計，受拆裝難度、檢測條件等因素限制，認為流量計前管道壓力和鐘罩內壓力相等。為了驗證系統壓力變化對被檢流量計誤差的影響，使用5 000 L鐘罩式氣體流量標準裝置（以下簡稱鐘罩）標定一臺DN50羅茨氣體流量計。鐘罩的相對擴展不確定度Urel=0.2%（k= 2），裝置的工作壓力小于 10 kPa，羅茨氣體流量計量程為2～90 m3/h，采用表前取壓。

由于實驗室內氣體壓力和溫度比較穩定，可認為全量程范圍內氣體密度變化很小。從鐘罩到被檢表前的壓損主要是管道局部損失和沿程阻力損失。使用壓力變送器分別測量罩內壓力和表前壓力，并計算總壓力損失。圖1表明，表前壓力與罩內壓力的偏差隨著流量增大而增加。分別將鐘罩和表前壓力代入式（2）和式（3），得到由于兩者的偏差對儀表示值誤差的影響值：Δe=Δe鐘罩-Δe表前。如圖 2所示，在被檢表的前1/3量程內，管道內壓力損失對被檢表誤差的影響幾乎可以忽略（Δe＜ 0.1%）；在1/3～2/3量程范圍內，誤差在0.1%～0.5%；當流量大于2/3量程時，誤差則達到0.55%～1.1%，對準確度等級為1.5級的羅茨氣體流量計來說，這種誤差影響已經很顯著了。

為了研究取壓位置對標定結果的影響，配置DN50管道，管道前后端直管段長度均為1.0 m，滿足10D要求，在直管段上呈線性開孔[5]，取壓孔位置依次為表前10D（F10D）、表體（Body）、表后1D（B1D）、表后 3D（B3D）、表后 5D（B5D）、表后10D（B10D），如圖 3 所示。選擇 20 m3/h、50 m3/h、70 m3/h三個流量點，每個流量點測量三次，每次測量不少于60 s，算術平均值作為測量結果。

圖1 鐘罩至被檢表總壓力損失隨流量變化

圖2 測量誤差影響值隨流量變化關系

圖3 取壓位置示意圖

參照相關檢定規程和流量計本身技術要求，將表體位置處壓力和儀表系數作為參考值，依次計算其他取壓位置處的壓力誤差和儀表系數誤差。計算公式如下：

式中：epi、eKi——分別為第i取壓位置處壓力誤差和儀表系數誤差，%；

pi——第i取壓位置處壓力值，kPa；

p0——表體處參考壓力值，kPa；

Ki——第i取壓位置處儀表系數，1/m3；

K0——表體處參考儀表系數，1/m3

在三個流量點下，分別從五個取壓位置獲得壓力數據并測得相應的儀表系數，按式（4）計算相對表體取壓數據的壓力誤差和儀表系數誤差，如圖4所示。在同一流量下的沿程方向，不同取壓位置處的壓力值和儀表系數在表前、表體和表后三個取壓位置逐漸減小，但表后的四個取壓位置數值基本不變。隨著流量增大，表后相同取壓位置處的壓力和儀表系數誤差逐漸增大。在70 m3/h時，壓力誤差最大為-0.11%，儀表系數誤差最大為-0.14%，較為顯著。圖4所示的誤差絕對值大小表明，取壓位置的選擇對于羅茨氣體流量計影響不大，都在誤差允許的范圍內。采用表前取壓時，壓力和儀表系數誤差均為正值。采用表后取壓時，壓力和儀表系數均為負值，且不同取壓位置對測量結果的影響程度基本相同。流量大小對表前取壓的儀表系數影響不大，但是對表后取壓有顯著的影響，因而在檢校過程中，如果受拆裝難度、檢測條件等因素限制，應優先采用表前取壓的方式。

圖4 不同取壓位置的壓力誤差(a)和儀表系數誤差(b)

3 容積式流量計應用情況分析

以上海燃氣市北銷售有限公司為例，流量計在燃氣中的應用范圍主要是居民用戶和非居民用戶，居民用戶數量很大，但相對用氣量和表容量都較小，全部應用膜式表，無溫、壓補償裝置，所以不做討論。非居民用戶管理歸屬上海燃氣市北銷售有限公司工業辦事處，所以取工業辦事處流量計應用和銷售量數據做簡要分析。

采用三年數據，都以年初數為統計依據，數據如表1所示。

表1 2016-2018年統計依據

從表1中可以看出，非居民用戶應用的表具有三大類，分別是膜式表、容積式流量計和超聲波流量計，同時這三類表具還有是否帶IC卡預充值系統的區別，預充值系統與銷售計量無關，所以不做論述。表具數量方面目前膜式表占據較大數量比例，但是實現銷售量數據是以容積式流量計為主，22%左右的數量比例實現77%左右的銷售比例，有著舉足輕重的地位。而且，針對溫、壓補償方面，膜式表以前采取年平均值的方式，天燃氣用戶端應用壓力在1.8～2.4 kPa，取值2%作為補差數據。隨著燃氣改革的深入，這種取值方式被取締，上海燃氣集團有限公司發文對燃氣計量表的溫、壓補償統一做出規定，上海燃氣（集團）有限公司（2017）47號《關于停止收取“校正與燃氣補差”和“智能化燃氣表改制費”的通知》發布，于2017年7月1日起停止收取。因為該文件的發布，為了公平計量，降低溫、壓補償產生的購銷差，開始逐漸減少皮膜表的應用，以容積式流量計為主，同時引進超聲波流量計計量裝置。做為燃氣銷售公司，公平計量和降低購銷差一直是上海燃氣（集團）有限公司的重要目標。

4 結語

使用計量容積的氣體流量標準裝置標定帶溫、壓補償的羅茨氣體流量計，應考慮管道壓力損失的因素，特別是在氣體流量較大時，管道的壓力損失將使被檢流量計側的狀態參數發生不可忽略的變化，從而引起明顯的誤差。試驗結果顯示，管道內壓力損失對被檢表誤差的影響最大達到1%。因此，應正確選用被檢表側的工況壓力值，在同一參考條件下計算示值誤差。

取壓位置不會對羅茨氣體流量計本身的準確度等級產生較大影響，根據JJG 633-2005《氣體容積式流量計》“測壓位置在流量計上游側”，實驗結果也具有一致性[6]；在檢校過程中，如果受到拆裝難度、標準裝置、檢測條件等因素限制，采用表前取壓方式能夠準確反映流量計的計量性能，如果不能實現，也可以采用表后取壓。