天然氣超聲流量計等精度量傳應(yīng)用效果分析

白巖，郭淑梅，白榮，趙霞，晁宏洲

1.中國石油長慶油田分公司 技術(shù)監(jiān)測中心（陜西 西安718500）

2.中國石油長慶油田分公司 第一采氣廠（陜西 西安718500）

3.中國石油塔里木油田分公司 油氣運(yùn)銷部（新疆 庫爾勒841000）

0 引言

近10年我國天然氣工業(yè)得到飛速發(fā)展，建成天然氣長輸管道總里程近10×104km，初步形成“橫跨東西、縱貫?zāi)媳薄⒙?lián)通境外”貫穿全國主要地區(qū)與城市的輸送管網(wǎng)。伴隨著天然氣的發(fā)展,天然氣計量技術(shù)也有了突破性進(jìn)展，超聲流量計以其高精度、大量程、低壓損等優(yōu)勢，逐步替代了傳統(tǒng)孔板流量計成為大宗天然氣計量的主要用表。

按照GB/T 18603—2014《天然氣計量系統(tǒng)技術(shù)要求》[1]，用于A級交接站點(diǎn)的超聲流量計須進(jìn)行實(shí)流檢定，要拆卸后送國家石油天然氣大流量計量站，用天然氣作為介質(zhì)檢定。目前，國內(nèi)建設(shè)或正在建設(shè)的有9座檢定站，分布在成都、南京、武漢、廣州、烏魯木齊、北京、榆林、塔里木。其中，成都、南京分站建有原級、次級及工作級計量標(biāo)準(zhǔn)，武漢分站建有原級、工作級計量標(biāo)準(zhǔn)，廣州、烏魯木齊、榆林分站建有次級、工作級計量標(biāo)準(zhǔn)，北京、塔里木分站建有工作級計量標(biāo)準(zhǔn)。

目前，主要用工作級計量標(biāo)準(zhǔn)檢定/校準(zhǔn)超聲流量計，工作級計量標(biāo)準(zhǔn)的不確定度在0.25%～0.33%。JJG 1030—2007《超聲流量計檢定規(guī)程》7.1.1.2中的規(guī)定：裝置測量結(jié)果的不確定度應(yīng)不大于被檢流量計最大允許誤差絕對值的1/3[2]。A級站點(diǎn)計量系統(tǒng)的最大允許誤差為1.0%，流量計不確定度為0.75%，檢定該等級超聲流量計，標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度應(yīng)達(dá)到0.25%。

按該規(guī)定，部分工作級計量標(biāo)準(zhǔn)不能滿足檢定規(guī)程的要求，但工作計量標(biāo)準(zhǔn)的不確定度的提高受多種因素影響也存在較大難度，而建立次級標(biāo)準(zhǔn)檢定超聲流量計又存在建設(shè)投資大、流量范圍小不能覆蓋大口徑流量計的問題。

因此，進(jìn)行等精度量傳是解決天然氣超聲流量計檢定切實(shí)可行的方法。

1 理論基礎(chǔ)

等精度量傳主要應(yīng)用于高等級標(biāo)準(zhǔn)裝置傳遞系統(tǒng)，將一個流量范圍很小的原級流量基準(zhǔn)通過一系列傳遞鏈形成了等級相差無幾的標(biāo)準(zhǔn)體系。比如荷蘭NMI用1個有效容積為0.6 m3的0.1級小鐘罩作為國家基準(zhǔn)，通過2臺濕式流量計傳遞給3.5 m3的次級標(biāo)準(zhǔn)鐘罩裝置，再用鐘罩檢定作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)使用的渦輪流量計，用該傳遞標(biāo)準(zhǔn)組建標(biāo)準(zhǔn)表法高壓大流量氣體標(biāo)準(zhǔn)裝置，其裝置允許誤差可達(dá)到±0.28%[3]。通過三級傳遞后，其不確定度僅增加了2.8倍。如果按照傳統(tǒng)傳遞理論1/3傳遞，經(jīng)過三級傳遞0.1級→0.3級→0.9級，而最終只能檢定3.0級的流量計，這樣難以滿足工作計量器具發(fā)展的需求[4-5]。目前國內(nèi)天然氣實(shí)流檢定站在標(biāo)準(zhǔn)級傳遞中也采納了同樣的原理，使工作流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度剛好滿足±0.32%，滿足1.0級的超聲流量計的檢定需求[4-5]。因此，將高精度計量標(biāo)準(zhǔn)量值傳遞理論等同用于工作計量器具的檢定研究。

流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度計算公式：

式中：ES為檢定標(biāo)準(zhǔn)用的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的準(zhǔn)確度；E1表示在檢定條件與使用條件不符的情況下所引起的附加誤差；ER為標(biāo)準(zhǔn)表單次測量的極限相對誤差,即重復(fù)性。重復(fù)性是指在相同測量條件下，對同一被測量進(jìn)行連續(xù)多次測量所得結(jié)果之間的一致性。采用貝塞爾公式，如下：

長慶油田在線實(shí)流標(biāo)定車，在某國家分站用工作標(biāo)準(zhǔn)（0.32級）檢定。其不確定度為：

式中：ES為上級標(biāo)準(zhǔn)裝置工作標(biāo)準(zhǔn)的0.32%。

標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計處溫度測量TS估計值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(TS)：

標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計處氣體壓力測量PS估計值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(PS)：

標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計脈沖計數(shù)NS估計值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(NS)：

實(shí)踐證明，只要所選擇的標(biāo)準(zhǔn)流量計具有足夠好的重復(fù)性，如以上實(shí)例分析天然氣在線實(shí)流標(biāo)定車的主標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計的重復(fù)性較好，甚至比上一級標(biāo)準(zhǔn)傳遞誤差ES高出一個數(shù)量級，被檢的標(biāo)準(zhǔn)流量計的不確定度就接近與上一級標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度。由此可以看出，當(dāng)Er遠(yuǎn)小于ES時，流量標(biāo)準(zhǔn)裝置準(zhǔn)確度δ≈ES。這就是等精度量傳的理論基礎(chǔ)，也就是說標(biāo)準(zhǔn)表流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的準(zhǔn)確度同上一級標(biāo)準(zhǔn)裝置的準(zhǔn)確度大致相等。同理，用該標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定其他流量計也可以得到相似的結(jié)果[6]。但是，需要強(qiáng)調(diào)的是由安裝等因素引起的附加誤差不可估量，因此在檢定過程中應(yīng)確保標(biāo)準(zhǔn)裝置按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行設(shè)計、安裝和維護(hù)，保證引入最小的附加誤差。

2 應(yīng)用效果分析

2006年前，長慶油田天然氣貿(mào)易交接計量流量計主要送往國家石油天然氣大流量計量站成都、南京分站進(jìn)行檢定，但由于送檢距離遠(yuǎn)、檢定周期長，且現(xiàn)場備用流量計少，拆裝、送檢組織難度大，嚴(yán)重影響到氣田的生產(chǎn)組織。因此，2006年長慶油田建設(shè)了1套移動式天然氣在線實(shí)流檢定裝置。該裝置標(biāo)準(zhǔn)器采用一臺DN300渦輪流量計和一臺DN100渦輪流量計組成，裝置配套建有一臺DN300核查超聲流量計和一臺在線色譜儀（C6+），整體設(shè)計壓力6.3 MPa，檢定流量范圍34～4 500 m3/h，測量不確定度優(yōu)于0.33%。

移動式天然氣在線實(shí)流檢定裝置投運(yùn)以來，長慶油田先后對承擔(dān)陜京、靖西等長輸管網(wǎng)供氣任務(wù)的第一、二、三凈化廠、榆林天然氣處理廠、榆林第一、二末站、蘇里格第一、三處理廠外貿(mào)交接管路進(jìn)行了改造。從2007年開始實(shí)用該檢定裝置進(jìn)行貿(mào)易超聲流量計的在線實(shí)流檢定任務(wù)，累計檢定1 000余臺次。

檢定時，將裝置與現(xiàn)場檢定預(yù)留口連接后，天然氣經(jīng)過被檢流量計后從核查管路進(jìn)入裝置，再經(jīng)核查流量計、標(biāo)準(zhǔn)流量計后從標(biāo)準(zhǔn)管路流出，返回用戶管線。實(shí)驗(yàn)將標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計作為標(biāo)準(zhǔn)，將核查超聲流量計作為被檢流量計，而此核查超聲流量計于某年在某國家分站進(jìn)行了檢定。對比2次檢定的數(shù)據(jù)可得出該標(biāo)準(zhǔn)等精度傳遞的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

表1和表2分別為某年核查超聲流量計在某國家分站與采用標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計的檢定數(shù)據(jù)，由于受到現(xiàn)場流量調(diào)配的困難，在檢定過程中無法實(shí)現(xiàn)大流量點(diǎn)的檢定，因此只進(jìn)行了2 700 m3/h以下流量點(diǎn)的測試。通過近似檢定點(diǎn)的數(shù)據(jù)比對（表3），可以看出利用精度等級高的某國家分站標(biāo)準(zhǔn)裝置及用移動在線實(shí)流標(biāo)定車的標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計檢定最大值相差0.3%，在小流量檢定點(diǎn)兩次檢定結(jié)果相似度較高。

表1 某年超聲流量計檢定數(shù)據(jù)統(tǒng)計（某國家分站）

表2 某年超聲流量計檢定數(shù)據(jù)統(tǒng)計（自檢）

表3 某年超聲流量計兩次檢定結(jié)果數(shù)據(jù)比對

為了更加確切地使用實(shí)驗(yàn)結(jié)果論證等精度檢定的可取性，將某年的檢定數(shù)據(jù)同樣進(jìn)行了統(tǒng)計與分析，從表4、表5、表6可以看出，用高精度標(biāo)準(zhǔn)裝置及基本同等精度的移動渦輪標(biāo)準(zhǔn)流量計檢定結(jié)果的差值絕對值最大為0.27%，差異平均值為0.16%。且兩次檢定結(jié)果均在被檢0.5級核查超聲流量計的允許誤差范圍內(nèi)，其中在某國家分站檢定的誤差算術(shù)平均值為δ1=0.12%，自檢的誤差算術(shù)平均值為δ2=0.16%，檢定結(jié)果相接近。

表4 第二年超聲流量計檢定數(shù)據(jù)統(tǒng)計（自檢）

表5 第二年超聲流量計檢定數(shù)據(jù)統(tǒng)計（某國家分站）

表6 第二年超聲流量計兩次檢定結(jié)果數(shù)據(jù)比對

由此可見，用量傳體系中的高一個精度等級的標(biāo)準(zhǔn)裝置與重復(fù)性極好的同等精度等級的標(biāo)準(zhǔn)開展檢定，兩者的檢定結(jié)果差異不大。

表7 各裝置主要技術(shù)參數(shù)對比

3 結(jié)論及建議

1）等精度或近精度量傳已應(yīng)用于天然氣流量計量，且得到業(yè)內(nèi)認(rèn)可，但需要特別注意的是作為標(biāo)準(zhǔn)的流量計重復(fù)性要優(yōu)于不確定度的1/3。在線檢定/校準(zhǔn)，還需使用調(diào)節(jié)性能穩(wěn)定可靠、調(diào)節(jié)精度高、噪音低的流量調(diào)節(jié)閥，截止閥最好應(yīng)用密封性能好、零泄漏、全通徑強(qiáng)制密封球閥，檢定時旁路不能出現(xiàn)漏氣等現(xiàn)象。

2）選擇等精度量傳流量計時，應(yīng)盡量選擇與被檢流量計不同測量原理的流量計，可避免因測量原理缺陷所帶來干擾引起的附加誤差。

3）由于貿(mào)易交接計量流量計的檢定屬于國家強(qiáng)制檢定范疇，因此按照檢定規(guī)程只有滿足國家計量檢定系統(tǒng)及檢定規(guī)程的要求才能出具檢定證書，而等精度量傳可出具校準(zhǔn)證書，目前校準(zhǔn)證書在我國還沒有完全的法制效力，但如用戶雙方認(rèn)可并在簽訂供氣合同明確說明也同樣具有很強(qiáng)的可行性。

應(yīng)用等精度量傳開展超聲流量計的檢定/校準(zhǔn)或使用中檢驗(yàn)，不僅方便實(shí)現(xiàn)檢定，同時節(jié)約了檢定裝置的建設(shè)費(fèi)用，又保證了量值的統(tǒng)一。目前，國家站（大慶）、南京分站、武漢分站先后建設(shè)了在線實(shí)流檢定裝置，用于開展天然氣交接計量流量計的在線或?qū)嵙鳈z定，有效緩解了我國天然氣超聲流量計階段性檢定難的問題，也推動了我國天然氣計量技術(shù)的發(fā)展。