王 輝

(國家石油天然氣大流量計(jì)量站成都分站，成都 610213)

0 引言

氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置間的量值比對(duì)起源于上個(gè)世紀(jì)70年代的歐美工業(yè)發(fā)達(dá)國家，在國際上，標(biāo)準(zhǔn)裝置間量值比對(duì)已成為實(shí)驗(yàn)室互認(rèn)和能力驗(yàn)證的關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容，只有通過比對(duì)(也就是各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)裝置之間的比對(duì))才能實(shí)現(xiàn)各國量值溯源鏈間的橫向比較，進(jìn)而最大限度地減少貿(mào)易雙方的計(jì)量差異，最終實(shí)現(xiàn)互認(rèn)。

隨著四川南、北天然氣環(huán)形管網(wǎng)、陜京一線、陜京二線、忠武管線、西氣東輸一線、西氣東輸二線等建立，用于天然氣計(jì)量的流量計(jì)數(shù)量日益增多。由于天然氣貿(mào)易計(jì)量直接涉及到貿(mào)易雙方巨大的經(jīng)濟(jì)利益，因此，確保流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確度也就成為了供需雙方關(guān)注的焦點(diǎn)。為確保企業(yè)的經(jīng)濟(jì)利益，我國相繼建立了以天然氣為介質(zhì)的氣體流量檢定站，同時(shí)自上個(gè)世紀(jì)80年代末以來也相繼建立了以空氣為介質(zhì)的氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置用于現(xiàn)場流量計(jì)的檢定、測試工作。然而，這些空氣標(biāo)準(zhǔn)裝置和天然氣標(biāo)準(zhǔn)裝置的溯源方式不相同，其量值也存在著差異。

GB/T 21391—2008《用氣體渦輪流量計(jì)測量天然氣流量》中已經(jīng)明確規(guī)定了“在檢測壓力大于0.4MPa時(shí)采用天然氣為介質(zhì)的實(shí)流標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行檢定”，那么針對(duì)其他類型的流量計(jì)，采用何種介質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行檢定才能保證流量計(jì)現(xiàn)場計(jì)量的準(zhǔn)確性，這就需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)裝置的差異性進(jìn)行研究。而針對(duì)氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置差異性的分析，國際上通常采用的是量值比對(duì)的方法，利用合適的傳遞標(biāo)準(zhǔn)(即比對(duì)流量計(jì))，在不同的標(biāo)準(zhǔn)裝置間開展循環(huán)測試。其主要目的是考察不同標(biāo)準(zhǔn)裝置間的差異，通過差異分析來判斷各標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度是否在宣稱的范圍內(nèi)，從而了解各標(biāo)準(zhǔn)裝置的準(zhǔn)確性和可靠性，最終實(shí)現(xiàn)各標(biāo)準(zhǔn)裝置的量值傳遞的統(tǒng)一。

由于空氣和天然氣標(biāo)準(zhǔn)裝置在氣質(zhì)組分、檢測壓力、環(huán)境條件等諸多方面都有不同，針對(duì)兩種不同介質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)裝置差異性的研究將是十分復(fù)雜的工作，本文將采用量值比對(duì)的方法對(duì)空氣和天然氣標(biāo)準(zhǔn)裝置的差異性進(jìn)行研究，以期找到差異性存在的原因，為進(jìn)一步研究兩種裝置的差異性打下一定的基礎(chǔ)。

1 氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置及實(shí)驗(yàn)方案簡介

目前國內(nèi)用于檢定和測試工作的標(biāo)準(zhǔn)裝置有很多，為了研究空氣和天然氣標(biāo)準(zhǔn)裝置的差異性，本文選取了三套具有代表性的標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.1 氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的選擇

通過對(duì)有關(guān)技術(shù)資料的整理，結(jié)合在各個(gè)地區(qū)的實(shí)際情況，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度、實(shí)際工作壓力、流量范圍和安裝條件等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析，確定在以下標(biāo)準(zhǔn)裝置上開展循環(huán)比對(duì)實(shí)驗(yàn)，來研究不同標(biāo)準(zhǔn)裝置的差異性。不同標(biāo)準(zhǔn)裝置的具體情況見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)裝置的能力和水平比較表

1.2 比對(duì)流量計(jì)的選擇

為了更好的保證不同標(biāo)準(zhǔn)裝置上流量計(jì)測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，必須要求被測流量計(jì)具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性，同時(shí)參照比對(duì)流量計(jì)的選取方法進(jìn)行。常用于天然氣流量計(jì)量的流量計(jì)類型有很多，最長使用的有氣體超聲流量計(jì)、渦輪流量計(jì)和孔板流量計(jì)、羅茨流量計(jì)等。

現(xiàn)場使用的孔板流量計(jì)主要采用幾何檢驗(yàn)法，較少使用空氣實(shí)流標(biāo)定。氣體超聲流量計(jì)的口徑大、流量范圍大，準(zhǔn)確度高，但不能用在低壓的情況下。羅茨流量計(jì)具有精度高、可靠性高、在流速變化大的情況下也能保持計(jì)量的準(zhǔn)確度；始動(dòng)流量小、壓力損失小、量程比寬，適用于微流量的測量；使用壽命更長；鋁合金材質(zhì)，體積小、重量輕，安裝維護(hù)更為方便的特點(diǎn)。渦輪流量計(jì)具有準(zhǔn)確度高、量程比寬、適應(yīng)性強(qiáng)、復(fù)現(xiàn)性好、在線性流量范圍內(nèi)，即使流量發(fā)生變化，累積流量準(zhǔn)確度也不會(huì)降低的特點(diǎn)。

因此，結(jié)合各個(gè)地區(qū)流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的實(shí)際情況和比對(duì)流量計(jì)的選取原則，本文選擇了2臺(tái)羅茨流量計(jì)和1臺(tái)渦輪流量計(jì)作為測試實(shí)驗(yàn)的比對(duì)流量計(jì)。比對(duì)流量計(jì)的技術(shù)指標(biāo)見表2。

1.3 測試實(shí)驗(yàn)方案

測試實(shí)驗(yàn)流量布點(diǎn)首先需要根據(jù)對(duì)流量計(jì)的初步性能測試，結(jié)合流量計(jì)的額定流量范圍，選擇比對(duì)流量計(jì)的分界流量以上、性能均較穩(wěn)定的流量點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)實(shí)驗(yàn)，以盡量排除在小流量下流量計(jì)本身性能不穩(wěn)定對(duì)比對(duì)結(jié)果的影響。

表2 比對(duì)流量計(jì)技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)CIPM/BIPM關(guān)鍵比對(duì)的要求，流量計(jì)實(shí)驗(yàn)布點(diǎn)依據(jù)JJG 1037—2008《渦輪流量計(jì)》和JJG 633—2005《氣體容積式流量計(jì)》。在數(shù)據(jù)處理分析過程中，實(shí)驗(yàn)布點(diǎn)方案見表3。

表3 布點(diǎn)實(shí)驗(yàn)方案

2 測試數(shù)據(jù)處理及差異性分析

2.1 渦輪流量計(jì)測試數(shù)據(jù)和分析

選取在天然氣標(biāo)準(zhǔn)裝置測試時(shí)不同壓力下二組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，與兩套空氣標(biāo)準(zhǔn)裝置上的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

2.1.1 渦輪流量計(jì)的數(shù)據(jù)處理

渦輪流量計(jì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表4，在不同實(shí)驗(yàn)室測試的對(duì)比曲線見圖1。

圖1 渦輪流量計(jì)在不同介質(zhì)下的測試數(shù)據(jù)圖

表4 渦輪流量計(jì)比對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.1.2 結(jié)論

當(dāng)渦輪流量計(jì)分別安裝在空氣和天然氣標(biāo)準(zhǔn)裝置上時(shí)，從圖1中明顯看出，在幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室共同測試的40～100m3/h流量范圍內(nèi)，用空氣為介質(zhì)流量計(jì)檢定的儀表系數(shù)大于用天然氣為介質(zhì)流量計(jì)檢定的儀表系數(shù)，在圖中儀表系數(shù)偏差最大處為0.5%左右；在25～40m3/h流量范圍內(nèi)，用空氣為介質(zhì)流量計(jì)檢定的儀表系數(shù)大于用天然氣為介質(zhì)流量計(jì)檢定的儀表系數(shù)，在圖中儀表系數(shù)偏差最大處為0.7%左右。

2.2 羅茨流量計(jì)測試數(shù)據(jù)和分析

2.2.1 羅茨流量計(jì)X數(shù)據(jù)處理與分析

編號(hào)為X的羅茨流量計(jì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表5，在不同實(shí)驗(yàn)室測試的對(duì)比曲線見圖2。

表5 編號(hào)為X羅茨流量計(jì)比對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2 編號(hào)為X羅茨流量計(jì)空氣和天然氣比對(duì)圖

2.2.2 羅茨流量計(jì)X結(jié)論

從圖2可以看出編號(hào)為X的羅茨流量計(jì)在以空氣和天然氣為介質(zhì)的測試中，從整個(gè)趨勢(shì)看，用空氣為介質(zhì)流量計(jì)檢定的儀表系數(shù)大于用天然氣為介質(zhì)流量計(jì)檢定的儀表系數(shù)，在圖中儀表系數(shù)偏差最大處為1.4%左右，在15～35m3/h流量范圍內(nèi)，兩條曲線的偏差不大，為0.4%左右，在35～85m3/h流量范圍內(nèi)，偏差變大。在60m3/h處達(dá)到最大。

2.2.3 羅茨流量計(jì)Y數(shù)據(jù)處理與分析

編號(hào)為Y的羅茨流量計(jì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表6，在不同實(shí)驗(yàn)室測試的對(duì)比曲線見圖3。

表6 編號(hào)為Y羅茨流量計(jì)比對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 編號(hào)為Y羅茨流量計(jì)空氣和天然氣比對(duì)圖

2.2.4 羅茨流量計(jì)Y結(jié)論

從圖3可以看出編號(hào)為Y的羅茨流量計(jì)在以空氣和天然氣為介質(zhì)的測試中，從整個(gè)趨勢(shì)看，用空氣為介質(zhì)流量計(jì)檢定的儀表系數(shù)大于用天然氣為介質(zhì)流量計(jì)檢定的儀表系數(shù)，在圖中儀表系數(shù)偏差最大處為1.0%左右，在35m3/h兩條曲線的偏差最小，為0.14%左右，在60m3/h處達(dá)到最大。在15～35m3/h流量范圍內(nèi)，兩條曲線的偏差比較在35～85m3/h流量范圍內(nèi)，兩條曲線的偏差要小一些。

2.3 流量計(jì)檢定儀表系數(shù)的數(shù)據(jù)處理與分析

1)選取在天然氣標(biāo)準(zhǔn)裝置上檢測的流量計(jì)的檢定儀表系數(shù)，與兩套空氣標(biāo)準(zhǔn)裝置上檢測的流量計(jì)檢定儀表系數(shù)進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表7。

表7 流量計(jì)檢定儀表系數(shù)

2)通過對(duì)本次測試實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，以空氣為介質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)裝置的檢定儀表系數(shù)大于以天然氣為介質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)裝置的檢定儀表系數(shù)。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)天然氣標(biāo)準(zhǔn)裝置的數(shù)據(jù)與兩套空氣標(biāo)準(zhǔn)裝置的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得出不同標(biāo)準(zhǔn)裝置間差異性的基本結(jié)論：

1)在本次比對(duì)實(shí)驗(yàn)測試中，渦輪流量計(jì)在用空氣為介質(zhì)檢定流量計(jì)的儀表系數(shù)大于用天然氣為介質(zhì)檢定流量計(jì)的儀表系數(shù)。從這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)論可以看出，渦輪流量計(jì)所得出的比對(duì)結(jié)論與GB/T 21391—2008《用氣體渦輪流量計(jì)測量天然氣流量》標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的“在檢測壓力大于0.4MPa時(shí)采用天然氣為介質(zhì)的實(shí)流標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行檢定” 的要求一致。如果渦輪流量計(jì)在實(shí)際使用中使用空氣檢定的儀表系數(shù)，則測得的流量比實(shí)際流量偏小。

2)在本次比對(duì)實(shí)驗(yàn)測試中，除編號(hào)為X的羅茨流量計(jì)在第二套空氣標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定儀表系數(shù)相對(duì)于天然氣標(biāo)準(zhǔn)裝置的偏差為負(fù)以外，其他各次測試實(shí)驗(yàn)中在用空氣為介質(zhì)檢定流量計(jì)的儀表系數(shù)均大于用天然氣為介質(zhì)檢定流量計(jì)的儀表系數(shù)。

3)由于羅茨流量計(jì)的壓力變化的敏感性沒有渦輪流量計(jì)高，所以在以空氣為介質(zhì)和用天然氣為介質(zhì)檢定渦輪和羅茨流量計(jì)的儀表系數(shù)變換曲線，渦輪流量計(jì)的變化趨勢(shì)更加明顯。

4)國內(nèi)用于天然氣流量計(jì)量的流量計(jì)，應(yīng)盡量在天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上檢定，否則可能會(huì)給現(xiàn)場計(jì)量帶來較大影響。

[1] JJF 1033—2008 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范

[2] GB/T 18604 用氣體超聲流量計(jì)測量天然氣流量

[3] JJG 198—1994 速度式流量計(jì)檢定規(guī)程

[4] GB/T 18603 天然氣計(jì)量系統(tǒng)技術(shù)要求