高志國(guó)，朱瑞苗，吳佳，王美燕

(中石化中原石油勘探局勘察設(shè)計(jì)研究院，河南 濮陽(yáng) 457001)

計(jì)量?jī)x表廣泛應(yīng)用于石油天然氣、石油化工等行業(yè)，準(zhǔn)確可靠的計(jì)量數(shù)據(jù)是保證天然氣管網(wǎng)安全穩(wěn)定生產(chǎn)、提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的前提條件。國(guó)家《計(jì)量法》、《中華人民共和國(guó)強(qiáng)制檢定的工作計(jì)量器具檢定管理辦法》、《中華人民共和國(guó)強(qiáng)制檢定的工作計(jì)量器具目錄》均明確規(guī)定需要對(duì)計(jì)量器具進(jìn)行定期、定點(diǎn)的強(qiáng)制檢定。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《天然氣計(jì)量系統(tǒng)技術(shù)要求》中，對(duì)輸量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下5×104m3/h的天然氣貿(mào)易計(jì)量站，采用在線實(shí)流檢定或校準(zhǔn)天然氣流量?jī)x表。中石化正在建設(shè)的國(guó)家石油天然氣大流量計(jì)量站武漢分站是具有原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)家級(jí)天然氣實(shí)流檢定站，筆者通過原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)檢定站的設(shè)計(jì)過程，對(duì)國(guó)際上采用的原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、量值溯源方式及其不確定度分析進(jìn)行了闡述。

1 原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置介紹

氣體流量原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)流量的定義來復(fù)現(xiàn)氣體流量值的，原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置形成流體流動(dòng)環(huán)境，并通過對(duì)質(zhì)量、長(zhǎng)度、時(shí)間等基本量溯源得到準(zhǔn)確的流量值。相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)而言，氣體流量原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)是它不需要通過與其他氣體流量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(zhǔn)確度最高的流量裝置。但另一方面，由于其實(shí)現(xiàn)量值的原理復(fù)雜，測(cè)量范圍，特別是測(cè)量上限受到限制，額定操作條件和環(huán)境條件苛刻，建造及運(yùn)行成本較高，維護(hù)和操作復(fù)雜，不宜經(jīng)常使用，適用于進(jìn)行量值溯源、科研試驗(yàn)等。

目前，比較常用的天然氣流量原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)主要有高壓氣體活塞裝置HPPP(high pressure piston prover)、靜態(tài)質(zhì)量法裝置(mt)法和靜態(tài)時(shí)間法裝置(pVTt)法。

1.1 HPPP法

HPPP法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)制置換方式在其內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)活塞通過該管段所需時(shí)間可得到氣體的標(biāo)準(zhǔn)體積流量。檢測(cè)開關(guān)可確定活塞進(jìn)入和離開標(biāo)準(zhǔn)管段的時(shí)間間隔，標(biāo)準(zhǔn)管段的容積可采用水驅(qū)法由標(biāo)準(zhǔn)量器確定。但近年來隨著幾何尺寸儀器的不斷發(fā)展，現(xiàn)在多采用幾何測(cè)量的方式對(duì)標(biāo)準(zhǔn)管段的體積進(jìn)行直接測(cè)量。目前國(guó)際上只有德國(guó)國(guó)家物理技術(shù)研究院PTB使用一套HPPP法高壓天然氣氣體流量基準(zhǔn)裝置，其系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 HPPP天然氣原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)原理

1.2 mt法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置

mt法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，主體由三通閥、稱重容器和秤組成。氣體經(jīng)過兩級(jí)壓力調(diào)節(jié)后使壓力穩(wěn)定在系統(tǒng)所需值。通過三通閥進(jìn)入稱重容器，稱量氣體質(zhì)量和測(cè)量通過的時(shí)間就可以計(jì)算出流量。該裝置主要用于校準(zhǔn)音速噴嘴，當(dāng)用于校準(zhǔn)其他流量計(jì)時(shí)，需在流量計(jì)與三通閥間安裝音速噴嘴，以保證流量恒定。mt法裝置的質(zhì)量和時(shí)間可溯源到國(guó)家的質(zhì)量和時(shí)間基準(zhǔn)，其工藝流程如圖2所示。

圖2 mt法氣體標(biāo)準(zhǔn)裝置工藝流程

1.3 pVTt法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置

pVTt法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置根據(jù)氣體熱力學(xué)狀態(tài)方程，在實(shí)測(cè)時(shí)間(t)內(nèi)讓氣體注入或流出容積為V的標(biāo)準(zhǔn)容器，通過容器內(nèi)氣體絕對(duì)壓力p和熱力學(xué)溫度T的變化，計(jì)算確定氣體的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量流量。V通過體積法或稱重法確定，但在實(shí)際使用中要考慮進(jìn)行溫度和壓力修正。該方法所涉及的測(cè)量參數(shù)和影響因素較多，均會(huì)影響所復(fù)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)流量值，故其流量測(cè)量不確定度要高于mt法裝置，其標(biāo)準(zhǔn)裝置原理如圖3所示。

圖3 pVTt法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置原理

2 量值傳遞方式

2.1 HPPP法為原級(jí)的氣體量值傳遞系統(tǒng)

HPPP法系統(tǒng)的關(guān)鍵是缸體體積及通過該體積時(shí)間的測(cè)量，因而該系統(tǒng)溯源到長(zhǎng)度和時(shí)間基準(zhǔn)。目前，HPPP可實(shí)現(xiàn)的不確定度可達(dá)到0.06%；HPPP直接量值傳遞G100級(jí)別和G250級(jí)別的渦輪流量計(jì)；在此基礎(chǔ)上，為了實(shí)現(xiàn)流量上限量程的拓展，可使用該G250級(jí)別的流量計(jì)量值傳遞4臺(tái)相同流量范圍的G250渦輪流量計(jì)，此4臺(tái)渦輪流量計(jì)并聯(lián)使用可量值傳遞至更高流量的G1000級(jí)別渦輪流量計(jì)，在此G1000級(jí)別流量計(jì)的基礎(chǔ)上量值傳遞工作用的6臺(tái)G1000級(jí)別的渦輪流量計(jì)，最終可實(shí)現(xiàn)的最大流量為9 600 m3/h，各級(jí)系統(tǒng)的不確定度結(jié)果如圖4所示。

2.2 mt法為原級(jí)的氣體量值傳遞系統(tǒng)

以mt法為原級(jí)的氣體流量量值傳遞系統(tǒng)由于系統(tǒng)本身涉及質(zhì)量和時(shí)間的測(cè)量，因而系統(tǒng)溯源到質(zhì)量和時(shí)間基準(zhǔn)。目前，mt法可實(shí)現(xiàn)的不確定度優(yōu)于0.10%。mt法直接量值傳遞的流量計(jì)為音速噴嘴，單個(gè)噴嘴的量程在mt法的測(cè)量范圍內(nèi)，根據(jù)裝置的測(cè)量能力，并聯(lián)使用噴嘴的測(cè)量范圍可擴(kuò)大到2 507 m3/h；使用音速噴嘴組對(duì)工作標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行量值傳遞，在此基礎(chǔ)上使用工作標(biāo)準(zhǔn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用的流量計(jì)進(jìn)行量值傳遞，各級(jí)系統(tǒng)的不確定度結(jié)果如圖5所示。

圖4 HPPP法量值傳遞系統(tǒng)及不確定度

圖5 mt法量值傳遞系統(tǒng)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(fù)現(xiàn)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(yùn)動(dòng)一個(gè)行程所需時(shí)間，s。

V=πd2L

(2)

式中：d——HPPP的不銹鋼缸體內(nèi)徑，m；L——HPPP的不銹鋼缸體有效長(zhǎng)度，m。

從式(1)，式(2)可以得到HPPP法體積流量及體積的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

(3)

式中：ur(V)——HPPP活塞有效體積測(cè)量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度；ur(Δt)——活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)間的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度；ur(r)——容積測(cè)量的重復(fù)性。

(4)

式中：ur(d)——內(nèi)徑測(cè)量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度；ur(L)——有效長(zhǎng)度測(cè)量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

從式(4)可以看出d和L是HPPP法缸體體積測(cè)量的重要參數(shù)，為了測(cè)量d和L，搭建了專用系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行測(cè)量。

在對(duì)HPPP缸體的直徑和行程長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)試后，可計(jì)算得到缸體體積測(cè)量的不確定度。目前，由于測(cè)量缸體直徑和行程長(zhǎng)度采用專用儀器，此項(xiàng)不確定度為0.02%(k=2)。

3.2 mt法不確定度分析

mt方法復(fù)現(xiàn)的質(zhì)量流量可以表示為

(5)

式中：qm——質(zhì)量流量，kg/s；Δt——向稱重罐充氣的時(shí)間，s；Δm——Δt內(nèi)通過噴嘴進(jìn)入稱重罐的天然氣質(zhì)量，kg。

從式(5)可以推導(dǎo)得到采用mt法質(zhì)量流量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

(6)

式中：ur(Δm)——測(cè)試時(shí)間內(nèi)通過噴嘴進(jìn)入稱重罐天然氣質(zhì)量相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度；ur(Δt)——充氣時(shí)間的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度；ur(r)——質(zhì)量流量測(cè)量的重復(fù)性。

Δm=m1+m2+m3+m4

(7)

式中：m1——Δt時(shí)間內(nèi)充入稱重罐內(nèi)的天然氣質(zhì)量，kg；m2——臨界流噴嘴出口和換向閥之間附加容積內(nèi)天然氣質(zhì)量的變化量，kg；m3——換向閥和進(jìn)罐手動(dòng)閥(取決于稱重系統(tǒng)的脫開機(jī)構(gòu)位置)之間附加容積內(nèi)天然氣質(zhì)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(shí)間內(nèi)充入稱重罐內(nèi)的天然氣質(zhì)量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度；ur(m2)——臨界流噴嘴出口和換向閥之間附加容積內(nèi)天然氣質(zhì)量變化量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度；ur(m3)——換向閥和進(jìn)罐手動(dòng)閥(取決于稱重系統(tǒng)的脫開機(jī)構(gòu)位置)之間附加容積內(nèi)天然氣質(zhì)量變化量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

(9)

式中：ur(Δt)——計(jì)時(shí)器的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度；ur(H1)——單個(gè)快速換向閥換向時(shí)間差的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度；ur(H2)——2個(gè)快速換向閥聯(lián)動(dòng)換向時(shí)間差的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)天然氣原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置的介紹，研究了國(guó)際上常用的三種不同原理的原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置量值溯源方式，對(duì)各種標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度進(jìn)行分析，對(duì)比原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置的優(yōu)劣，在國(guó)家石油天然氣大流量計(jì)量站武漢分站中推薦采用HPPP法作為原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置。通過對(duì)該技術(shù)的消化吸收，逐步轉(zhuǎn)化為中國(guó)石化專有技術(shù)，將使中國(guó)石化在天然氣計(jì)量技術(shù)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。同時(shí)，利用該裝置與國(guó)際原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置開展量值比對(duì)和研究，進(jìn)一步推進(jìn)中國(guó)天然氣計(jì)量科學(xué)技術(shù)進(jìn)步。

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