任 佳 段繼芹 王 強(qiáng)

(國(guó)家石油天然氣大流量計(jì)量站成都分站，成都 610213)

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一種新型mt法天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置不確定度評(píng)估

任 佳 段繼芹 王 強(qiáng)

(國(guó)家石油天然氣大流量計(jì)量站成都分站，成都 610213)

自上世紀(jì)90年代起，全世界廣泛應(yīng)用靜態(tài)稱重法流量標(biāo)準(zhǔn),又稱質(zhì)量-時(shí)間(mt)法流量標(biāo)準(zhǔn)，作為高水平的氣流量原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置。成都分站在上世紀(jì)90年代末建立的mt法流量標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，研發(fā)了一套基于雙罐等臂電磁天平技術(shù)的mt法天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，其設(shè)計(jì)指標(biāo)為質(zhì)量流量測(cè)量不確定度為(0.05～0.076)%(k=2)。介紹了裝置的基本原理、電磁天平稱量系統(tǒng)和液壓驅(qū)動(dòng)快速換向系統(tǒng)目前達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)，以及不確定度評(píng)估方法和一些改進(jìn)理念。

計(jì)量學(xué)；等臂天平；天然氣；原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

0 引言

我國(guó)天然氣工業(yè)的快速發(fā)展對(duì)天然氣貿(mào)易計(jì)量用流量計(jì)的準(zhǔn)確度提出了更高的要求，因此，進(jìn)一步提高天然氣流量量傳溯源體系的技術(shù)水平和能力也成為一種必然的發(fā)展趨勢(shì)。天然氣流量原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置作為天然氣流量量傳溯源體系中的首要環(huán)節(jié)，根據(jù)測(cè)量不確定度傳播規(guī)律，原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置的技術(shù)水平和能力對(duì)整個(gè)體系有著至關(guān)重要的影響。

目前，全世界有mt法、高壓體積管、油氣動(dòng)態(tài)替換體積管法等幾種不同類型的高壓天然氣流量原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置。其中，應(yīng)用較為廣泛的是mt法天然氣流量原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置。美國(guó)西南研究院在上個(gè)世紀(jì)90年代建設(shè)了兩套不同壓力的mt法天然氣流量原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置，中國(guó)有兩套mt法天然氣流量原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置，分別由國(guó)家石油天然氣大流量計(jì)量站成都分站(簡(jiǎn)稱成都分站)在1997年建成和由國(guó)家石油天然氣大流量計(jì)量站南京分站(簡(jiǎn)稱南京分站)于2012年建成。這些原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置的質(zhì)量流量測(cè)量不確定度通常在0.1%(k=2)左右。

為了將原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)傳遞標(biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)不確定度降低到0.12%(k=2)左右，成都分站于2013年在上世紀(jì)90年代末建立的mt法流量標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，研發(fā)了一套基于雙罐等臂電磁天平和液壓驅(qū)動(dòng)快速換向技術(shù)的mt法天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。這套新的mt法原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置操作壓力范圍為0.3～6.0MPa、工況流量范圍為5～400m3/h、質(zhì)量流量測(cè)量不確定度建設(shè)目標(biāo)為(0.05～0.076)%(k=2)。目前關(guān)鍵設(shè)備電磁天平稱量系統(tǒng)和液壓驅(qū)動(dòng)快速換向系統(tǒng)已制作完成，3t電磁天平稱量系統(tǒng)出廠時(shí)重復(fù)性達(dá)到0.5g，液壓驅(qū)動(dòng)快速換向系統(tǒng)換向閥開關(guān)時(shí)間達(dá)到30ms±3ms，均優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)。

1 工作原理

mt法原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置主要用于作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)的臨界流文丘里噴嘴的校準(zhǔn)和檢定。目前正在建設(shè)的基于雙罐等臂電磁天平技術(shù)的mt法原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 mt法原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

來(lái)自上游氣源管道的天然氣首先流經(jīng)音速噴嘴進(jìn)入出口管道(此時(shí)快速換向閥2開，閥1關(guān))，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定和臨界流狀態(tài)時(shí)，通過快速換向閥1和2的開關(guān)切換(此時(shí)快速換向閥2關(guān)，閥1開)，將天然氣流動(dòng)方向轉(zhuǎn)向兩臺(tái)帶隔熱層的、對(duì)稱安裝于電磁天平兩側(cè)的稱量罐。用于換向的快速換向閥為液壓驅(qū)動(dòng)，開關(guān)時(shí)間通?？梢赃_(dá)到50ms，甚至更快?？焖贀Q向閥換向時(shí)，啟動(dòng)計(jì)時(shí)器開始記錄向稱量罐內(nèi)和滯留容積(見圖1中噴嘴下游至稱量罐閥門上游的管道，又稱補(bǔ)償段。其中臨界流文丘里噴嘴至兩只換向閥前的管道容積為VA,換向閥1到稱量罐閥門上游管道容積為VB)內(nèi)充氣的時(shí)間t。一臺(tái)3t的高精度電磁天平用于確定充氣前后稱量罐內(nèi)的氣體質(zhì)量變化。滯留容積內(nèi)質(zhì)量的變化通過充氣前后的壓力、溫度和滯留體積進(jìn)行計(jì)算。因此，質(zhì)量流量可以由稱量罐和補(bǔ)償段內(nèi)氣體質(zhì)量變化量除以充氣時(shí)間得到。質(zhì)量流量測(cè)量模型用見式(1)。

(1)

2 不確定度評(píng)估方法

2.1 質(zhì)量流量測(cè)量不確定度

根據(jù)式(1)，質(zhì)量流量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度可以表示為：

cr(m補(bǔ)B)2·ur(m補(bǔ)A)2+

cr(mC)2·ur(mC)2

(2)

質(zhì)量流量的相對(duì)測(cè)量擴(kuò)展不確定度計(jì)算如下：

Ur(qm)=2×ur(qm)

(3)

2.2 質(zhì)量測(cè)量不確定度

質(zhì)量測(cè)量不確定度分量主要包括稱量罐質(zhì)量稱量、補(bǔ)償段A和B質(zhì)量測(cè)量這三個(gè)不確定度分量。其分解及計(jì)算見表1和表2。

表1 稱量罐質(zhì)量稱量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度一覽表

1)單罐充氣時(shí)，質(zhì)量稱量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

2)雙罐充氣時(shí)，質(zhì)量稱量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

其中：mc為稱量罐內(nèi)氣體總質(zhì)量。

3)采用替代法稱量，測(cè)量過程中排除了臂差因素，所以該項(xiàng)不確定度可忽略。

表2 補(bǔ)償段質(zhì)量測(cè)量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度一覽表

2.3 時(shí)間測(cè)量不確定度

時(shí)間測(cè)量不確定度分量主要包括計(jì)時(shí)器分辨率、晶振穩(wěn)定度和換向閥開關(guān)時(shí)間重復(fù)性三個(gè)分量，其分解及計(jì)算見表3。

表3 時(shí)間測(cè)量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度一覽表

1)換向閥開關(guān)時(shí)間重復(fù)性計(jì)算方法

通常采用行程法來(lái)計(jì)算換向閥開關(guān)時(shí)間的A類不確定度。將換向閥開關(guān)10次，分別將開、關(guān)時(shí)間記作t1和t2。

換向閥開關(guān)時(shí)間差引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

換向閥開時(shí)間的重復(fù)性為：

換向閥關(guān)時(shí)間的重復(fù)性為：

2)時(shí)間測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)不確定度的合成：

2.4 質(zhì)量流量測(cè)量不確定度的計(jì)算

根據(jù)式(2)，質(zhì)量流量測(cè)量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分解見表4。

表4 質(zhì)量流量測(cè)量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度一覽表

2.5 不同工況條件下質(zhì)量流量測(cè)量不確定度的評(píng)估結(jié)果

根據(jù)2013年10月至2014年12月期間，電磁天平重復(fù)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明單次測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性為0.36,0.12,0.23,0.14,0.15g。由此可計(jì)算得到uw。

2013年11月至2014年12月，快速換向閥開關(guān)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果(見表5、6)，由此可計(jì)算得到ur(t2)。

表5 快速換向閥1的開、關(guān)時(shí)間統(tǒng)計(jì)表 單位：ms

續(xù)表

表6 快速換向閥2的開、關(guān)時(shí)間統(tǒng)計(jì)表 單位：ms

表7 質(zhì)量流量測(cè)量不確定度評(píng)估結(jié)果

由于質(zhì)量流量不確定度與工況條件有密切的關(guān)系，因此，需要針對(duì)不同流量的臨界流文丘里噴嘴作為流量控制元件時(shí)分別評(píng)定測(cè)量不確定度。根據(jù)表1～表4所列的測(cè)量模型，得到質(zhì)量流量不確定度評(píng)估結(jié)果見表7。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過補(bǔ)償段和稱量罐結(jié)構(gòu)優(yōu)化、液壓驅(qū)動(dòng)快速換向閥集成技術(shù)的優(yōu)化，以及雙罐等臂電磁天平的應(yīng)用，成都分站新建的原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置有較好的評(píng)估結(jié)果。但原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置是由一套復(fù)雜的工藝系統(tǒng)組成，測(cè)量不確定度還受環(huán)境條件、系統(tǒng)壓力和溫度的穩(wěn)定性、快速換向閥的換向方式等因素的影響，目前以上評(píng)估結(jié)果需要原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置建成后，通過開展音速噴嘴實(shí)驗(yàn)和不同原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置間的比對(duì)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，因此，在下步原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置的在線調(diào)試和運(yùn)行過程中，還將在以下幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化和進(jìn)一步的研究：1)實(shí)現(xiàn)“零重疊”且不破壞臨界流狀態(tài)的快速換向方式；2)原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置系統(tǒng)壓力和溫度的穩(wěn)定性控制；3)利用快速壓力溫度傳感器實(shí)時(shí)核查補(bǔ)償段內(nèi)壓力和溫度的常規(guī)測(cè)量結(jié)果；4)建立并完善質(zhì)量過程控制；5)與歐洲實(shí)驗(yàn)室的原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置開展比對(duì)。

[1] 段繼芹，任佳，等.中國(guó)天然氣原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置的發(fā)展.第15屆國(guó)際流量測(cè)量大會(huì)，2010

[2] ISO/IEC Guide98-3 測(cè)量不確定度第三部分——測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)定導(dǎo)則,2008

[3] John D Wright et al.Design and Uncertainty Analysis for a PVTt Gas Flow Standard.Journal of Research ofNational Institute of Standards and Technology, 2003,108(1)

[4] R E Harris ,等.mt法氣體流量原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置.第5屆國(guó)際流體流量測(cè)量研討會(huì)，1990

[5] R E Harris,等.工況條件對(duì)原級(jí)氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置不確定度的影響.第6屆國(guó)際流量測(cè)量大會(huì),2000

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.08.10