劉丁發(fā) 段繼芹 張強(qiáng) 王輝

1.中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司天然氣質(zhì)量控制和能量計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

旋進(jìn)旋渦流量計(jì)具有內(nèi)部無(wú)機(jī)械可動(dòng)部件、量程比寬、重復(fù)性好、可靠性高、易維修等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)中、小流量的天然氣銷(xiāo)售終端計(jì)量領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛[1-2]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2019年底，中國(guó)石油西南油氣田公司下屬燃?xì)怃N(xiāo)售終端華油公司、川港燃?xì)夤竞腿細(xì)夥止竞嫌?jì)在用旋進(jìn)旋渦流量計(jì)接近500臺(tái)，在天然氣貿(mào)易交接流量計(jì)中占比約為10%，每年天然氣貿(mào)易交接量接近10×108m3。

當(dāng)前，在天然氣貿(mào)易交接計(jì)量過(guò)程中，關(guān)于旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的基本性能要求，以及現(xiàn)場(chǎng)安裝和維護(hù)等影響流量計(jì)計(jì)量性能的技術(shù)要求主要參考SY/T 6658-2006《用旋進(jìn)旋渦流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》[3]。該標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)ISO/TR 12764：1997《密閉管道氣體測(cè)量-采用安裝在充滿(mǎn)流體的圓形截面管道中的渦街流量計(jì)測(cè)量流量》的非等效采用，后者于2017年更新發(fā)布了ISO/TR 12764：2017版[4-7]。同時(shí)，作為天然氣貿(mào)易交接計(jì)量器具，需要進(jìn)行周期檢定或校準(zhǔn)來(lái)確保流量計(jì)的計(jì)量性能準(zhǔn)確可靠，旋進(jìn)旋渦流量計(jì)屬于典型的速度式流量計(jì)，長(zhǎng)期以來(lái)一直是依據(jù)JJG 198-1994《速度式流量計(jì)》進(jìn)行檢定，而隨著機(jī)械設(shè)計(jì)加工和電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，流量計(jì)也在不斷地更新?lián)Q代，為更好地開(kāi)展旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的檢定校準(zhǔn)和設(shè)計(jì)生產(chǎn)工作，我國(guó)于2015年發(fā)布了國(guó)家檢定規(guī)程JJG 1121-2015《旋進(jìn)旋渦流量計(jì)》[8]，并且于2018年發(fā)布了用于指導(dǎo)廠(chǎng)家產(chǎn)品制造和生產(chǎn)的GB/T 36241-2018《氣體旋進(jìn)旋渦流量計(jì)》，該標(biāo)準(zhǔn)主要是圍繞氣體旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的分類(lèi)、基本參數(shù)、工作條件和試驗(yàn)方法等方面進(jìn)行要求[9]。

為進(jìn)一步加強(qiáng)SY/T 6658-2006對(duì)天然氣貿(mào)易交接現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的指導(dǎo)作用，促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)之間相近技術(shù)條款的融合相通，通過(guò)跟蹤研究國(guó)內(nèi)外有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制修訂進(jìn)展，比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)之間的技術(shù)差異，開(kāi)展了標(biāo)準(zhǔn)的修訂前期研究工作。本文主要介紹了SY/T 6658-2006修訂的前期研究和擬修訂主要技術(shù)條款國(guó)內(nèi)外有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的比對(duì)情況。

1 工藝安裝要求

旋進(jìn)旋渦流量計(jì)是基于流體旋渦的旋轉(zhuǎn)頻率與介質(zhì)流速成函數(shù)關(guān)系的原理來(lái)進(jìn)行流量的計(jì)量。因此。旋進(jìn)旋渦流量計(jì)在進(jìn)行天然氣計(jì)量時(shí)，較容易受現(xiàn)場(chǎng)安裝工藝上游匯管、彎管、漸縮管、漸擴(kuò)管等擾流件導(dǎo)致的脈動(dòng)流、旋轉(zhuǎn)流等干擾，而較長(zhǎng)的直管段可以減小管道內(nèi)流場(chǎng)擾流對(duì)其性能的影響[10]。因此，國(guó)內(nèi)外的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的上下游直管段長(zhǎng)度進(jìn)行了建議，其中SY/T 6658-2006建議流量計(jì)的上游最短直管段長(zhǎng)度為管道標(biāo)稱(chēng)直徑的10倍，下游最短為管道標(biāo)稱(chēng)直徑的5倍，即前10D后5D，如果流量計(jì)本體自帶流動(dòng)調(diào)整器，則上下游直管段長(zhǎng)度應(yīng)咨詢(xún)廠(chǎng)家[3]；ISO/TR 12764-2017建議流量計(jì)上游直管段長(zhǎng)度在管道標(biāo)稱(chēng)直徑的5～20倍之間，下游長(zhǎng)度在管道標(biāo)稱(chēng)直徑的3～10倍之間[4]；API MPMS 14.12：2017《用渦街/旋渦流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》則并未進(jìn)行明確規(guī)定，只是要求用戶(hù)根據(jù)廠(chǎng)家建議進(jìn)行安裝[11]。

鑒于現(xiàn)場(chǎng)安裝工藝對(duì)流量計(jì)性能影響的關(guān)鍵作用，國(guó)家石油天然氣大流量計(jì)量站成都分站(以下簡(jiǎn)稱(chēng)成都分站)有針對(duì)性地開(kāi)展了不同工藝安裝對(duì)流量計(jì)性能影響的試驗(yàn)研究工作。

1.1 試驗(yàn)裝置和儀表

試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)裝置：成都分站渦流標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，流量范圍16～8 000 m3/h，壓力范圍1.5～5.5 MPa，體積流量測(cè)量不確定度為0.33%(k=2)。

試驗(yàn)儀表：某廠(chǎng)家旋進(jìn)旋渦流量計(jì)，規(guī)格尺寸為DN80，公稱(chēng)壓力4.0 MPa，流量范圍28～400 m3/h，準(zhǔn)確度等級(jí)1.0級(jí)。

1.2 試驗(yàn)工藝設(shè)計(jì)

試驗(yàn)工藝基于燃?xì)怃N(xiāo)售終端典型計(jì)量?jī)x表安裝工藝，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)推薦安裝的上下游直管段長(zhǎng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要擾流件為匯管、漸縮管和彎管等，流量計(jì)上下游直管段內(nèi)徑與流量計(jì)一致，上游直管段長(zhǎng)度分別設(shè)置為管道標(biāo)稱(chēng)直徑的5倍、10倍和20倍，下游直管段長(zhǎng)度為管道標(biāo)稱(chēng)直徑的5倍?；跐u縮管(DN150轉(zhuǎn)DN80)的測(cè)試工藝流程如圖1所示，基于彎管的測(cè)試工藝流程如圖2所示。

1.3 試驗(yàn)方案

采用渦輪標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，首先將旋進(jìn)旋渦流量計(jì)安裝在上游直管段長(zhǎng)度大于100D的理想工藝條件下進(jìn)行測(cè)試，以確定被測(cè)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的理想性能。然后，將旋進(jìn)旋渦流量計(jì)安裝在如圖1和圖2所示的工藝安裝條件下進(jìn)行測(cè)試，將測(cè)得的示值誤差與理想工藝條件下測(cè)得的示值誤差進(jìn)行比較，用其偏差大小來(lái)評(píng)價(jià)不同工藝條件對(duì)流量計(jì)性能的影響程度。

測(cè)試介質(zhì)壓力為1.5 MPa，測(cè)試流量點(diǎn)依據(jù)JJG 1121-2015《旋進(jìn)旋渦流量計(jì)》檢定規(guī)程進(jìn)行布置，考慮到渦輪標(biāo)準(zhǔn)裝置最小渦輪的分界流量為32 m3/h，為確保標(biāo)準(zhǔn)裝置性能的準(zhǔn)確可靠，將最小測(cè)試流量點(diǎn)設(shè)置為32 m3/h，其余測(cè)試流量點(diǎn)分別為qt(80 m3/h)、0.5qmax(200 m3/h)、0.7qmax(280 m3/h)、qmax(400 m3/h)，共5個(gè)流量點(diǎn)，每個(gè)流量點(diǎn)測(cè)試6次，每次100 s。

1.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

表1為將旋進(jìn)旋渦流量計(jì)分別安裝在上游直管段長(zhǎng)度大于100D的理想安裝工藝，以及基于漸縮管和彎管后不同直管段長(zhǎng)度安裝工藝流程下與渦流標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的相對(duì)示值誤差測(cè)試結(jié)果。

表1 不同工藝安裝條件下測(cè)試結(jié)果測(cè)試流量點(diǎn)/(m3·h-1)相對(duì)示值誤差/%理想安裝工藝漸縮管后5D漸縮管后10D漸縮管后20D彎管后5D彎管后10D彎管后20D備注323.053.073.232.992.353.012.96qt以下80-0.25-0.17-0.12-0.27-0.47-0.34-0.35200-0.33-0.26-0.29-0.36-0.55-0.42-0.44280-0.17-0.09-0.11-0.21-0.39-0.22-0.28400-0.15-0.12 0.01-0.18-0.19-0.21-0.20qt及以上

通過(guò)對(duì)表1數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以獲得旋進(jìn)旋渦流量計(jì)在漸縮管擾流后不同直管段長(zhǎng)度安裝工藝下與理想安裝工藝相比的測(cè)量示值誤差偏差情況，具體如圖3所示。由圖3可以看出，在漸縮管后5D、10D和20D直管段長(zhǎng)度后安裝與基準(zhǔn)示值誤差的最大偏差分別為0.08%、0.18%、-0.06%，偏差處于標(biāo)準(zhǔn)裝置不確定度0.33%(k=2)以?xún)?nèi)。

同樣，對(duì)表1數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以獲得旋進(jìn)旋渦流量計(jì)在彎管擾流后不同直管段長(zhǎng)度安裝工藝下與理想安裝工藝相比的示值誤差偏差情況，具體如圖4所示。由圖4可以看出，在彎管后5D直管段處安裝流量計(jì)時(shí)，與理想性能的最大偏差為-0.70%，超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)裝置不確定度0.33%(k=2)；在彎管后10D和20D直管段處安裝流量計(jì)時(shí)，與理想性能的最大偏差分別為-0.09%和-0.11%，偏差處于標(biāo)準(zhǔn)裝置不確定度0.33%(k=2)以?xún)?nèi)。

總的來(lái)說(shuō)，漸縮管后5D直管段、彎管后10D直管段即可滿(mǎn)足旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的安裝要求，考慮到在不同擾流工況條件下，不同廠(chǎng)家、不同型號(hào)的旋進(jìn)旋渦流量計(jì)對(duì)上下游直管段要求不同，流量計(jì)上游直管段長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)實(shí)際具體工況情況通過(guò)試驗(yàn)評(píng)價(jià)給出，若缺少試驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)最大化利用現(xiàn)場(chǎng)空間盡量增加旋進(jìn)旋渦流量計(jì)上游直管段長(zhǎng)度。

2 準(zhǔn)確度等級(jí)和重復(fù)性要求

涉及到旋進(jìn)旋渦流量計(jì)準(zhǔn)確度等級(jí)和重復(fù)性要求的標(biāo)準(zhǔn)主要有SY/T 6658-2006、JJG 1121-2015和GB/T 36241-2018，要求分別如表2所列[3-8]。

表2 旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的誤差和重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)流量計(jì)準(zhǔn)確度等級(jí)工況累計(jì)體積流量最大允許誤差qt≤q≤qmaxqmin≤q≤qt重復(fù)性JJG 1121-2015和GB/T 36241-20181.0級(jí)±1.0%±2.0%1.5級(jí)±1.5%±3.0%2.0級(jí)±2.0%±4.0%2.5級(jí)±2.5%±5.0%不得超過(guò)工況累計(jì)體積流量最大允許誤差絕對(duì)值的1/3SY/T 6658-20061.0級(jí)±1.0%≤0.33%1.5級(jí)±1.5%≤0.50%2.0級(jí)±2.0%≤0.67% 注:1.分界流量qt對(duì)應(yīng)的流量≤0.2qmax。2.GB/T 36241-2018允許不按照分界流量qt對(duì)流量計(jì)的最大允許誤差和重復(fù)性進(jìn)行區(qū)分。

從表2可以看出，相比SY/T 6658-2006而言，JJG 1121-2015和GB/T 36241-2018增加了準(zhǔn)確度等級(jí)2.5級(jí)的設(shè)置，并引入了分界流量qt將旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的流量范圍分為兩個(gè)區(qū)間，將流量計(jì)的最大允許誤差和重復(fù)性根據(jù)區(qū)間的不同分別進(jìn)行了要求。成都分站的長(zhǎng)期檢定經(jīng)驗(yàn)表明，旋進(jìn)旋渦流量計(jì)在分界流量qt以下和qt以上的測(cè)量性能有明顯差距。因此，有必要以分界流量qt為界對(duì)流量計(jì)的最大允許誤差和重復(fù)性作出不同要求，才符合流量計(jì)的實(shí)際性能特征。

3 實(shí)流校準(zhǔn)要求

流量計(jì)的實(shí)流校準(zhǔn)關(guān)系到流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)的計(jì)量性能，各標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于實(shí)流校準(zhǔn)的要求如表3所列[3-9,11]。

從表3可以看出，SY/T 6658-2006與其他標(biāo)準(zhǔn)主要在標(biāo)準(zhǔn)裝置技術(shù)要求、校準(zhǔn)流量點(diǎn)的布置，以及流量調(diào)節(jié)要求方面存在差異?？紤]到我國(guó)在進(jìn)行流量計(jì)檢定或校準(zhǔn)時(shí)，主要依據(jù)為國(guó)家檢定規(guī)程，因此在SY/T 6658-2006修訂時(shí)，應(yīng)確保技術(shù)條款與國(guó)家檢定規(guī)程基本一致，避免各標(biāo)準(zhǔn)之間互不兼容。

4 智能流量計(jì)基本功能

智能流量計(jì)具備的功能主要是指流量計(jì)的流量積算、信號(hào)顯示和輸出、通信方式及儀表系數(shù)修正方法等，各標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于智能流量計(jì)的功能要求如表4所列[3-9,11]。

表3 實(shí)流校準(zhǔn)要求標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)標(biāo)準(zhǔn)裝置技術(shù)要求實(shí)流校準(zhǔn)流量點(diǎn)測(cè)試次數(shù)及時(shí)間流量調(diào)節(jié)要求SY/T 6658-2006不確定度優(yōu)于被校流量計(jì)不確定度的1/2qmax、0.7qmax、0.4qmax、0.25qmax、0.15qmax、0.07qmax、qmin6次,每次不小于60 s不超出設(shè)定流量點(diǎn)±5%JJG 1121-2015GB/T 36241-2018不確定度優(yōu)于被校流量計(jì)不確定度的1/3qmax、0.5qmax、qt、qmin3次,未要求時(shí)間qmin、qt和qmax應(yīng)分別控制在(1～1.1)qmin、(1～1.1)qt和(0.9～1)qmax內(nèi),其他流量點(diǎn)應(yīng)不超出±5%出廠(chǎng)檢驗(yàn)為qmax、0.5qmax、0.2qmax(或qt)、qmin;型式檢驗(yàn)為qmax、0.4qmax、0.2qmax(或qt)、0.15qmax、qmin6次,未要求時(shí)間分界流量點(diǎn)應(yīng)處于(1～1.1)qt內(nèi),其余流量點(diǎn)不超出±5%ISO/TR 12764:2017和API MPMS 14.12:2017僅建議進(jìn)行實(shí)流校準(zhǔn)獲得流量計(jì)儀表系數(shù)K值,未進(jìn)行其他要求

表4 智能旋進(jìn)旋渦流量計(jì)的功能要求標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)流量積算信號(hào)顯示和輸出通信方式儀表系數(shù)修正方法SY/T 6658-2006集成溫度壓力自動(dòng)采集功能,實(shí)時(shí)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)體積流量和天然氣壓縮因子壓力、溫度、瞬時(shí)體積流量和累計(jì)流量未具體要求單一K系數(shù)修正JJG 1121-2015集成溫度、壓力傳感器和流量積算儀工況和標(biāo)況流量未要求未要求GB/T 36241-2018修正型流量計(jì)要求集成有溫度、壓力傳感器,具有體積修正功能未要求4～20 mA、脈沖輸出可根據(jù)分界流量分別計(jì)算K系數(shù)ISO/TR 12764:2017集成壓力溫度自動(dòng)采集功能,實(shí)時(shí)計(jì)算能量流量和體積流量等壓力、溫度、瞬時(shí)和累計(jì)體積流量、能量/發(fā)熱量、報(bào)警和實(shí)時(shí)狀態(tài)4～20 mA、數(shù)字輸出、脈沖輸出等單一K系數(shù)修正API MPMS 14.12:2017未要求未要求4～20 mA或1～5 VDC、數(shù)字輸出、脈沖輸出等單一K系數(shù)修正

從表4可以看出，SY/T 6658-2006、JJG 1121-2015和GB/T 36241-2018在智能流量計(jì)基本功能方面總體要求相近，API MPMS 14.12：2017僅要求了最基本的通信方式，而ISO/TR 12764：2017在流量積算方面增加了實(shí)時(shí)計(jì)算能量流量功能，在信號(hào)顯示和輸出功能要求方面，增加了能量/發(fā)熱量的功能。

當(dāng)前，我國(guó)正處于從體積計(jì)量到能量計(jì)量方式轉(zhuǎn)變的過(guò)渡時(shí)期，在流量計(jì)的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)中增加能量計(jì)量的功能將更加有助于能量計(jì)量的實(shí)施。另外，在流量計(jì)通信方式功能要求方面，4～20 mA、數(shù)字輸出、脈沖輸出等通信方式是ISO/TR 12764: 2017相比其1997版增加的內(nèi)容，這些通信方式也屬于當(dāng)前市場(chǎng)上應(yīng)用較為廣泛的通信方式之一。而隨著電子信息技術(shù)的提高，其他如超聲流量計(jì)等都具備單一K系數(shù)修正和多點(diǎn)K系數(shù)或示值誤差修正功能，考慮到流量計(jì)各流量點(diǎn)測(cè)試的K系數(shù)可能存在線(xiàn)性度較差的情況，有必要補(bǔ)充多點(diǎn)K系數(shù)或示值誤差修正方式以確保流量計(jì)在不同流量點(diǎn)計(jì)量時(shí)性能的準(zhǔn)確可靠。

5 結(jié)論和建議

通過(guò)國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)標(biāo)和試驗(yàn)研究，表明SY/T 6658-2006《用旋進(jìn)旋渦流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》在工藝安裝、準(zhǔn)確度等級(jí)和重復(fù)性、實(shí)流校準(zhǔn)、智能流量計(jì)基本功能等方面的要求需要增補(bǔ)和改進(jìn)，建議及時(shí)修訂，以更好地指導(dǎo)流量計(jì)的科學(xué)應(yīng)用。

(1) 在工藝安裝要求方面，漸縮管后加5D直管段、彎管后加10D直管段產(chǎn)生的擾流對(duì)旋進(jìn)旋渦流量計(jì)性能的影響可以忽略?？紤]到不同廠(chǎng)家、不同擾流工藝條件下流量計(jì)的直管段要求存在差異，建議修訂SY/T 6658-2006時(shí)補(bǔ)充有關(guān)擾流測(cè)試要求的條款。

(2) 在準(zhǔn)確度等級(jí)和重復(fù)性要求方面，建議修訂SY/T 6658-2006時(shí)增加2.5級(jí)準(zhǔn)確度等級(jí)的劃分，并以分界流量qt為界對(duì)流量計(jì)的準(zhǔn)確度和重復(fù)性指標(biāo)分別進(jìn)行要求。

(3) 在實(shí)流校準(zhǔn)要求方面，建議修訂SY/T 6658-2006時(shí)與JJG 1121-2015和GB/T 36241-2018在標(biāo)準(zhǔn)裝置技術(shù)要求、實(shí)流校準(zhǔn)流量點(diǎn)、測(cè)試次數(shù)及時(shí)間，以及流量調(diào)節(jié)要求等方面進(jìn)行統(tǒng)一。

(4) 在智能流量計(jì)具備的功能方面，建議修訂SY/T 6658-2006時(shí)增加能量計(jì)量的基本功能要求，明確4～20 mA、數(shù)字輸出、脈沖輸出等通信方式，補(bǔ)充多點(diǎn)K系數(shù)或示值誤差修正方式來(lái)提高流量計(jì)的全量程范圍修正效果。