郭 亮

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 唐山 063200）

0 引言

在能源計(jì)量學(xué)科領(lǐng)域中，周期檢定和周期校準(zhǔn)，是確保能源計(jì)量器具的性能優(yōu)良和測量結(jié)果準(zhǔn)確的必要手段，也是確保能源計(jì)量器具滿足法定要求的唯一途徑。企業(yè)在能源計(jì)量管理工作中，除按照國家和地方法律法規(guī)要求，確保分級分類配備能源計(jì)量器具，更重要的一項(xiàng)工作，就是確保能源計(jì)量器具能夠按照一定周期，進(jìn)行檢定或校準(zhǔn)，確保能源計(jì)量器具性能優(yōu)良和計(jì)量數(shù)據(jù)結(jié)果準(zhǔn)確，能夠滿足法定計(jì)量要求和工藝計(jì)量要求[1]。

1 研究背景與研究價(jià)值

鋼鐵行業(yè)作為傳統(tǒng)制造類行業(yè)中的典型代表，能源消耗量和節(jié)能潛力同樣巨大，隨著企業(yè)發(fā)展，能源計(jì)量管理工作尤其是計(jì)量器具檢校準(zhǔn)工作的壓力與需求也與日俱增。當(dāng)前，國內(nèi)大部分鋼鐵行業(yè)在用能單位和次級用能單位一級，能源計(jì)量器具配備已基本滿足國家法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)文件要求，但能源計(jì)量器具的周期檢定和校準(zhǔn)工作，卻普遍存在不同程度的缺失和瓶頸。

鋼鐵行業(yè)中廣泛使用的能源計(jì)量器具，普遍通過管段式或法蘭式的安裝方式，完成與被測介質(zhì)管道的連接，例如孔板、噴嘴、V型錐等，這類計(jì)量器具安裝方便且成本低廉，適合大量安裝使用，但也存在相應(yīng)的技術(shù)缺陷，即一旦投入使用，除非將管道中的被測介質(zhì)排空，否則其一次裝置（傳感器）無法安裝位置拆除。一般來說，企業(yè)需要在產(chǎn)線大修完全停產(chǎn)時(shí)，才能安排停止供能，然后拆除一次裝置送至標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室完成檢定或校準(zhǔn)，完成后送回現(xiàn)場，回裝并恢復(fù)供能。完成上述過程有3個(gè)難點(diǎn)：1）全停產(chǎn)檢修機(jī)會(huì)極少，難以保證每條產(chǎn)線配備的能源計(jì)量器具都能夠在有效周期內(nèi)得到拆卸送檢的機(jī)會(huì)。2）外送檢定或校準(zhǔn)耗時(shí)較長，現(xiàn)場產(chǎn)線即使有停產(chǎn)檢修機(jī)會(huì)，時(shí)間也不足以支持拆卸送檢。3）往返途中還會(huì)產(chǎn)生不菲的物流運(yùn)輸費(fèi)用和隨行監(jiān)裝人員的差旅食宿費(fèi)用。綜上所述，傳統(tǒng)的外送檢定/校準(zhǔn)模式，難以在鋼鐵行業(yè)正常生產(chǎn)運(yùn)行的前提下廣泛推廣實(shí)施。

因此對鋼鐵行業(yè)來說，如果能夠通過技術(shù)手段，不需要將傳感器從管道中拆卸，不需要產(chǎn)線停產(chǎn)檢修或停止供能，在能源計(jì)量器具安裝運(yùn)行現(xiàn)場即可在線進(jìn)行檢定或校準(zhǔn)，將極大地降低企業(yè)能源計(jì)量管理的各方面成本，調(diào)動(dòng)企業(yè)進(jìn)一步開展能源計(jì)量器具周期檢定校準(zhǔn)工作的積極性，提高企業(yè)能源計(jì)量管理水平，促進(jìn)企業(yè)節(jié)能減排工作有效推進(jìn)。

2 在線校準(zhǔn)技術(shù)

氣體計(jì)量器具通常由一次裝置（傳感器）和二次裝置（轉(zhuǎn)換器）組成，搭配壓力傳感器和溫度傳感器作為補(bǔ)償裝置，共同構(gòu)成整套設(shè)備[2]。對氣體計(jì)量器具進(jìn)行在線校準(zhǔn)，需要在計(jì)量器具安裝位置的附近，部署在線校準(zhǔn)裝置，對同一位置的管道內(nèi)氣體流量進(jìn)行測量，并與現(xiàn)場安裝運(yùn)行的計(jì)量器具進(jìn)行比對，通過多次測量得到的原始數(shù)據(jù)，計(jì)算出被校準(zhǔn)計(jì)量器具的綜合不確定度。

在線校準(zhǔn)裝置同樣由一次裝置和二次裝置組成。一次裝置包括測量管和各種傳感部件（如溫度、壓力、密度、流速、差壓、聲速、轉(zhuǎn)速等傳感器）等，傳感部件可安裝于管道內(nèi)部或外部。二次裝置接收來自一次裝置的檢測信號，并分析、轉(zhuǎn)換和（或）傳送該信號、顯示、記錄，以得到流量值。

利用企業(yè)現(xiàn)場供能管道，將標(biāo)準(zhǔn)表與被校準(zhǔn)計(jì)量器具串聯(lián)，通過對比標(biāo)準(zhǔn)表與被校準(zhǔn)計(jì)量器具的流量示值（瞬時(shí)值或累計(jì)值），從而確定被校準(zhǔn)計(jì)量器具的在線示值誤差以及計(jì)量器具的修正系數(shù)[3]。

為達(dá)到上述目的，需要使用插入式傳感器作為在線校準(zhǔn)裝置的一次裝置，在被測計(jì)量器具附近的管道上，使用開孔設(shè)備在管壁上鉆取測孔，孔徑大小根據(jù)被測管道的實(shí)際管徑選取。開孔位置安裝阻斷閥，進(jìn)行在線校準(zhǔn)時(shí)打開阻斷閥安裝標(biāo)準(zhǔn)裝置，校準(zhǔn)完畢后取出標(biāo)準(zhǔn)裝置，將阻斷閥關(guān)閉，防止管道內(nèi)氣體介質(zhì)外泄。目前，鋼鐵行業(yè)中大部分氣體流量計(jì)量場景下，被測介質(zhì)都可以使用相應(yīng)技術(shù)設(shè)備實(shí)現(xiàn)不停氣前提下的在線開孔；而對于氫氣、氧氣等少數(shù)容易爆燃的被測介質(zhì)，可以等待檢修停氣時(shí)完成開孔作業(yè)。

3 在線校準(zhǔn)技術(shù)使用條件

3.1 環(huán)境條件

該文中論述的在線校準(zhǔn)技術(shù)在應(yīng)用時(shí)，環(huán)境條件一般應(yīng)滿足：1）環(huán)境溫度為-10℃～45℃；2）相對濕度為35%～95%；3）大氣壓力為86kPa～106kPa。4）被測介質(zhì)應(yīng)是封閉圓形管道內(nèi)的單相穩(wěn)定氣態(tài)流。5）電源應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)裝置在現(xiàn)場工況條件下使用的要求。6）場地滿足安全操作要求，被測計(jì)量器具如安裝在架空管廊上，應(yīng)有配套扶梯或直梯，應(yīng)有配套檢修操作平臺(tái)，操作平臺(tái)空間應(yīng)足夠容納兩人以上的作業(yè)人員和部署標(biāo)準(zhǔn)裝置所需要的空間。7）外界磁場應(yīng)小到對在線校準(zhǔn)裝置和被校準(zhǔn)計(jì)量器具的影響可忽略不計(jì)。8）振動(dòng)和噪聲應(yīng)小到對在線校準(zhǔn)裝置和被校準(zhǔn)流量計(jì)的影響可忽略不計(jì)。

3.2 被校準(zhǔn)計(jì)量器具

該文中論述的在線校準(zhǔn)技術(shù)在應(yīng)用時(shí)，被校準(zhǔn)計(jì)量器具應(yīng)滿足以下條件：1）被校準(zhǔn)計(jì)量器具應(yīng)滿足GB 17167—2006的要求[1]。2）被校準(zhǔn)計(jì)量器具安裝與使用應(yīng)滿足其產(chǎn)品說明書的要求。3）被校準(zhǔn)計(jì)量器具應(yīng)有前一個(gè)周期的檢定或校準(zhǔn)證書，或首次檢定或校準(zhǔn)時(shí)的有效證書。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)表

該文中論述的在線校準(zhǔn)技術(shù)在應(yīng)用時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)表應(yīng)滿足以下條件：1）標(biāo)準(zhǔn)表的選擇。作為在線校準(zhǔn)裝置的標(biāo)準(zhǔn)表，應(yīng)選擇重復(fù)性和修正系數(shù)穩(wěn)定性滿足如下要求的便攜式在線安裝巴類流量計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)表的重復(fù)性驗(yàn)證方法：在常用的管道范圍內(nèi)固定選擇一個(gè)管道口徑進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，每次試驗(yàn)在該管道上做4個(gè)流量點(diǎn)的測試；具體流速分別為5.0m/s、10.0m/s、15.0m/s、2.0m/s；亦可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需要增加流速點(diǎn)，各流速點(diǎn)重復(fù)測試3次。計(jì)算各流量點(diǎn)的重復(fù)性，最大不得超過0.20% 。修正系數(shù)穩(wěn)定性驗(yàn)證方法：重復(fù)性滿足要求的標(biāo)準(zhǔn)表，初次使用的第一年至少要進(jìn)行不少于3次的修正系數(shù)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，相鄰2次實(shí)驗(yàn)的修正系數(shù)變化不得大于0.25% 。在此后的使用中，要關(guān)注相鄰2次校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)表的系數(shù)變化，超過0.25%時(shí)，應(yīng)縮短復(fù)校間隔。2） 標(biāo)準(zhǔn)表的校準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)表的量值應(yīng)溯源至計(jì)量基準(zhǔn)或社會(huì)公用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)；標(biāo)準(zhǔn)表及主要配套設(shè)備均應(yīng)獲取有效的檢定或校準(zhǔn)證書[1]。標(biāo)準(zhǔn)表的校準(zhǔn)口徑以及在何種口徑上校準(zhǔn)，應(yīng)根據(jù)被測計(jì)量器具的實(shí)際情況決定。另外，標(biāo)準(zhǔn)表還應(yīng)在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)裝置上完成定口徑、定雷諾數(shù)狀態(tài)下的流出系數(shù)校準(zhǔn)。由于便攜式在線安裝巴類流量計(jì)可以在不同口徑的管道上對流量進(jìn)行測量，實(shí)驗(yàn)證明在不同口徑上便攜式在線安裝巴類流量計(jì)的儀表系數(shù)有區(qū)別，因此檢測時(shí)使用的儀表系數(shù)應(yīng)采用統(tǒng)一系列管道口徑上測得的儀表系數(shù)。實(shí)驗(yàn)證明便攜式在線安裝巴類流量計(jì)在相同口徑不同流速的前提下，儀表系數(shù)線性誤差基本在0.5%以內(nèi)，而其同一個(gè)流速點(diǎn)的重復(fù)性基本在0.10%以內(nèi)，而在線校準(zhǔn)都是在固定流速情況下使用的，因此便攜式在線安裝巴類流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表使用時(shí)，應(yīng)該采用定口徑定流速的方法進(jìn)行校準(zhǔn)。

推薦的標(biāo)準(zhǔn)表校準(zhǔn)流速點(diǎn)為5.0m/s、10.0m/s、15.0m/s、20.0 m/s；根據(jù)被校準(zhǔn)計(jì)量器具的實(shí)際情況，可增加或刪減校準(zhǔn)流速點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)表校準(zhǔn)流速點(diǎn)與在線校準(zhǔn)實(shí)際流速相差不得大于0.25 m/s。3）標(biāo)準(zhǔn)表的流出系數(shù)（流量系數(shù)）不確定度應(yīng)優(yōu)于 0.2%。4）標(biāo)準(zhǔn)表測量的管道內(nèi)徑、材質(zhì)、壁厚、襯里材質(zhì)及其厚度，以及測量介質(zhì)類型、介質(zhì)溫度、介質(zhì)壓力等都應(yīng)該在標(biāo)準(zhǔn)表說明書規(guī)定的范圍之內(nèi)。

4 標(biāo)準(zhǔn)管段

該文中論述的在線校準(zhǔn)技術(shù)在應(yīng)用時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)管段的選擇應(yīng)滿足以下條件：1）推薦在被校準(zhǔn)流量計(jì)的上游或下游合適位置安裝一段幾何尺寸已知的管段作為標(biāo)準(zhǔn)管段。2）標(biāo)準(zhǔn)管段可以是一段專門定制的串聯(lián)在流量計(jì)管道上的碳鋼或不銹鋼短節(jié)，其長度不小于被校準(zhǔn)流量計(jì)管道公稱直徑的15倍。3）標(biāo)準(zhǔn)管段也可以是在流量計(jì)管道上選定的流場條件和管道內(nèi)徑尺寸都能滿足標(biāo)準(zhǔn)表要求的一段直管。 4）標(biāo)準(zhǔn)管段的位置應(yīng)以上下游直管段長度盡量長的原則選定，應(yīng)選擇水平管道或上升管道作為標(biāo)準(zhǔn)管段的安裝位置。5）標(biāo)準(zhǔn)管段位置應(yīng)確保沒有液體集聚的情況，最好是沒有電磁干擾和振動(dòng)干擾的位置。6）標(biāo)準(zhǔn)管道的焊縫應(yīng)避開標(biāo)準(zhǔn)表變送器的安裝位置。7）利用現(xiàn)場管道作為標(biāo)準(zhǔn)表安裝位置的標(biāo)準(zhǔn)管段，要現(xiàn)場實(shí)測管道內(nèi)徑與壁厚。8）應(yīng)優(yōu)先選擇不帶襯里的管道作為標(biāo)準(zhǔn)管段，如無法避開，襯里材質(zhì)與厚度 必須準(zhǔn)確已知。9）對于常見的阻力件的上下游直管段長度，泵、閥門、變徑管、三通的上游直管段應(yīng)至少滿足7倍管徑距離，下游直管段應(yīng)至少滿足3倍管徑距離，彎頭的上游直管段應(yīng)至少滿足5倍管徑距離，下游直管段應(yīng)至少滿足2倍管徑距離。

5 其他設(shè)備

該文中論述的在線校準(zhǔn)技術(shù)在應(yīng)用時(shí)，可能需要使用的其他輔助設(shè)備應(yīng)滿足以下條件：1）用于測量管道尺寸與壁厚的計(jì)量器具應(yīng)有有效的檢定或校準(zhǔn)證書。2）管道外徑測量推薦使用π尺，壁厚測量推薦使用測厚儀。

6 在線校準(zhǔn)項(xiàng)目和校準(zhǔn)方法

進(jìn)行在線校準(zhǔn)時(shí)需要執(zhí)行的校準(zhǔn)項(xiàng)目包括流量計(jì)在線示值誤差校準(zhǔn)，確定流量計(jì)的修正系數(shù)。

進(jìn)行在線校準(zhǔn)的方法和步驟如下：1）一般檢查。首先需要對被校準(zhǔn)計(jì)量器具進(jìn)行以下一般性檢查。檢查流量計(jì)轉(zhuǎn)換器中輸入的關(guān)鍵參數(shù)是否正確。觀察并記錄流量計(jì)當(dāng)前的工作流量（流速）。檢查標(biāo)準(zhǔn)表的內(nèi)置儀表系數(shù)，應(yīng)是與被校準(zhǔn)流量計(jì)口徑與流速相吻合的儀表系數(shù)。2）標(biāo)準(zhǔn)表的安裝位置選擇與測量管道的測量如上文所述。3）校準(zhǔn)流量點(diǎn)。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況與確定校準(zhǔn)流量點(diǎn)，每個(gè)流量點(diǎn)一般校準(zhǔn)不少于3次。流量點(diǎn)一般選擇1～3個(gè)，現(xiàn)場無法調(diào)節(jié)流量時(shí)可采用在不同時(shí)段校準(zhǔn)的方法進(jìn)行不同流量點(diǎn)的校準(zhǔn)。4）在線示值誤差校準(zhǔn)。在線示值誤差校準(zhǔn)分瞬時(shí)流量法和累計(jì)流量法2種，當(dāng)現(xiàn)場流量波動(dòng)小于 3%時(shí)建議采用瞬時(shí)流量法，當(dāng)現(xiàn)場流量波動(dòng)大于3%時(shí)建議采用累積流量法；當(dāng)被校準(zhǔn)計(jì)量器具流量示值分辨率小于0.1%時(shí)只能采用累積流量法。每次校準(zhǔn)時(shí)，一般由2名校準(zhǔn)人員同時(shí)讀取并記錄被校準(zhǔn)計(jì)量器具和標(biāo)準(zhǔn)表的流量示值。

若采用瞬時(shí)流量法，則至少讀取30個(gè)瞬時(shí)流量數(shù)值，每次讀數(shù)間隔60s，之后在做平均值計(jì)算時(shí)允許按規(guī)則剔除讀數(shù)粗大誤差。以計(jì)算出的平均值作為該次測量的儀表示值。

若采用累積流量法，則應(yīng)讀取至少30min的流量累積值作為該次測量的儀表示值。校準(zhǔn)時(shí)讀取的儀表示值的分辨率應(yīng)大于0.05%。3次測量完成后分別計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)表和被校準(zhǔn)流量計(jì)的3次測量平均值作為該流量點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)流量值（Qs）i和流量計(jì)示值Qi。5）安全注意事項(xiàng)。現(xiàn)場作業(yè)時(shí)，需遵守有關(guān)安全管理規(guī)定，穿戴好勞保和安全防護(hù)用品，做好工作危害分析（JHA）和工作安全分析（JSA），確保作業(yè)安全。6）復(fù)校時(shí)間間隔。由于復(fù)校時(shí)間間隔的長短是由被校準(zhǔn)計(jì)量器具的使用狀況及其測量介質(zhì)性能等很多因素決定，因此可根據(jù)各地方法定計(jì)量監(jiān)督管理部門的規(guī)定和流量計(jì)實(shí)際工況，合理決定復(fù)校時(shí)間間隔，一般建議復(fù)校周期為 1～2年。

7 在線校準(zhǔn)結(jié)果的計(jì)算

7.1 在線示值誤差

流量點(diǎn)每次的在線測量示值誤差Eij按如下公式計(jì)算[2]：

式中：qij為第i流量點(diǎn)第j次校準(zhǔn)時(shí)的被校準(zhǔn)流量計(jì)示值（瞬時(shí)值或累積值）；（qs）ij為第i流量點(diǎn)第j次校準(zhǔn)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)表示值（瞬時(shí)值或累積值）。

取3次測量的在線示值誤差平均值作為該流量點(diǎn)的在線示值誤差Ei。

7.2 流量計(jì)在線修正系數(shù)

完成在線校準(zhǔn)后，當(dāng)流量點(diǎn)的在線示值誤差平均值Ei超過流量計(jì)的準(zhǔn)確度等級時(shí)，可通過計(jì)算新的在線修正系數(shù)來調(diào)整示值誤差。新修正系數(shù)按如下公式計(jì)算[2]：

式中：Ki：第i校準(zhǔn)點(diǎn)新在線修正系數(shù)；Ko：被校準(zhǔn)計(jì)量器具當(dāng)前修正系數(shù)；Qi：第i校準(zhǔn)點(diǎn)被校準(zhǔn)流量計(jì)的平均流量；（Qs）i：第i校準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)表的平均流量。

被校準(zhǔn)計(jì)量器具各流量點(diǎn)平均在線修正系數(shù)K按如下公式計(jì)算[2]：

式中：m為該校準(zhǔn)過程中實(shí)際測量的流量點(diǎn)數(shù)。

校準(zhǔn)后當(dāng)在線示值誤差平均值Ei不超過流量計(jì)準(zhǔn)確度等級時(shí)，則Ki=Ko。

7.3 重復(fù)性計(jì)算

被校準(zhǔn)計(jì)量器具每個(gè)流量點(diǎn)的重復(fù)性（Er）i按如下公式計(jì)算[2]：

式中：n為該校準(zhǔn)過程中對第i流量點(diǎn)的實(shí)際校準(zhǔn)次數(shù)。

取被校準(zhǔn)計(jì)量器具所有流量點(diǎn)的重復(fù)性最大值，作為被校準(zhǔn)計(jì)量器具的重復(fù)性Er。

當(dāng)重復(fù)性超出準(zhǔn)確度等級規(guī)定范圍時(shí)，必須在校準(zhǔn)證書中出示相關(guān)信息。

7.4 計(jì)算各流量點(diǎn)的擴(kuò)展不確定度

被校準(zhǔn)計(jì)量器具的擴(kuò)展不確定度按如下公式計(jì)算[4]：

式中：Ur為被校準(zhǔn)計(jì)量器具的擴(kuò)展不確定度；k為包含因子；ucr為合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

取所有流量點(diǎn)的擴(kuò)展不確定度最大值作為被校準(zhǔn)計(jì)量器具的擴(kuò)展不確定度。

8 在線校準(zhǔn)技術(shù)應(yīng)用

該文中所論述的技術(shù)方法，在國內(nèi)石油化工行業(yè)中，已有成規(guī)模的應(yīng)用實(shí)例，且在中國石油化工集團(tuán)公司內(nèi)部，已形成企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并發(fā)布實(shí)施。

在鋼鐵行業(yè)中，首鋼京唐公司作為行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)之一，率先與相關(guān)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室展開合作，利用自身現(xiàn)場工況場景積極開展技術(shù)驗(yàn)證，已先后在DN80至DN1600的不同管徑規(guī)模下，分別對煤氣、氮?dú)獾榷喾N不同能源介質(zhì)，完成了在線校準(zhǔn)的全過程和效果驗(yàn)證，校準(zhǔn)過程和結(jié)果符合法定計(jì)量監(jiān)督管理部門的技術(shù)要求和企業(yè)的計(jì)量管理要求。該技術(shù)方法目前已向中國合格評定國家認(rèn)可委員會(huì)申報(bào)CNAS建標(biāo)認(rèn)可。

9 結(jié)語

隨著我國工業(yè)化水平的不斷發(fā)展進(jìn)步，鋼鐵行業(yè)曾經(jīng)的粗放型管理模式正在逐漸向精細(xì)化管理模式轉(zhuǎn)變，對能源計(jì)量工作的認(rèn)識水平也在不斷提高，行業(yè)內(nèi)對能源計(jì)量器具周期檢定校準(zhǔn)方法的討論和思考開始逐漸活躍。該文所論述的技術(shù)方法，在產(chǎn)線正常生產(chǎn)的同時(shí)，對能源計(jì)量器具就地進(jìn)行校準(zhǔn)，完美契合鋼鐵行業(yè)自身的特點(diǎn)和需求，符合行業(yè)未來發(fā)展趨勢，對于其他生產(chǎn)制造類行業(yè)也極具推廣價(jià)值。