何 飛 陳 琦，2 王 輝，2 丘逢春，2

(1.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院 2.國家石油天然氣大流量計(jì)量站成都分站)

天然氣流量量傳溯源是將基本物理量國家基準(zhǔn)值逐級傳遞到現(xiàn)場流量計(jì)量器具的必要手段，是保證現(xiàn)場天然氣貿(mào)易計(jì)量準(zhǔn)確、可靠的關(guān)鍵[1]。為實(shí)現(xiàn)國內(nèi)天然氣流量量值統(tǒng)一、國際天然氣流量檢測數(shù)據(jù)互認(rèn)，滿足國際國內(nèi)天然氣貿(mào)易計(jì)量的需求，國家石油天然氣大流量計(jì)量站成都分站(以下簡稱成都分站)經(jīng)國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局授權(quán)，在全國范圍內(nèi)開展了中低壓天然氣流量計(jì)的量值傳遞工作[2]，其新建的組合渦輪氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置(以下簡稱標(biāo)準(zhǔn)裝置)于2012年6月建成，標(biāo)準(zhǔn)裝置的流量范圍為16～8 000 m3/h，設(shè)計(jì)壓力為1.3～6.0 MPa。

1 標(biāo)準(zhǔn)裝置簡介

該套標(biāo)準(zhǔn)裝置分大流量檢測單元和小流量檢測單元。大流量檢測單元包括流量壓力流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)、由2臺超聲流量計(jì)組成的流量核查標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)(編號為FT0401、FT0402)、5臺DN200渦輪流量計(jì)組成的流量檢測工作標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)(編號為FT0410、FT0411、FT0412、FT0413、FT0414)和3個被檢表臺位。小流量檢測單元包括流量壓力流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)、由2臺超聲流量計(jì)組成的流量核查標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)(編號為FT0403、FT0404)、5臺渦輪流量計(jì)組成的流量檢測工作標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)(編號為FT0405、FT0406、FT0407、FT0408、FT0409，其中FT0405口徑為DN80，其他口徑為DN100)和3個被檢表臺位。另外，還有一條小流量檢測單元渦輪標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)與大流量檢測單元被檢臺位聯(lián)通管路。標(biāo)準(zhǔn)裝置的流量檢測系統(tǒng)流程圖見圖1。

2 標(biāo)準(zhǔn)裝置性能測試與應(yīng)用

2.1 基本性能測試

(1) 單臺渦輪標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)溯源。對標(biāo)準(zhǔn)裝置的主標(biāo)準(zhǔn)器——渦輪流量計(jì)(德國Pigsar)進(jìn)行了校準(zhǔn)。在投入使用前，在成都分站用臨界流文丘里噴嘴流量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行了校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)果與德國Pigsar的校準(zhǔn)結(jié)果基本一致(見圖2、圖3),測試結(jié)果的復(fù)現(xiàn)性均優(yōu)于0.20%，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

(2) 標(biāo)準(zhǔn)裝置工藝系統(tǒng)氣密性檢查。成都分站天然氣流量檢測評價系統(tǒng)專門設(shè)計(jì)了系統(tǒng)泄漏測試功能，用來檢查各段工藝系統(tǒng)內(nèi)漏是否在可接受的范圍內(nèi)。根據(jù)JJF 1240-2010《臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)規(guī)范》[3-4]，要求工藝管段內(nèi)5 min壓力變化小于0.1%，確認(rèn)內(nèi)漏影響可忽略后，方能開始正式實(shí)驗(yàn)。

(3) 壓力、溫度、組分等輔助計(jì)量器具現(xiàn)場檢定校準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)裝置配套的壓力、溫度計(jì)量器具均在現(xiàn)場用0.005級壓力標(biāo)準(zhǔn)器和二等溫度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn)，壓力示值誤差均小于1 kPa，溫度誤差小于0.1 ℃。天然氣組成在線分析系統(tǒng)經(jīng)檢定合格，每天檢測前用二級標(biāo)準(zhǔn)氣進(jìn)行校正，其密度測定的不確定度優(yōu)于0.1%。

2.2 計(jì)量性能測試

2.2.1測量結(jié)果重復(fù)性與穩(wěn)定性

大流量檢測單元DN200渦輪標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)以DN300超聲流量計(jì)為被檢表，分別在5個流量點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)性與穩(wěn)定性測試。小流量檢測單元DN100渦輪標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)以DN100超聲流量計(jì)為被檢表，分別以2臺渦輪各3個流量點(diǎn)和2臺渦輪組合1個流量點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)性與穩(wěn)定性測試。DN80渦輪標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)以1臺DN80超聲流量計(jì)為被檢表，在4個流量點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)性與穩(wěn)定性測試，測試結(jié)果見圖4～圖6。

測試結(jié)果表明:

(1) 大流量檢測單元DN200渦輪標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)在5個流量點(diǎn)測量結(jié)果的重復(fù)性均小于0.05%。7 300 m3/h、5 600 m3/h 、3 200 m3/h、2 000 m3/h 4個流量點(diǎn)的測試結(jié)果的穩(wěn)定性(變化量)均在±0.20%以內(nèi)；800 m3/h流量點(diǎn)的測試結(jié)果的穩(wěn)定性(變化量)均小于±0.30%。

(2) 小流量檢測單元DN100渦輪標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)在560 m3/h、320 m3/h流量點(diǎn)測試結(jié)果的重復(fù)性均小于0.04%，測試結(jié)果的穩(wěn)定性(變化量)均小于±0.20%；66 m3/h流量點(diǎn)的測試結(jié)果的重復(fù)性小于0.05%，測試結(jié)果的穩(wěn)定性(變化量)小于±0.30%。

(3) 小流量檢測單元DN80渦輪標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)在120 m3/h、66 m3/h 、32 m3/h 、16 m3/h流量點(diǎn)測試結(jié)果的重復(fù)性均小于0.04%，測試結(jié)果的穩(wěn)定性(變化量)均小于±0.30%。

(4) 標(biāo)準(zhǔn)裝置測量結(jié)果的重復(fù)性優(yōu)于0.10%，穩(wěn)定性優(yōu)于0.30%，符合不確定度 0.33%氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的要求。

2.2.2測量結(jié)果復(fù)現(xiàn)性

(1) 相同檢測單元不同渦輪工作標(biāo)準(zhǔn)測量結(jié)果的復(fù)現(xiàn)性。

大、小流量檢測單元不同渦輪工作標(biāo)準(zhǔn)單臺測量結(jié)果的復(fù)現(xiàn)性和組合渦輪工作標(biāo)準(zhǔn)測量結(jié)果的復(fù)現(xiàn)性測試結(jié)果見表1、表2和表3。

表1 大流量檢測單元不同渦輪流量計(jì)在不同流量點(diǎn)測試結(jié)果的復(fù)現(xiàn)性

表2 小流量檢測單元不同渦輪流量計(jì)在不同流量點(diǎn)測試結(jié)果的復(fù)現(xiàn)性

表3 小流量檢測單元組合渦輪流量計(jì)與單臺渦輪流量計(jì)測試結(jié)果的復(fù)現(xiàn)性

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果的復(fù)現(xiàn)性均小于0.30%，證實(shí)標(biāo)準(zhǔn)裝置檢測結(jié)果的復(fù)現(xiàn)性符合不確定度優(yōu)于0.33%氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的要求。

(2) 不同檢測單元標(biāo)準(zhǔn)表對同一被檢表檢測結(jié)果的復(fù)現(xiàn)性。

大流量檢測單元可檢測口徑為DN200及以上流量計(jì)，由于大流量渦輪流量計(jì)口徑均為DN200，其分界流量為320 m3/h，即該流量點(diǎn)為大流量檢測單元的渦輪標(biāo)準(zhǔn)測量不確定度優(yōu)于0.30%的最小流量點(diǎn)。為確保該單元小流量點(diǎn)的檢測質(zhì)量，標(biāo)準(zhǔn)裝置工藝系統(tǒng)專門設(shè)計(jì)了一條DN80的聯(lián)通管道，聯(lián)通小流量檢測單元的標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)與大流量檢測單元的被檢流量計(jì)。大流量檢測單元被檢流量計(jì)的小流量點(diǎn)既可使用本單元的渦輪標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)，也可使用小流量區(qū)的渦輪標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)。

選擇320 m3/h 流量點(diǎn)，分別用大流量檢測單元DN200渦輪和小流量檢測單元DN100渦輪作為標(biāo)準(zhǔn)表，以大流量檢測單元DN300超聲流量計(jì)作為被檢表，進(jìn)行不同檢測單元標(biāo)準(zhǔn)表檢測結(jié)果復(fù)現(xiàn)性測試，測試結(jié)果見表4。測試結(jié)果表明， 在320 m3/h流量點(diǎn)，大、小流量檢測單元的渦輪標(biāo)準(zhǔn)檢測結(jié)果的復(fù)現(xiàn)性均小于0.33%，均能滿足1.0級流量計(jì)的檢定要求。

表4 不同檢測單元標(biāo)準(zhǔn)表320 m3/h流量點(diǎn)檢測結(jié)果復(fù)現(xiàn)性

2.2.3標(biāo)準(zhǔn)裝置檢測結(jié)果準(zhǔn)確度驗(yàn)證

以1臺DN250的超聲流量計(jì)和1臺DN100超聲流量計(jì)為樣品，分別用標(biāo)準(zhǔn)裝置大流量檢測單元和小流量檢測單元進(jìn)行測試，測試結(jié)果與樣品在德國Pigsar的測試結(jié)果進(jìn)行比對，比對數(shù)據(jù)見圖7和圖8。證實(shí)標(biāo)準(zhǔn)裝置的測量結(jié)果與德國Pigsar流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的測量結(jié)果是一致的，標(biāo)準(zhǔn)裝置測量結(jié)果得到驗(yàn)證。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)裝置測量質(zhì)量過程控制

2.3.1超聲流量計(jì)實(shí)時核查功能測試

在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)裝置重復(fù)性與穩(wěn)定性測試實(shí)驗(yàn)時，同時采集了核查超聲流量計(jì)的計(jì)量數(shù)據(jù)。大流量檢測單元的核查超聲流量計(jì)FT0404(DN200)的分界流量為367 m3/h，F(xiàn)T0403(DN250)的分界流量為572 m3/h。小流量檢測單元的核查超聲流量計(jì)FT0401(DN100)的分界流量為97 m3/h，F(xiàn)T0402(DN150)的分界流量為221 m3/h，部分?jǐn)?shù)據(jù)分析圖見圖9至圖11。

分析以上數(shù)據(jù)可得，大流量檢測單元的5個流量點(diǎn)均在分界流量點(diǎn)以上。2 000 m3/h以上的4個流量點(diǎn)，渦輪標(biāo)準(zhǔn)流與核查超聲流量計(jì)比較結(jié)果的變化量均小于±0.20%；800 m3/h流量點(diǎn)渦輪與超聲核查結(jié)果的變化量均小±0.25%。小流量檢測單元DN100組合渦輪工作標(biāo)準(zhǔn)560 m3/h、320m3/h流量點(diǎn)，僅1次核查結(jié)果的變化量為0.34%，其余均小于等于±0.30%。

2.3.2溫度穩(wěn)定性對小流量檢測結(jié)果的影響分析及測量過程控制

在小流量點(diǎn)檢測時，由于氣體流速小，測試段溫度變化會對標(biāo)準(zhǔn)裝置檢測結(jié)果帶來一定影響。為此，進(jìn)行了溫度波動對小流量點(diǎn)檢測質(zhì)量的影響分析，以制定合理的檢測質(zhì)量過程控制方案。

以小流量檢測單元穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)(其中120 m3/h流量點(diǎn)為小流量檢測單元標(biāo)準(zhǔn)表，檢測大流量檢測單元被檢表)，分析標(biāo)準(zhǔn)表與被檢表溫度差，以及標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表在單次數(shù)據(jù)采集時溫度穩(wěn)定性對檢測結(jié)果的影響。小流量檢測單元小流量點(diǎn)分析結(jié)果詳見圖12和圖13。

經(jīng)分析確定，單次采數(shù)時標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表的溫度差應(yīng)控制在1.0 ℃以內(nèi)，小流量點(diǎn)檢測數(shù)據(jù)采集時，溫度波動應(yīng)控制在0.1 ℃以內(nèi)。

3 測試結(jié)論

(1) 標(biāo)準(zhǔn)裝置的流量范圍為16～8 000 m3/h，設(shè)計(jì)壓力為1.3～6.0 MPa，標(biāo)準(zhǔn)裝置測量結(jié)果不確定度優(yōu)于0.33%。

(2) 標(biāo)準(zhǔn)裝置測量結(jié)果的穩(wěn)定性優(yōu)于0.30%，重復(fù)性優(yōu)于0.10%，能滿足準(zhǔn)確度為1級氣體流量計(jì)的檢定要求；滿足測量不確定度為0.5%的氣體流量計(jì)的校準(zhǔn)要求。

(3) 在進(jìn)行大流量檢測單元小于320 m3/h的流量點(diǎn)檢測時，應(yīng)根據(jù)被檢流量計(jì)對檢定對標(biāo)準(zhǔn)裝置不確定度的要求，科學(xué)合理地選擇渦輪標(biāo)準(zhǔn)，以確保檢測結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。

(4) 小流量點(diǎn)檢測時，需要注意標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表的溫度差及溫度穩(wěn)定性的影響，標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表處的溫度波動應(yīng)控制在0.1 ℃以內(nèi)，以確保測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

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