郭 亮

(大慶油田工程有限公司，大慶 163712)

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)只有國(guó)家石油天然氣大流量計(jì)量站及成都分站、南京分站三個(gè)國(guó)家級(jí)的天然氣計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)能對(duì)國(guó)內(nèi)的天然氣流量計(jì)開展實(shí)流檢定業(yè)務(wù)，難以滿足國(guó)內(nèi)天然氣流量計(jì)的實(shí)流檢定要求。為了節(jié)省投資，加快建設(shè)步伐，解決國(guó)內(nèi)天然氣流量計(jì)的實(shí)流檢定難題，按照國(guó)家質(zhì)檢總局及中石油對(duì)天然氣計(jì)量檢定站點(diǎn)的布局要求，大慶油田工程有限公司完成了北京采育天然氣計(jì)量檢定站工程設(shè)計(jì)。該檢定站于2012年12月獲得國(guó)家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核證書和社會(huì)公用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)證書，并被國(guó)家質(zhì)檢總局命名為“國(guó)家石油天然氣大流量計(jì)量站北京檢定點(diǎn)”(以下簡(jiǎn)稱北京檢定點(diǎn))；自2012年底以來，已檢定國(guó)內(nèi)各單位送檢的天然氣流量計(jì)280臺(tái)，滿足了國(guó)內(nèi)檢定急需。北京檢定點(diǎn)是國(guó)內(nèi)唯一的一套只建有天然氣流量工作標(biāo)準(zhǔn)的檢定站點(diǎn)，具有投資低、建設(shè)周期短、壓力高、流量大、準(zhǔn)確度高等特點(diǎn)。

1 工程設(shè)計(jì)

1.1 技術(shù)方案

通常，天然氣計(jì)量檢定站建有流量原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、工作標(biāo)準(zhǔn)，采用三級(jí)流量傳遞標(biāo)準(zhǔn)方式，具有建設(shè)規(guī)模大、投資高、時(shí)間長(zhǎng)、量值傳遞方便等特點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)已建成了成都分站和南京分站，這2個(gè)分站都建有流量原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、工作標(biāo)準(zhǔn)。而本工程采用只建有天然氣流量工作標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)方案，并配套有關(guān)工藝系統(tǒng)及輔助設(shè)施，在今后運(yùn)行中定期到南京分站的次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)上進(jìn)行量值溯源。

本工程采用直排方案，利用高低壓管網(wǎng)的壓力差，由高壓管線向低壓管線排氣，該方案不需要天然氣壓縮機(jī)進(jìn)行增壓，具有投資低、建設(shè)快、運(yùn)行費(fèi)用低等特點(diǎn)。

1.2 站場(chǎng)條件

通過對(duì)中石油北京天然氣管道有限公司所屬天然氣站場(chǎng)的篩選，選擇采育輸氣站(陜京二線末站)作為本工程的建設(shè)地點(diǎn)。在采育輸氣站內(nèi)有1塊預(yù)留區(qū)域(70m×30m)，上游來氣管線的設(shè)計(jì)壓力10MPa，輸氣壓力5～8MPa，設(shè)計(jì)輸量120×104m3/h，高壓天然氣經(jīng)過采育輸氣站的過濾分離、計(jì)量和調(diào)壓工藝系統(tǒng)處理后(4路過濾器、6路DN300超聲流量計(jì)、6路壓力控制系統(tǒng))，把低壓天然氣3.5～3.8MPa輸往北京城市燃?xì)夤芫€(設(shè)計(jì)壓力4MPa)。還建有綜合辦公樓、宿舍及1臺(tái)250kVA電力變壓器、水消防等公用系統(tǒng)，這些系統(tǒng)都可依托。

1.3 系統(tǒng)組成

本工程新建一套高壓、大流量天然氣流量工作標(biāo)準(zhǔn)以及附助系統(tǒng)，其中工藝系統(tǒng)主要有7個(gè)部分組成：天然氣進(jìn)站調(diào)壓和安全切斷系統(tǒng)(含取氣回氣閥)、核查流量計(jì)和外輸氣計(jì)量系統(tǒng)、天然氣工作計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)、被檢流量計(jì)檢定管路系統(tǒng)、出站超壓切斷和流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)、壓縮機(jī)、氮?dú)庀到y(tǒng),，還包括ESD閥、氣質(zhì)測(cè)量、排污和放空系統(tǒng)，以及控制系統(tǒng)、檢定廠房、水、電、暖、信、腐等輔助部分，具體見圖1。

圖1 北京檢定點(diǎn)計(jì)量檢定工藝系統(tǒng)框圖

1.4 設(shè)計(jì)參數(shù)

1)工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力：10MPa；

2)取氣壓力：5～8MPa；

3)回氣壓力：3.5～3.8MPa；

4)輸氣溫度：5～15℃；

5)工況流量：20～8000m3/h；

6)系統(tǒng)測(cè)量不確定度：0.29%，k=2；

7)流量計(jì)檢定口徑：DN50～DN400。

1.5 量值溯源和傳遞

根據(jù)國(guó)家質(zhì)檢總局要求，北京檢定點(diǎn)的天然氣流量工作標(biāo)準(zhǔn)裝置應(yīng)定期到南京分站的次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)上進(jìn)行檢定校準(zhǔn)，完成量值溯源；再用工作標(biāo)準(zhǔn)對(duì)送檢的天然氣流量計(jì)進(jìn)行檢定測(cè)試，其量值溯源和傳遞框圖見圖2，具體方法為：天然氣次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(南京分站)→工作標(biāo)準(zhǔn)(北京檢定點(diǎn))→被檢流量計(jì)。

1.6 工作標(biāo)準(zhǔn)及核查流量計(jì)的選擇

工作標(biāo)準(zhǔn)采用標(biāo)準(zhǔn)表法測(cè)量原理，工作標(biāo)準(zhǔn)和核查流量計(jì)的選擇是計(jì)量檢定系統(tǒng)的核心，通過對(duì)國(guó)內(nèi)外常用的四種工作標(biāo)準(zhǔn)(臨界流噴嘴、渦輪、超聲和容積流量計(jì))進(jìn)行研究對(duì)比，選定采用渦輪流量計(jì)作為工作標(biāo)準(zhǔn)，由5臺(tái)渦輪流量計(jì)(1臺(tái)DN80、1臺(tái)DN150、3臺(tái)DN250)及配套的高準(zhǔn)確度溫度、壓力變送器組成。渦輪流量計(jì)前直管段長(zhǎng)度為10D，后直管段為5D，并在前直管段入口處安裝板孔式整流器；每個(gè)渦輪流量計(jì)配內(nèi)置整流器，2個(gè)高頻脈沖發(fā)生器。針對(duì)不同的測(cè)量范圍，可選用不同口徑的渦輪流量計(jì)并聯(lián)組合，其流量范圍為20～8000 m3/h。

為了保證工作標(biāo)準(zhǔn)在整個(gè)檢定過程中，流量測(cè)量值的準(zhǔn)確可靠，在工作標(biāo)準(zhǔn)上游處串聯(lián)1臺(tái)超聲流量計(jì)(口徑DN300、90～8000m3/h)，用于對(duì)工作標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計(jì)進(jìn)行單臺(tái)或總量在線實(shí)時(shí)核查，要求核查偏差值在±0.2%范圍內(nèi)。

1.7 流量計(jì)檢定臺(tái)位設(shè)計(jì)

本工程設(shè)置5個(gè)流量計(jì)檢定臺(tái)位(DN100、DN150、DN250、DN300、DN400)，預(yù)留較長(zhǎng)的前、后直管段，直管段采用深孔鏜床加工，內(nèi)表面粗糙度Ra優(yōu)于3.2μm，圓度公差優(yōu)于0.3%，垂直度優(yōu)于0.05mm，并做化學(xué)鍍鎳處理。在每個(gè)檢定臺(tái)位設(shè)置20D前直管段、10D后直管段，其中在前直管段10D處安裝板孔整流器；并設(shè)置1個(gè)防爆儀表接線箱，以便將被檢流量計(jì)的流量、溫度和壓力信號(hào)接入到控制系統(tǒng)中。被檢流量計(jì)包括超聲、渦輪等速度式流量計(jì)及質(zhì)量、容積式流量計(jì)，其輸出信號(hào)為脈沖(頻率)、4～20mA模擬和RS485信號(hào)。

為了便于檢定時(shí)安裝和拆卸被檢流量計(jì)，在每路被檢流量計(jì)管路下游處均設(shè)置手動(dòng)液壓伸縮器(最大伸縮長(zhǎng)度≥100mm)。

1.8 輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1)選擇2臺(tái)并聯(lián)的壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)(DN50和DN250軸流式調(diào)節(jié)閥)，可把高壓天然氣調(diào)節(jié)到5MPa以下，用于檢定CLASS300等級(jí)的流量計(jì)。

2)采用主流量調(diào)節(jié)及旁通流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)(DN50和DN300軸流式調(diào)節(jié)閥)，可用于全量程范圍內(nèi)準(zhǔn)確、穩(wěn)定地調(diào)節(jié)天然氣的檢定流量。

3)為保證天然氣流經(jīng)匯氣管時(shí)流動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定，不產(chǎn)生旋渦流和非對(duì)稱流，匯氣管采用拔制工藝制造，保證主管和支管之間的連接圓滑；主管流速不超過10m/s，支管流速不超過20m/s，支管直徑與主管直徑的比值≤0.70。

4)按照安全環(huán)保和節(jié)能要求，拆裝被檢流量計(jì)時(shí)不允許天然氣外排。針對(duì)選用的壓縮機(jī)的工作條件要求(入口壓力變化大，出口壓力恒定，壓縮比大，排氣量小)，最終從隔膜式、活塞式和離心式等壓縮機(jī)中選擇采用防爆隔膜式壓縮機(jī)，可滿足入口吸氣壓力0.2～4.0MPa，出口排氣壓力恒定4.2MPa，排氣量≥260m3/h的要求。

5)設(shè)置氮?dú)庀到y(tǒng)，用于在拆卸安裝被檢流量計(jì)過程中吹掃管線內(nèi)的天然氣，以保證檢定操作和輸氣安全。

6)合理優(yōu)化管線、匯氣管、彎頭、三通、大小頭和設(shè)備的安裝圖設(shè)計(jì)，可減少工藝安裝和管氣容對(duì)小流量測(cè)量準(zhǔn)確度的影響和縮短檢定時(shí)間。

7)對(duì)位于地面管線和設(shè)備進(jìn)行保溫隔熱，在檢定操作區(qū)設(shè)置輕鋼結(jié)構(gòu)廠房等措施，可有效避免天氣環(huán)境對(duì)流量測(cè)量結(jié)果的影響。

8)在工藝系統(tǒng)的上、下游管線上，設(shè)置安全切斷閥來防止檢定CLASS300等級(jí)的低壓流量計(jì)和下游低壓排氣管線不超壓。同樣，在上、下游管線上設(shè)置汽液聯(lián)動(dòng)緊急切斷閥，用于在工藝系統(tǒng)泄露和站場(chǎng)著火時(shí)進(jìn)行緊急切斷。

9)設(shè)有可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)和工業(yè)電視系統(tǒng)，能保證檢定操作安全。

10)天然氣過濾分離、放空和排污等工藝系統(tǒng)、控制室、辦公室、水消防系統(tǒng)和配電等系統(tǒng)都依托原采育輸氣站的原有系統(tǒng)，可節(jié)省工程投資，縮短建設(shè)周期。

1.9 主要儀表設(shè)備選型

1)對(duì)于工藝系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、給排水及通信系統(tǒng)，均按照天然氣防火防爆要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，儀表設(shè)備選用隔爆或本安型，防爆等級(jí)優(yōu)于ExdIIBT4，防護(hù)等級(jí)優(yōu)于IP65。

2)壓力測(cè)量選用電容測(cè)量原理、智能型絕壓變送器，最大允許誤差優(yōu)于±0.025%。溫度測(cè)量選用智能型溫度變送器，最大允許誤差優(yōu)于±0.1℃，配套A級(jí)鉑電阻溫度傳感器。

3)選用調(diào)節(jié)準(zhǔn)確、流動(dòng)穩(wěn)定、噪音低、壓降小的軸流式調(diào)節(jié)閥，用于檢定壓力和流量的調(diào)節(jié)控制。

4)在并聯(lián)的渦輪流量計(jì)、檢定管路及與計(jì)量有關(guān)放空、排污和氮?dú)夤苈分?，選用強(qiáng)制密封球閥，以便把在計(jì)量過程中需要關(guān)斷的管路進(jìn)行關(guān)斷，確保計(jì)量檢定數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

5)選用在線色譜分析儀和在線水露點(diǎn)測(cè)量?jī)x，可準(zhǔn)確地測(cè)量天然氣組分及含水量。

6)在每個(gè)被檢流量計(jì)臺(tái)位后都設(shè)置手動(dòng)液壓伸縮器，其最大伸縮長(zhǎng)度≥100mm，以調(diào)節(jié)管線長(zhǎng)度，便于拆裝被檢流量計(jì)。

2 建標(biāo)考核

按照J(rèn)JF 1033—2008 《計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》要求，2012年3～10月對(duì)新建的工作標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了建標(biāo)考核測(cè)試，主要分三步：1)把5臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計(jì)送到南京分站用次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行全量程校準(zhǔn)，其測(cè)量不確定度優(yōu)于0.23%(k=2)；2)在每臺(tái)渦輪流量計(jì)的測(cè)量范圍內(nèi)選取2個(gè)流量點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)測(cè)量10次，則重復(fù)性測(cè)量結(jié)果優(yōu)于0.05%；3)在測(cè)量范圍內(nèi)選取5個(gè)流量點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)測(cè)量3次，每隔1個(gè)月測(cè)量1次，半年內(nèi)測(cè)量4次，則穩(wěn)定性測(cè)量結(jié)果優(yōu)于0.18%。

新建立的工作標(biāo)準(zhǔn)于2012年10月通過國(guó)家質(zhì)檢總局建標(biāo)考核，獲得國(guó)家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核證書，其測(cè)量流量20～8000m3/h，系統(tǒng)測(cè)量不確定度0.29%，k=2。

3 實(shí)流檢定

2012年底以來，利用北京檢定點(diǎn)主要進(jìn)行了兩項(xiàng)檢定校準(zhǔn)工作：一是對(duì)國(guó)家石油天然氣大流量計(jì)量站的移動(dòng)式工作標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行周期校準(zhǔn)；二是對(duì)國(guó)內(nèi)各單位送檢的280臺(tái)天然氣流量計(jì)進(jìn)行檢定，創(chuàng)收入800萬元。

4 結(jié)束語

1)按照國(guó)家質(zhì)檢總局對(duì)國(guó)內(nèi)天然氣計(jì)量檢定站點(diǎn)的總體布局要求，中石油完成了北京采育天然氣計(jì)量檢定站的設(shè)計(jì)建立工作。該檢定站是國(guó)內(nèi)唯一的一套只建有天然氣流量工作標(biāo)準(zhǔn)的天然氣計(jì)量檢定系統(tǒng)，具有投資低、周期短、壓力高、流量大、準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)。

2)北京采育天然氣計(jì)量檢定站已通過國(guó)家質(zhì)檢總局計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核，獲得國(guó)家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核證書，各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)和功能均已達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3)目前為止，已對(duì)國(guó)內(nèi)280臺(tái)天然氣流量計(jì)進(jìn)行了實(shí)流檢定，緩解了國(guó)內(nèi)天然氣流量計(jì)實(shí)流檢定的難題，滿足了實(shí)流檢定急需。

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