彭利果　王強　段繼芹　任佳　張強

1.國家石油天然氣大流量計量站成都分站　2.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院　3.中國石油集團公司天然氣質量控制與能量計量重點實驗室

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天然氣流量環(huán)道檢測裝置影響因素分析①

彭利果1,2,3王強1,2,3段繼芹1,2,3任佳1,2,3張強1,2,3

1.國家石油天然氣大流量計量站成都分站2.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院3.中國石油集團公司天然氣質量控制與能量計量重點實驗室

天然氣流量環(huán)道檢測裝置能降低檢定站對上游氣源及排氣通道壓力、流量的依賴，拓寬天然氣流量計量檢定站檢定能力，進一步完善天然氣流量量值溯源體系。裝置對工藝、控制等關鍵技術要求高，裝置的測量不確定度受多方面因素影響。介紹了國內外氣體流量計量環(huán)道裝置技術指標，分析了國家石油天然氣大流量計量站成都分站天然氣流量環(huán)道檢測裝置，以及環(huán)道檢測裝置不確定度影響因素，提出了降低環(huán)道檢測裝置整體不確定度的措施和建議。

天然氣流量計量環(huán)道影響因素措施

1　國內外天然氣流量環(huán)道檢測裝置技術水平

天然氣環(huán)道流量檢測裝置是先將天然氣進行增壓，然后利用調壓系統(tǒng)將壓力調到預定壓力后進入天然氣環(huán)形通道，再利用循環(huán)動力設備使天然氣在環(huán)形通道中循環(huán)流動，并通過工藝設施控制環(huán)形通道中天然氣溫度、壓力和流量，進行特定工況條件下的天然氣流量計檢定或校準。其最大的優(yōu)點為對外部氣源及排氣通道的依賴性小，拓寬天然氣檢定壓力、流量范圍，確保系統(tǒng)檢定能力不受外部氣源及排氣通道變化的影響。

表1　國外天然氣流量環(huán)道檢測裝置主要技術水平對比Table1　Maintechnicalindicatorsofforeigngasflowmeasurementloopsystem美國SWRIGRI高壓環(huán)道美國SWRIGRI低壓環(huán)道歐洲氣體環(huán)道丹麥氣體環(huán)道德國RMA環(huán)道最大工況流量/(m3·h-1)2379906300004100013000工作壓力/MPa1.04～9.930.26～1.380.9～6.30.3～6.50.1～5.0壓力穩(wěn)定度/(kPa·min-1)未知未知≤±0.5未知≤±2工作溫度/℃5～495～495～3515～255～35溫度穩(wěn)定度/(℃·min-1)≤±1≤±1≤±0.05未知≤±0.2被檢流量計口徑DN50～DN500DN25～DN250DN150～DN900DN50～DN1250DN50～DN400傳遞標準不確定度/%0.20～0.25(k=2)0.20～0.25(k=2)0.17～0.85(k=2)0.18～0.30(k=2)0.23～0.29(k=2)檢定用介質天然氣或氮氣天然氣或氮氣空氣、天然氣、二氧化碳空氣、天然氣天然氣建成時間1994年1994年2010年2015年2015年

天然氣流量計檢定或校準用氣體可以是空氣或天然氣等流體，一般為單相流，有關國家根據(jù)本國需求建造了以天然氣、空氣、二氧化碳等氣體為試驗介質的氣體流量計量環(huán)道檢測裝置。國外具有代表性的天然氣流量環(huán)道檢測裝置見表1，使用環(huán)道檢測裝置開展天然氣流量檢定的主要為美國西南氣體研究院(SWRI GRI)的高壓、低壓兩套環(huán)道，歐洲氣體環(huán)道，丹麥氣體環(huán)道與德國RMA環(huán)道[1-5]，從技術指標上看，目前國外環(huán)道溫度穩(wěn)定度最優(yōu)為≤±0.05 ℃/min，壓力穩(wěn)定度最優(yōu)為≤±0.5 kPa/min。目前，國內在這方面的技術不太成熟，僅國家石油天然氣大流量計量站成都分站(以下簡稱為成都分站)建成了國內首套天然氣流量環(huán)道檢測裝置。

2　成都分站天然氣流量環(huán)道檢測裝置及技術水平

成都分站天然氣流量環(huán)道檢測裝置工藝流程主要包括4大模塊(見圖1)：環(huán)道壓縮機系統(tǒng)、環(huán)道溫度控制系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、增壓補氣及抽氣系統(tǒng)。各模塊功能要求為：

(1) 環(huán)道壓縮機系統(tǒng)：通過一種可方便調節(jié)流量的壓縮機為環(huán)道中天然氣提供流動的動力，能達到一定壓比彌補天然氣流過環(huán)道系統(tǒng)管道產生的壓損，壓縮機出口天然氣壓力溫度脈動滿足系統(tǒng)不確定度控制要求。環(huán)道壓縮機系統(tǒng)是系統(tǒng)中的耗能大戶，為了盡可能降低能耗，環(huán)道壓縮機一般采用低壓比、大流量的設計思路。

(2) 環(huán)道溫度控制系統(tǒng)：對環(huán)道壓縮機出口天然氣進行冷卻，達到穩(wěn)定環(huán)道內天然氣氣流溫場的效果。

(3) 檢測系統(tǒng)：由標準流量計(為適應低壓比，首選渦輪流量計)、一對一核查超聲流量計、被檢流量計、配套工藝管線和數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)構成，實現(xiàn)對流量計的檢定或校準。

(4) 增壓補氣及抽氣系統(tǒng)：實現(xiàn)對環(huán)道內的天然氣進行補氣或抽氣釋放壓力的功能。在補氣系統(tǒng)中設置了一組調節(jié)閥，用于調節(jié)進入環(huán)道內天然氣的壓力達到預定實驗壓力值。

成都分站建設天然氣流量環(huán)道檢測裝置預期技術指標見表2。

表2　成都分站天然氣流量環(huán)道檢測裝置預期技術指標Table2　ExpectedtechnicalindicatorsofnaturalgasflowmeasurementloopsystemofChengduBranch工況流量范圍/(m3·h-1)16～4000工作壓力/MPa0.3～6.0工作溫度/℃5～30被檢流量計口徑DN50～DN250檢定用介質天然氣壓力穩(wěn)定度/(kPa·(6min)-1)≤±2溫度穩(wěn)定度/(℃·(6min)-1)≤±0.2傳遞標準不確定度/%0.29(k=2)

3　天然氣流量環(huán)道檢測裝置不確定度影響因素分析

3.1天然氣環(huán)道檢測系統(tǒng)工作標準裝置不確定度評定測量模型

據(jù)JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》，對天然氣環(huán)道檢測系統(tǒng)工作標準裝置不確定度評定[6]。

3.1.1環(huán)道渦輪流量計K系數(shù)校準相對標準不確定度計算

用音速噴嘴法氣體流量標準裝置校準渦輪工作標準流量計時，渦輪流量計的K系數(shù)計算如式(1)：

(1)

式中:qv.nozzle為音速噴嘴法氣體流量標準裝置折算到被檢流量計處的體積流量，m3/h；f為渦輪流量計輸出的頻率，Hz。

因此，式(1)又可寫為：

(2)

式中：qv為臨界流文丘里噴嘴處的體積流量，m3/h;p0為臨界流文丘里噴嘴的滯止壓力，MPa；T0為臨界流文丘里噴嘴的滯止溫度，K；Z0為臨界流文丘里噴嘴處的氣體壓縮因子；pturbine為渦輪流量計處的壓力，MPa；Tturbine為渦輪流量計處的溫度，K；Zturbine為渦輪流量計處的氣體壓縮因子。

(3)

3.1.2組合渦輪流量計工作標準裝置體積流量測量不確定度計算

3.1.2.1數(shù)學模型

工作標準由5臺渦輪流量計組成，根據(jù)JJG 643-2003《標準表法流量標準裝置》，并聯(lián)后工作標準流量計最大不確定度為單臺渦輪流量計的不確定度[7]。天然氣環(huán)道檢測系統(tǒng)渦輪工作標準裝置給出的體積流量qv.turbine按式(4)計算：

(4)

天然氣環(huán)道檢測系統(tǒng)渦輪工作標準裝置測量的天然氣流量換算到被檢流量計處的瞬時工況體積流量qv.MUT按式(5)計算：

(5)

式中:f為渦輪流量計輸出的頻率，Hz；K為渦輪流量計儀表系數(shù)，1/m3；ΔpW、ΔpMUT為渦輪流量計及被檢流量計處差壓變送器壓力，MPa；pabs為公共取壓點處絕對壓力，MPa；TW、TMUT為渦輪流量計、被檢流量計處天然氣溫度，K；ZW、ZMUT為渦輪流量計、被檢流量計處天然氣壓縮因子；Δm/(ρm×t)為渦輪工作標準與被檢流量計間的管路容積因校準過程溫度壓力變化所造成體積多計或少計的體積量。

3.1.2.2組合渦輪工作標準裝置體積流量測量的合成標準不確定度

(6)

(7)

(8)

其中，組合渦輪工作標準裝置體積流量測量的擴展不確定度U(qv,turbine)和U(qv,MUT)應按照式(9)、式(10)計算:

U(qv,turbine)=k×ur(qv,turbine)(k=2)

(9)

U(qv,MUT)=k×ur(qv,MUT)(k=2)

(10)

3.2天然氣流量環(huán)道檢測裝置不確定度影響因素及控制措施

3.2.1天然氣流量環(huán)道檢測裝置不確定度影響因素分析

影響渦輪流量計K系數(shù)不確定度分量有5項，影響環(huán)道組合渦輪流量計氣體流量標準裝置體積流量不確定度Ur(qv,turbine)、Ur(qv,MUT)分別有4項和12項，具體影響程度見環(huán)道工作標準不確定度分量計算表3、表4。通過分析計算，組合渦輪工作標準裝置體積流量測量的擴展不確定度Ur(qv,turbine)能在0.25%～0.29%范圍，Ur(qv,MUT)能在0.28%～0.32%范圍；可進一步采取措施降低環(huán)道工作標準不確定度分量項有ur(K)、ur(Klineability)、ur(Fpuls)、urΔm；天然氣流量計量環(huán)道系統(tǒng)關鍵環(huán)節(jié)主要有：合理工藝流程管線配置、壓力控制方案(包括循環(huán)壓縮機選型研究)、溫度控制方案。

3.2.2降低天然氣環(huán)道檢測系統(tǒng)渦輪工作標準裝置不確定度的控制措施

根據(jù)以上影響因素分析，為了降低整個天然氣流量環(huán)道檢測裝置不確定度，建議采取以下6項措施：

(1) 選用高準確度等級的渦輪流量計，并在各檢測支路增加一對一的核查流量計實時對比。

(2) 縮短天然氣流量計量量值傳遞溯源鏈路，完善提升天然氣流量原級標準裝置水平。

(3) 標準表及被檢流量計處，保證壓力及溫度的采集準確可靠。

①選用高準確度等級的、高頻采樣的壓力變送器、差壓和溫度變送器。

②在超過DN300的天然氣檢測管路上溫度變送器采用上下兩個位置安裝，避免環(huán)道管路中天然氣溫度梯度分層，不能準確采集。

③壓力測量采用絕壓變送器和差壓變送器配合使用。

④壓力、溫度變送器定期比對，壓力及溫度數(shù)據(jù)實時監(jiān)測。

(4) 標準表及被檢流量計的安裝符合規(guī)程要求，尤其是避免流量計與法蘭軸心錯位；離心機和相連管道保持高精度同軸。

表3　渦輪流量計K系數(shù)不確定度分量計算表Table3　CalculationresultsofKcoefficientuncertaintycomponentofturbineflowmeter不確定度來源序號符號名稱評定類型分布包含因子相對不確定度靈敏系數(shù)備注1ur(qv)噴嘴體積流量B正態(tài)20.10%10.10%～0.125%2ur(Tturbine)渦輪流量計處的溫度B矩形30.022%1ur(Tturbine)=0.1(Tturbine+273.15)×33ur(pturbine)渦輪流量計處的壓力B矩形30.029%1ur(pturbine)=pmax×0.025%pturbine×34urZ0Zturbine?è???÷壓縮因子比值B正態(tài)20.05%15ur(f)渦輪流量計輸出的頻率重復性B0.02%1合成相對標準不確定度0.11%0.11%～0.13%擴展不確定度(k=2)0.22%0.22%～0.26%

表4　環(huán)道組合渦輪流量計氣體流量標準裝置不確定度分量計算表Table4　Calculationresultsoftheuncertaintycomponentsofgasflowstandarddeviceofloopsystemcombinedgasturbineflowmeter不確定度來源序號符號名稱評定類型分布包含因子相對不確定度靈敏系數(shù)備注1ur(K)渦輪流量計K系數(shù)B正態(tài)20.11%10.11%～0.13%，準確度0.2級，重復性優(yōu)于0.05%2ur(f)渦輪流量計輸出頻率重復性B矩形30.02%13ur(Klineability)渦輪流量計K系數(shù)線性內插帶來的不確定度B矩形30.06%1此處可降低4ur(Fpuls)天然氣脈動流引入環(huán)道系統(tǒng)渦輪流量計氣體流量標準裝置不確定度分量B矩形30.01%1通過采取脈動消除措施，可忽略5ur(Δm)管容效應引入環(huán)道工作標準裝置不確定度分量B矩形30.02%1檢定(5～100)m3/h流量需增加采集時間或改變工藝流程，此項可降低6ur(pabs)公共取壓點處絕對壓力B矩形30.029%0.03智能式絕對壓力變送器，準確度為±0.025%。7ur(ΔpW)環(huán)道標準表渦輪流量計處壓力B矩形30.029%0.02智能式壓力變送器，準確度為±0.025%8ur(ΔpMUT)被檢流量計處壓力B矩形30.029%0.02智能式壓力變送器，準確度為±0.025%9ur(ΔTW)環(huán)道標準表渦輪流量計處溫度B矩形30.022%1智能溫度變送器最大容許誤差0.10℃10ur(ΔTMUT)被檢流量計處溫度B矩形30.022%1智能溫度變送器最大容許誤差0.10℃11urZMUTZW?è???÷壓縮因子比值B正態(tài)20.05%112uR(qv，MUT)測量重復性B正態(tài)20.010%10.010%～0.038%ur(qv，turbine)0.127%0.127%～0.145%Ur(qv，turbine)0.25%0.25%～0.29%ur(qv，MUT)0.14%0.14%～0.16%Ur(qv，MUT)0.28%0.28%～0.32%

(5) 設置必要的工藝流程，在天然氣氣流流經(jīng)環(huán)道補氣壓縮機系統(tǒng)后，再進入脫硫脫水工藝裝置，再進入環(huán)道系統(tǒng)，確保其天然氣氣質符合要求。若氣質不潔凈，一方面會危及裝置運行安全；另一方面標準表和被檢流量計都是單相流量計，若氣流中含有固液雜質，會嚴重影響標準表的計量性能。

(6) 在使用環(huán)道檢測裝置檢定或校準過程中，確保標準表及被檢流量計處的天然氣流場為充分發(fā)展紊流、天然氣脈動導致的壓力穩(wěn)定度、溫度穩(wěn)定度在允許范圍內。

①流體流經(jīng)測試管段前應盡量避免直角彎頭等阻流件，環(huán)道系統(tǒng)工藝結構盡可能緊湊、簡潔，降低因閥門內漏造成非計量漏失。特別是環(huán)道系統(tǒng)彎頭應采用45°彎頭代替直角彎頭；在檢測段工藝管路應結構緊湊，布局合理，一方面盡可能降低管容，另一方面能較好衰減上游帶來的天然氣脈動。

②在環(huán)道離心壓縮機及進入檢測段前應設置穩(wěn)流器，衰減氣流脈動。

③環(huán)道系統(tǒng)選用離心壓縮機應有足夠的壓比，能滿足天然氣檢測壓力、流量范圍;能滿足檢測不同口徑流量計的調節(jié)需求，且離心壓縮機的控制的穩(wěn)態(tài)誤差要求盡可能小。

④配置同壓縮機系統(tǒng)匹配的冷卻系統(tǒng)，確保冷卻系統(tǒng)有效平衡因壓縮機壓縮造成天然氣的溫升，實現(xiàn)溫場控制?？刹捎盟鋮s，采用一級或多級冷卻方式，冷卻控制系統(tǒng)應盡可能細調，保證能及時、準確地冷卻，避免環(huán)道系統(tǒng)溫度累升；冷卻系統(tǒng)具備讓天然氣溫度下降5～10 ℃的能力。

⑤對天然氣流量環(huán)道檢測裝置所在區(qū)域采取隔熱措施，且對管線包裹保溫絕熱層，確保氣流溫場穩(wěn)定。

4　結 語

綜上所述，天然氣流量環(huán)道檢測裝置不確定度影響因素包含標準渦輪流量計準確度等級及穩(wěn)定性，標準渦輪流量計及被檢流量計處壓力變送器、溫度變送器準確度等級，壓力測量方式，環(huán)道系統(tǒng)中天然氣脈動流，管容效應等，為了在滿足工況流量16～4 000 m3/h、工況壓力0.3～6.0 MPa時，天然氣流量環(huán)道檢測裝置渦輪工作標準不確定度優(yōu)于0.29(k=2)，且壓力穩(wěn)定度≤±2 kPa/6 min，溫度穩(wěn)定度≤±0.2 ℃/6 min的預期技術指標，主要將環(huán)道優(yōu)化成了環(huán)道壓縮機系統(tǒng)、環(huán)道溫度控制系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、增壓補氣及抽氣系統(tǒng)4大模塊，且從工藝流程管線配置、環(huán)道離心機、溫度控制等方面提出了詳細的措施，并在成都分站的天然氣流量環(huán)道檢測裝置得到了良好應用，這對于拓寬天然氣檢定校準能力具有顯著效果。

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Analysis of the influence factors of natural gas flow measurement loop system

Peng Liguo1,2,3， Wang Qiang1,2,3， Duan Jiqin1,2,3， Ren Jia1,2,3， Zhang Qiang1,2,3

(1.ChengduBranchofChinaNaturalPetroleum&NaturalGasMassFlowrateCalibrationStaion，Chengdu610213，China；2.ResearchInstituteofNaturalGasTechnology,PetroChinaSouthwestOil&GasfieldCompany，Chengdu610213，China；3.KeyLaboratoryofNaturalGasQualityControl&EnergyMeasurement，PetroChinaSouthwestOil&GasfieldCompany，Chengdu610213，China)

Natural gas flow measurement loop system can reduce the dependences on upstream natural gas supply, gas flow and gas pressure at exhaust channel of calibration station. Meanwhile, it can expand test capacity and further improve the traceability system of gas flow quantity. For the loop system，the key technical indicators of process and control are required highly, and the measurement uncertainty is affected by various factors. In this article, the domestic and foreign technical indicators and the characteristics of gas flow measurement loop system are introduced. The natural gas loop system of Chengdu Branch, and the influence factors of measurement uncertainty are analyzed. In addition, the measures and suggestions on reducing the overall measurement uncertainty of loop system are present.

natural gas，flow measurement loop system，influence factor，measure

中國石油天然氣股份有限公司項目“油氣計量關鍵技術與應用研究——天然氣流量及發(fā)熱量量值溯源技術研究”(2014D-4711)。

彭利果(1983-)，男，畢業(yè)于西南石油大學，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事天然氣環(huán)道檢測系統(tǒng)研究、天然氣計量技術研究。E-mail：pengliguo@petrochina.com.cn

TE832.2

ADOI: 10.3969/j.issn.1007-3426.2016.05.018

2016-03-04；

2016-05-03；編輯：鐘國利