上海燃?xì)馄謻|銷售有限公司 陳 江 林 亮

0 前言

隨著天然氣市場規(guī)模的擴(kuò)大，以及LNG、CNG、儲氣庫項(xiàng)目的投產(chǎn)，預(yù)計(jì) 2020年上海境內(nèi)的在用的天然氣流量計(jì)總數(shù)將突破20 000臺，其中90%為低壓流量計(jì)。這些流量計(jì)均涉及貿(mào)易結(jié)算，屬需強(qiáng)制檢定的范疇。

目前，上海市煤氣表強(qiáng)制檢定站年檢定能力約2 000臺，無法對在法定周期內(nèi)的流量計(jì)實(shí)施快速檢定，企業(yè)間貿(mào)易糾紛時(shí)有發(fā)生。為使天然氣流量儀表的檢定、校準(zhǔn)和測試工作順利進(jìn)行，上海燃?xì)馄謻|銷售有限公司聯(lián)合上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院，以及國內(nèi)知名計(jì)量技術(shù)研究機(jī)構(gòu)和計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)企業(yè)，研究建設(shè)一套具備先進(jìn)水平的移動(dòng)式氣體流量計(jì)遠(yuǎn)程檢測裝置。

1 技術(shù)方案

1.1 主要功能

標(biāo)準(zhǔn)裝置的建設(shè)主要服務(wù)于上海市天然氣流量儀表的檢定、檢測工作，并與國內(nèi)其他天然氣流量檢定標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)比對和技術(shù)交流，滿足行業(yè)間的量值比對工作的開展。為此，移動(dòng)式氣體流量計(jì)遠(yuǎn)程檢測裝置建成后將具有以下主要的用途和功能。

(1)承擔(dān)上海市的天然氣流量計(jì)量檢定和測試任務(wù)。

(2)開展天然氣流量計(jì)量技術(shù)的交流和新技術(shù)的推廣工作。

1.2 檢測方案

目前國內(nèi)外氣體流量檢定裝置主要采用標(biāo)準(zhǔn)表法進(jìn)行氣體流量檢測，其中以羅茨表作為標(biāo)準(zhǔn)表的方案占據(jù)主要份額。其檢測原理是將標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表串聯(lián)在管道上，利用一臺高壓風(fēng)機(jī)在管道的下游抽氣制造負(fù)壓，從而產(chǎn)生流量驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表運(yùn)轉(zhuǎn)，通過檢測數(shù)據(jù)的比對達(dá)到檢測目的。也可以通過相應(yīng)的溫度、壓力和流量控制手段，進(jìn)行特定條件下的天然氣流量計(jì)檢定或校準(zhǔn)工作。采用標(biāo)準(zhǔn)表法的氣體流量檢測裝置，特點(diǎn)是工藝流程簡單、溯源鏈短、準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好，因此在比較論證后本項(xiàng)目確定采用標(biāo)準(zhǔn)表(羅茨表)法氣體流量檢測裝置方案，并在此基礎(chǔ)上增加流量計(jì)遠(yuǎn)程檢測功能。

2 主要研究內(nèi)容

2.1 裝置溯源方案

2.1.1 原級標(biāo)準(zhǔn)與不確定度分析

根據(jù)量值傳遞關(guān)系，天然氣流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)由原級標(biāo)準(zhǔn)、次級標(biāo)準(zhǔn)和工作標(biāo)準(zhǔn)組成。氣體流量原級標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)流量的定義來復(fù)現(xiàn)氣體流量值，并通過測量長度、時(shí)間等基本量溯源來得到準(zhǔn)確的流量量值(即真值)。氣體流量原級標(biāo)準(zhǔn)的原理決定了次級標(biāo)準(zhǔn)和工作級標(biāo)準(zhǔn)的形式。目前，常用的天然氣流量原級標(biāo)準(zhǔn)主要是鐘罩原級，臨界流文丘里噴嘴次級標(biāo)準(zhǔn)。

用原級標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定噴嘴的流出系數(shù)為：

式中：Cd——流出系數(shù)；

qm——原級標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量流量，kg/h；

T0——噴嘴前氣體絕對滯止溫度，K；

R——?dú)怏w常數(shù)，8.314 J/(mol×K)；

A——噴嘴喉部面積，m2；

C——臨界流函數(shù)；

p0——噴嘴前氣體絕對滯止壓力，kPa。相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

式中：ur(Cd)——相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度；

ur(qm)——原級標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量流量的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度；

ur(T0)——噴嘴前氣體絕對滯止溫度測量的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度；

ur(R)——?dú)怏w常數(shù)的相對標(biāo)準(zhǔn)確定度，與氣體成分有關(guān)；

ur(A*)——噴嘴喉部面積的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度，由于其受溫度、壓力影響較小，通過采用固定的值，此項(xiàng)不確定度通常省略；

ur(C*)—臨界流函數(shù)的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度，與成份及溫度、壓力測量相關(guān)；

ur(p0)—噴嘴前氣體絕對滯止壓力的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度；

ur(r)——流出系數(shù)測量的重復(fù)性。各項(xiàng)不確定分量分析匯總，可得次級臨界文丘里噴嘴伐標(biāo)準(zhǔn)裝置總的不確定度為0.16，見表1所示。

表1 次級臨界文丘里噴嘴法標(biāo)準(zhǔn)裝置不確定度一覽

2.1.2 標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)工作級標(biāo)準(zhǔn)

工作級標(biāo)準(zhǔn)溯源至次級臨界流文丘里噴嘴，由于次級臨界流文丘里噴嘴，得到的是質(zhì)量流量，在評估過程中需考慮到質(zhì)量流量到體積流量的轉(zhuǎn)換，同時(shí)，由于系統(tǒng)各處溫度、壓力的變化，還需要考慮管容效應(yīng)對流經(jīng)流量計(jì)體積的影響：

式中：VMUT——經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)表的修正后體積流量，m3；

qm——流經(jīng)噴嘴的質(zhì)量流量，kg/h；

TMUT——被檢表氣體絕對滯止溫度，K；

ZMUT——被檢表處壓縮因子；

pMUT——被檢表處氣體滯止壓力，kPa；

Ve——標(biāo)準(zhǔn)表與被檢表之間的管容，m3；

tmeas——一個(gè)測量周期的采樣時(shí)間，s；

p——標(biāo)準(zhǔn)噴嘴前測量壓力，kPa；

T——標(biāo)準(zhǔn)噴嘴前測量溫度，K；

經(jīng)過不確定預(yù)估，工作級標(biāo)準(zhǔn)最佳測量能力為U= 0.30% (k=2)。

圖1 量值溯源傳遞系統(tǒng)

2.1.3 溯源方案

在天然氣流量值溯源系統(tǒng)中，利用適當(dāng)?shù)膫鬟f標(biāo)準(zhǔn)及比對方法，就能建立流量量值從體積流量到質(zhì)量流量，從常壓運(yùn)行條件到高壓運(yùn)行條件，從空氣介質(zhì)到天然氣介質(zhì)的相互關(guān)聯(lián)?？紤]到建立原級標(biāo)準(zhǔn)裝置和次級標(biāo)準(zhǔn)裝置的投資和運(yùn)行成本，本次檢測裝置的研究項(xiàng)目采用直接到上海計(jì)量院溯源的方案，其優(yōu)點(diǎn)是溯源鏈短，工作級標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度等級高，完全滿足現(xiàn)場檢定1.0級貿(mào)易交接流量計(jì)的需求。

具體技術(shù)指標(biāo)如下：

(1)標(biāo)準(zhǔn)裝置法蘭規(guī)格：PN10；

(2)檢定操作壓力：常壓；

(3)工況檢定流量范圍：0.1~160 m3/h；

(4)標(biāo)準(zhǔn)裝置測量不確定度：Urel=0.33%，k=2；

(5)被檢定流量計(jì)口徑：DN25～DN100。

2.2 檢測裝置的選定

當(dāng)前流量計(jì)檢定的主要工作方式是將現(xiàn)場的流量儀表拆卸下來并運(yùn)送到計(jì)量檢定中心進(jìn)行離線實(shí)流檢定。考慮到拆卸和運(yùn)輸過程可能會對流量計(jì)性能帶來影響，所以本次整套檢測裝置采用可移動(dòng)式的車載結(jié)構(gòu)。整個(gè)系統(tǒng)安裝在一個(gè)小型箱式貨車上，在箱式貨車內(nèi)布置空調(diào)系統(tǒng)、UPS電源系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與評價(jià)系統(tǒng)、完整的檢測裝置。采用標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)法原理，利用管道上的變頻風(fēng)機(jī)來使得氣體管道內(nèi)流動(dòng)，通過比較標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)與被檢流量計(jì)的量值實(shí)現(xiàn)量值傳遞。

如圖2所示，擬采用載重900 kg的箱式貨車一輛用于安裝整個(gè)移動(dòng)式遠(yuǎn)程檢測裝置的所有設(shè)備。車內(nèi)設(shè)置恒溫操作間一個(gè)。從上游到下游分別是降噪過濾器、標(biāo)準(zhǔn)表、閥門、被檢表、伸縮器和風(fēng)機(jī)，標(biāo)準(zhǔn)表位于上游。

圖2 移動(dòng)標(biāo)定車內(nèi)部3D參考

3 技術(shù)關(guān)鍵

3.1 技術(shù)措施

根據(jù)有關(guān)流量計(jì)檢定規(guī)程中要求，需要在穩(wěn)定條件下對流量計(jì)進(jìn)行檢定，即在檢定過程中應(yīng)保證檢定介質(zhì)的溫度、壓力和流量穩(wěn)定不變或變化很小。為此需要重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面采取措施：

(1)穩(wěn)壓穩(wěn)流——在工藝流程設(shè)計(jì)中首先需要考慮一些合理的措施解決空氣作為儀表檢定檢測介質(zhì)的穩(wěn)壓和穩(wěn)流的問題，可選用流量調(diào)節(jié)性能較好的軸流式調(diào)節(jié)閥，并配備變頻風(fēng)機(jī)來調(diào)節(jié)流量。其次是對直管段的要求，被檢流量計(jì)前后直管段長度設(shè)置要求為前10D后5D，同時(shí)在被檢流量計(jì)之前10D處安裝整流器，這樣可保證流動(dòng)的氣體介質(zhì)為充分發(fā)展流動(dòng)狀態(tài)，確保了較高的流量計(jì)量準(zhǔn)確度。而且所有的流量計(jì)前、后直管段都應(yīng)該經(jīng)過機(jī)械加工(精鏜)、研磨，保證直管段的內(nèi)表面粗糙度達(dá)到▽3.2(Ra=3.2 μm)。

(2)溫度穩(wěn)定——使用空調(diào)系統(tǒng)對車廂內(nèi)的溫度進(jìn)行控制，并且使用低發(fā)熱量的風(fēng)機(jī)，確保車內(nèi)溫度變化量單個(gè)檢定點(diǎn)采樣時(shí)間內(nèi)低于0.5℃。

(3)減少管容效應(yīng)——借鑒國內(nèi)其他檢測裝置流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的建設(shè)和使用經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)盡量減少管容積對計(jì)量檢定結(jié)果的影響，整個(gè)工藝管道設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)構(gòu)緊湊，布局合理。

3.2 檢測控制系統(tǒng)

采用遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)檢定裝置的數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)監(jiān)控，現(xiàn)場僅僅需要安裝人員即可，操作管理便捷，數(shù)據(jù)運(yùn)算精度高。使用全數(shù)字化系統(tǒng)，確保檢測結(jié)果準(zhǔn)確可靠。采用全數(shù)字化的現(xiàn)場儀表包括：壓力變送器、絕對壓力變送器、熱電阻、溫度傳感器、可燃?xì)怏w探測器、電動(dòng)閥、流量計(jì)、風(fēng)機(jī)、變頻器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、報(bào)警按鈕、網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控設(shè)備和UPS系統(tǒng)。

3.2.1 溫度儀表

采用JUMO高精度溫度傳感器進(jìn)行溫度測量，對于用于監(jiān)視工藝過程的一體化溫度傳感器，選用精度：±0.25%，對于用于參與計(jì)量、檢定計(jì)算的溫度傳感器，選用精度±0.1℃。

3.2.2 壓力儀表

采用Rosemount 3051S Ultra高精度差壓變送器對壓力進(jìn)行檢測，對于用于參與計(jì)量、檢定計(jì)算的絕對壓力變送器，選用精度±0.025%，變送器輸出4~20 mA信號。壓力測量值pm的不確定度主要來源于壓力變送器溯源自上一級壓力標(biāo)準(zhǔn)的測量不確定度，pm由差壓變送器測量的差壓加上大氣壓力計(jì)測量的大氣壓力得到，大氣壓力變送器使用elster提供的ITF-Barometer，測量量程為0~110 kPa，測量精度0.04%，校準(zhǔn)后測量不確定度為0.05%。

3.2.3 計(jì)量儀表

標(biāo)準(zhǔn)表采用氣體腰輪流量計(jì)，流量計(jì)輸出脈沖信號對應(yīng)工況瞬時(shí)流量，測量不確定度優(yōu)于0.25%(k=2)，為了保證檢測系統(tǒng)的整體精度。

3.2.4 網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控設(shè)備

采用自帶IP地址的一體化網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)/網(wǎng)絡(luò)數(shù)字一體化球進(jìn)行視頻監(jiān)控，可以遠(yuǎn)程監(jiān)控現(xiàn)場的所有作業(yè)并且與現(xiàn)場操作人員實(shí)時(shí)溝通。

3.2.5 流量調(diào)節(jié)閥

采用流量調(diào)節(jié)閥對氣體流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，閥體采用碳鋼，閥芯及閥座都采用316不銹鋼，閥芯與閥桿為一體；，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為電動(dòng)式執(zhí)行機(jī)構(gòu)，供電電源：24 VDC。

3.2.6 變頻風(fēng)機(jī)

采用低熱量的220 V變頻風(fēng)機(jī)，在現(xiàn)場作業(yè)無需特殊的380 V供電，風(fēng)機(jī)噪聲水品控制在80 dB以內(nèi)。

3.2.7 UPS電源

在現(xiàn)場條件下，為了保障在發(fā)生電源不穩(wěn)定時(shí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，移動(dòng)檢測車內(nèi)配備數(shù)據(jù)采集及評價(jià)系統(tǒng)所需的不間斷電源。

3.2.8 遠(yuǎn)程控制單元

特殊設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程控制單元允許檢定人員在辦公室內(nèi)操作現(xiàn)場的檢測設(shè)備。

3.2.9 接地

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作接地和保護(hù)接地統(tǒng)一接地，接地電阻≤4 Ω。

4 結(jié)語

移動(dòng)式氣體流量遠(yuǎn)程檢測裝置符合國家天然氣計(jì)量溯源整體布局，在計(jì)量學(xué)科領(lǐng)域是具有前瞻性的科研建設(shè)項(xiàng)目。該檢測裝置建成后年檢定能力為500臺，同時(shí)因其檢定地點(diǎn)和檢定口徑可靈活調(diào)節(jié)，且不受限于管網(wǎng)壓力，可滿足天然氣企業(yè)一部分流量計(jì)的檢定需求。

為使該裝置能在后期項(xiàng)目的實(shí)施中能夠順利建成，特提出如下建議：

(1)為保證本檢測裝置建設(shè)后的各項(xiàng)工藝技術(shù)指標(biāo)達(dá)到預(yù)期的要求，避免由于某些配件的生產(chǎn)技術(shù)問題影響到整個(gè)項(xiàng)目的執(zhí)行或技術(shù)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，應(yīng)該對上述各關(guān)鍵部件的生產(chǎn)加工技術(shù)要求和生產(chǎn)廠家盡早開展技術(shù)研究和考察的工作。

(2)上海地區(qū)天然氣工業(yè)起步較晚，在氣體氣流量計(jì)量檢定和量值溯源及傳遞領(lǐng)域更缺乏相應(yīng)的技術(shù)人員和力量儲備。項(xiàng)目立項(xiàng)初期便著手開展相關(guān)技術(shù)人員的培養(yǎng)和技術(shù)力量的準(zhǔn)備，為上海市計(jì)量測試技術(shù)在該領(lǐng)域的發(fā)展和進(jìn)步奠定基礎(chǔ)。

(3)本項(xiàng)目遠(yuǎn)程檢定部分國內(nèi)、外沒有十分豐富的工程經(jīng)驗(yàn)可供參考，需要進(jìn)一步提高項(xiàng)目管理和建設(shè)單位的項(xiàng)目執(zhí)行和工程建設(shè)、投運(yùn)和操作的管理能力。