白巖，郭淑梅，白榮，趙霞，晁宏洲

1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司 技術(shù)監(jiān)測(cè)中心（陜西 西安718500）

2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司 第一采氣廠（陜西 西安718500）

3.中國(guó)石油塔里木油田分公司 油氣運(yùn)銷部（新疆 庫(kù)爾勒841000）

0 引言

近10年我國(guó)天然氣工業(yè)得到飛速發(fā)展，建成天然氣長(zhǎng)輸管道總里程近10×104km，初步形成“橫跨東西、縱貫?zāi)媳?、?lián)通境外”貫穿全國(guó)主要地區(qū)與城市的輸送管網(wǎng)。伴隨著天然氣的發(fā)展,天然氣計(jì)量技術(shù)也有了突破性進(jìn)展，超聲流量計(jì)以其高精度、大量程、低壓損等優(yōu)勢(shì)，逐步替代了傳統(tǒng)孔板流量計(jì)成為大宗天然氣計(jì)量的主要用表。

按照GB/T 18603—2014《天然氣計(jì)量系統(tǒng)技術(shù)要求》[1]，用于A級(jí)交接站點(diǎn)的超聲流量計(jì)須進(jìn)行實(shí)流檢定，要拆卸后送國(guó)家石油天然氣大流量計(jì)量站，用天然氣作為介質(zhì)檢定。目前，國(guó)內(nèi)建設(shè)或正在建設(shè)的有9座檢定站，分布在成都、南京、武漢、廣州、烏魯木齊、北京、榆林、塔里木。其中，成都、南京分站建有原級(jí)、次級(jí)及工作級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，武漢分站建有原級(jí)、工作級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，廣州、烏魯木齊、榆林分站建有次級(jí)、工作級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，北京、塔里木分站建有工作級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。

目前，主要用工作級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)檢定/校準(zhǔn)超聲流量計(jì)，工作級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的不確定度在0.25%～0.33%。JJG 1030—2007《超聲流量計(jì)檢定規(guī)程》7.1.1.2中的規(guī)定：裝置測(cè)量結(jié)果的不確定度應(yīng)不大于被檢流量計(jì)最大允許誤差絕對(duì)值的1/3[2]。A級(jí)站點(diǎn)計(jì)量系統(tǒng)的最大允許誤差為1.0%，流量計(jì)不確定度為0.75%，檢定該等級(jí)超聲流量計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度應(yīng)達(dá)到0.25%。

按該規(guī)定，部分工作級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)不能滿足檢定規(guī)程的要求，但工作計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的不確定度的提高受多種因素影響也存在較大難度，而建立次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)檢定超聲流量計(jì)又存在建設(shè)投資大、流量范圍小不能覆蓋大口徑流量計(jì)的問(wèn)題。

因此，進(jìn)行等精度量傳是解決天然氣超聲流量計(jì)檢定切實(shí)可行的方法。

1 理論基礎(chǔ)

等精度量傳主要應(yīng)用于高等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置傳遞系統(tǒng)，將一個(gè)流量范圍很小的原級(jí)流量基準(zhǔn)通過(guò)一系列傳遞鏈形成了等級(jí)相差無(wú)幾的標(biāo)準(zhǔn)體系。比如荷蘭NMI用1個(gè)有效容積為0.6 m3的0.1級(jí)小鐘罩作為國(guó)家基準(zhǔn)，通過(guò)2臺(tái)濕式流量計(jì)傳遞給3.5 m3的次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)鐘罩裝置，再用鐘罩檢定作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)使用的渦輪流量計(jì)，用該傳遞標(biāo)準(zhǔn)組建標(biāo)準(zhǔn)表法高壓大流量氣體標(biāo)準(zhǔn)裝置，其裝置允許誤差可達(dá)到±0.28%[3]。通過(guò)三級(jí)傳遞后，其不確定度僅增加了2.8倍。如果按照傳統(tǒng)傳遞理論1/3傳遞，經(jīng)過(guò)三級(jí)傳遞0.1級(jí)→0.3級(jí)→0.9級(jí)，而最終只能檢定3.0級(jí)的流量計(jì)，這樣難以滿足工作計(jì)量器具發(fā)展的需求[4-5]。目前國(guó)內(nèi)天然氣實(shí)流檢定站在標(biāo)準(zhǔn)級(jí)傳遞中也采納了同樣的原理，使工作流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度剛好滿足±0.32%，滿足1.0級(jí)的超聲流量計(jì)的檢定需求[4-5]。因此，將高精度計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)量值傳遞理論等同用于工作計(jì)量器具的檢定研究。

流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度計(jì)算公式：

式中：ES為檢定標(biāo)準(zhǔn)用的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的準(zhǔn)確度；E1表示在檢定條件與使用條件不符的情況下所引起的附加誤差；ER為標(biāo)準(zhǔn)表單次測(cè)量的極限相對(duì)誤差,即重復(fù)性。重復(fù)性是指在相同測(cè)量條件下，對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行連續(xù)多次測(cè)量所得結(jié)果之間的一致性。采用貝塞爾公式，如下：

長(zhǎng)慶油田在線實(shí)流標(biāo)定車，在某國(guó)家分站用工作標(biāo)準(zhǔn)（0.32級(jí)）檢定。其不確定度為：

式中：ES為上級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置工作標(biāo)準(zhǔn)的0.32%。

標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計(jì)處溫度測(cè)量TS估計(jì)值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(TS)：

標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計(jì)處氣體壓力測(cè)量PS估計(jì)值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(PS)：

標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計(jì)脈沖計(jì)數(shù)NS估計(jì)值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(NS)：

實(shí)踐證明，只要所選擇的標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)具有足夠好的重復(fù)性，如以上實(shí)例分析天然氣在線實(shí)流標(biāo)定車的主標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計(jì)的重復(fù)性較好，甚至比上一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)傳遞誤差ES高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，被檢的標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的不確定度就接近與上一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度。由此可以看出，當(dāng)Er遠(yuǎn)小于ES時(shí)，流量標(biāo)準(zhǔn)裝置準(zhǔn)確度δ≈ES。這就是等精度量傳的理論基礎(chǔ)，也就是說(shuō)標(biāo)準(zhǔn)表流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的準(zhǔn)確度同上一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置的準(zhǔn)確度大致相等。同理，用該標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定其他流量計(jì)也可以得到相似的結(jié)果[6]。但是，需要強(qiáng)調(diào)的是由安裝等因素引起的附加誤差不可估量，因此在檢定過(guò)程中應(yīng)確保標(biāo)準(zhǔn)裝置按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)、安裝和維護(hù)，保證引入最小的附加誤差。

2 應(yīng)用效果分析

2006年前，長(zhǎng)慶油田天然氣貿(mào)易交接計(jì)量流量計(jì)主要送往國(guó)家石油天然氣大流量計(jì)量站成都、南京分站進(jìn)行檢定，但由于送檢距離遠(yuǎn)、檢定周期長(zhǎng)，且現(xiàn)場(chǎng)備用流量計(jì)少，拆裝、送檢組織難度大，嚴(yán)重影響到氣田的生產(chǎn)組織。因此，2006年長(zhǎng)慶油田建設(shè)了1套移動(dòng)式天然氣在線實(shí)流檢定裝置。該裝置標(biāo)準(zhǔn)器采用一臺(tái)DN300渦輪流量計(jì)和一臺(tái)DN100渦輪流量計(jì)組成，裝置配套建有一臺(tái)DN300核查超聲流量計(jì)和一臺(tái)在線色譜儀（C6+），整體設(shè)計(jì)壓力6.3 MPa，檢定流量范圍34～4 500 m3/h，測(cè)量不確定度優(yōu)于0.33%。

移動(dòng)式天然氣在線實(shí)流檢定裝置投運(yùn)以來(lái)，長(zhǎng)慶油田先后對(duì)承擔(dān)陜京、靖西等長(zhǎng)輸管網(wǎng)供氣任務(wù)的第一、二、三凈化廠、榆林天然氣處理廠、榆林第一、二末站、蘇里格第一、三處理廠外貿(mào)交接管路進(jìn)行了改造。從2007年開(kāi)始實(shí)用該檢定裝置進(jìn)行貿(mào)易超聲流量計(jì)的在線實(shí)流檢定任務(wù)，累計(jì)檢定1 000余臺(tái)次。

檢定時(shí)，將裝置與現(xiàn)場(chǎng)檢定預(yù)留口連接后，天然氣經(jīng)過(guò)被檢流量計(jì)后從核查管路進(jìn)入裝置，再經(jīng)核查流量計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)后從標(biāo)準(zhǔn)管路流出，返回用戶管線。實(shí)驗(yàn)將標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)，將核查超聲流量計(jì)作為被檢流量計(jì)，而此核查超聲流量計(jì)于某年在某國(guó)家分站進(jìn)行了檢定。對(duì)比2次檢定的數(shù)據(jù)可得出該標(biāo)準(zhǔn)等精度傳遞的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

表1和表2分別為某年核查超聲流量計(jì)在某國(guó)家分站與采用標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計(jì)的檢定數(shù)據(jù)，由于受到現(xiàn)場(chǎng)流量調(diào)配的困難，在檢定過(guò)程中無(wú)法實(shí)現(xiàn)大流量點(diǎn)的檢定，因此只進(jìn)行了2 700 m3/h以下流量點(diǎn)的測(cè)試。通過(guò)近似檢定點(diǎn)的數(shù)據(jù)比對(duì)（表3），可以看出利用精度等級(jí)高的某國(guó)家分站標(biāo)準(zhǔn)裝置及用移動(dòng)在線實(shí)流標(biāo)定車的標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計(jì)檢定最大值相差0.3%，在小流量檢定點(diǎn)兩次檢定結(jié)果相似度較高。

表1 某年超聲流量計(jì)檢定數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（某國(guó)家分站）

表2 某年超聲流量計(jì)檢定數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（自檢）

表3 某年超聲流量計(jì)兩次檢定結(jié)果數(shù)據(jù)比對(duì)

為了更加確切地使用實(shí)驗(yàn)結(jié)果論證等精度檢定的可取性，將某年的檢定數(shù)據(jù)同樣進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)與分析，從表4、表5、表6可以看出，用高精度標(biāo)準(zhǔn)裝置及基本同等精度的移動(dòng)渦輪標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)檢定結(jié)果的差值絕對(duì)值最大為0.27%，差異平均值為0.16%。且兩次檢定結(jié)果均在被檢0.5級(jí)核查超聲流量計(jì)的允許誤差范圍內(nèi)，其中在某國(guó)家分站檢定的誤差算術(shù)平均值為δ1=0.12%，自檢的誤差算術(shù)平均值為δ2=0.16%，檢定結(jié)果相接近。

表4 第二年超聲流量計(jì)檢定數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（自檢）

表5 第二年超聲流量計(jì)檢定數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（某國(guó)家分站）

表6 第二年超聲流量計(jì)兩次檢定結(jié)果數(shù)據(jù)比對(duì)

由此可見(jiàn)，用量傳體系中的高一個(gè)精度等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)裝置與重復(fù)性極好的同等精度等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展檢定，兩者的檢定結(jié)果差異不大。

表7 各裝置主要技術(shù)參數(shù)對(duì)比

3 結(jié)論及建議

1）等精度或近精度量傳已應(yīng)用于天然氣流量計(jì)量，且得到業(yè)內(nèi)認(rèn)可，但需要特別注意的是作為標(biāo)準(zhǔn)的流量計(jì)重復(fù)性要優(yōu)于不確定度的1/3。在線檢定/校準(zhǔn)，還需使用調(diào)節(jié)性能穩(wěn)定可靠、調(diào)節(jié)精度高、噪音低的流量調(diào)節(jié)閥，截止閥最好應(yīng)用密封性能好、零泄漏、全通徑強(qiáng)制密封球閥，檢定時(shí)旁路不能出現(xiàn)漏氣等現(xiàn)象。

2）選擇等精度量傳流量計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量選擇與被檢流量計(jì)不同測(cè)量原理的流量計(jì)，可避免因測(cè)量原理缺陷所帶來(lái)干擾引起的附加誤差。

3）由于貿(mào)易交接計(jì)量流量計(jì)的檢定屬于國(guó)家強(qiáng)制檢定范疇，因此按照檢定規(guī)程只有滿足國(guó)家計(jì)量檢定系統(tǒng)及檢定規(guī)程的要求才能出具檢定證書，而等精度量傳可出具校準(zhǔn)證書，目前校準(zhǔn)證書在我國(guó)還沒(méi)有完全的法制效力，但如用戶雙方認(rèn)可并在簽訂供氣合同明確說(shuō)明也同樣具有很強(qiáng)的可行性。

應(yīng)用等精度量傳開(kāi)展超聲流量計(jì)的檢定/校準(zhǔn)或使用中檢驗(yàn)，不僅方便實(shí)現(xiàn)檢定，同時(shí)節(jié)約了檢定裝置的建設(shè)費(fèi)用，又保證了量值的統(tǒng)一。目前，國(guó)家站（大慶）、南京分站、武漢分站先后建設(shè)了在線實(shí)流檢定裝置，用于開(kāi)展天然氣交接計(jì)量流量計(jì)的在線或?qū)嵙鳈z定，有效緩解了我國(guó)天然氣超聲流量計(jì)階段性檢定難的問(wèn)題，也推動(dòng)了我國(guó)天然氣計(jì)量技術(shù)的發(fā)展。