移動式氣體流量計遠程檢測裝置的研究

上海燃氣浦東銷售有限公司 陳 江 林 亮

0 前言

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

目前，上海市煤氣表強制檢定站年檢定能力約2 000臺，無法對在法定周期內(nèi)的流量計實施快速檢定，企業(yè)間貿(mào)易糾紛時有發(fā)生。為使天然氣流量儀表的檢定、校準(zhǔn)和測試工作順利進行，上海燃氣浦東銷售有限公司聯(lián)合上海市計量測試技術(shù)研究院，以及國內(nèi)知名計量技術(shù)研究機構(gòu)和計量標(biāo)準(zhǔn)裝置設(shè)計企業(yè)，研究建設(shè)一套具備先進水平的移動式氣體流量計遠程檢測裝置。

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，移動式氣體流量計遠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量檢定和測試任務(wù)。

(2)開展天然氣流量計量技術(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)機在管道的下游抽氣制造負(fù)壓，從而產(chǎn)生流量驅(qū)動標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表運轉(zhuǎn)，通過檢測數(shù)據(jù)的比對達到檢測目的。也可以通過相應(yīng)的溫度、壓力和流量控制手段，進行特定條件下的天然氣流量計檢定或校準(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)上增加流量計遠程檢測功能。

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——氣體常數(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)——氣體常數(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，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——一個測量周期的采樣時間，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，從常壓運行條件到高壓運行條件，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)裝置的投資和運行成本，本次檢測裝置的研究項目采用直接到上海計量院溯源的方案，其優(yōu)點是溯源鏈短，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)被檢定流量計口徑：DN25～DN100。

2.2 檢測裝置的選定

當(dāng)前流量計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送到計量檢定中心進行離線實流檢定。考慮到拆卸和運輸過程可能會對流量計性能帶來影響，所以本次整套檢測裝置采用可移動式的車載結(jié)構(gòu)。整個系統(tǒng)安裝在一個小型箱式貨車上，在箱式貨車內(nèi)布置空調(diào)系統(tǒng)、UPS電源系統(tǒng)、遠程監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與評價系統(tǒng)、完整的檢測裝置。采用標(biāo)準(zhǔn)流量計法原理，利用管道上的變頻風(fēng)機來使得氣體管道內(nèi)流動，通過比較標(biāo)準(zhǔn)流量計與被檢流量計的量值實現(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移動式遠程檢測裝置的所有設(shè)備。車內(nèi)設(shè)置恒溫操作間一個。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，標(biāo)準(zhǔn)表位于上游。

圖2 移動標(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)流量計檢定規(guī)程中要求，需要在穩(wěn)定條件下對流量計進行檢定，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。為此需要重點考慮以下幾個方面采取措施：

(1)穩(wěn)壓穩(wěn)流——在工藝流程設(shè)計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)機來調(diào)節(jié)流量。其次是對直管段的要求，被檢流量計前后直管段長度設(shè)置要求為前10D后5D，同時在被檢流量計之前10D處安裝整流器，這樣可保證流動的氣體介質(zhì)為充分發(fā)展流動狀態(tài)，確保了較高的流量計量準(zhǔn)確度。而且所有的流量計前、后直管段都應(yīng)該經(jīng)過機械加工(精鏜)、研磨，保證直管段的內(nèi)表面粗糙度達到▽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)的溫度進行控制，并且使用低發(fā)熱量的風(fēng)機，確保車內(nèi)溫度變化量單個檢定點采樣時間內(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，應(yīng)盡量減少管容積對計量檢定結(jié)果的影響，整個工藝管道設(shè)計應(yīng)結(jié)構(gòu)緊湊，布局合理。

3.2 檢測控制系統(tǒng)

采用遠程控制實現(xiàn)檢定裝置的數(shù)據(jù)采集和自動監(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、可燃氣體探測器、電動閥、流量計、風(fēng)機、變頻器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、報警按鈕、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%，對于用于參與計量、檢定計算的溫度傳感器，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行檢測，對于用于參與計量、檢定計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 計量儀表

標(biāo)準(zhǔn)表采用氣體腰輪流量計，流量計輸出脈沖信號對應(yīng)工況瞬時流量，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/網(wǎng)絡(luò)數(shù)字一體化球進行視頻監(jiān)控，可以遠程監(jiān)控現(xiàn)場的所有作業(yè)并且與現(xiàn)場操作人員實時溝通。

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)行機構(gòu)為電動式執(zhí)行機構(gòu)，供電電源：24 VDC。

3.2.6 變頻風(fēng)機

采用低熱量的220 V變頻風(fēng)機，在現(xiàn)場作業(yè)無需特殊的380 V供電，風(fēng)機噪聲水品控制在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)定時對數(shù)據(jù)進行保護，移動檢測車內(nèi)配備數(shù)據(jù)采集及評價系統(tǒng)所需的不間斷電源。

3.2.8 遠程控制單元

特殊設(shè)計的遠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)工作接地和保護接地統(tǒng)一接地，接地電阻≤4 Ω。

4 結(jié)語

移動式氣體流量遠程檢測裝置符合國家天然氣計量溯源整體布局，在計量學(xué)科領(lǐng)域是具有前瞻性的科研建設(shè)項目。該檢測裝置建成后年檢定能力為500臺，同時因其檢定地點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)一部分流量計的檢定需求。

為使該裝置能在后期項目的實施中能夠順利建成，特提出如下建議：

(1)為保證本檢測裝置建設(shè)后的各項工藝技術(shù)指標(biāo)達到預(yù)期的要求，避免由于某些配件的生產(chǎn)技術(shù)問題影響到整個項目的執(zhí)行或技術(shù)指標(biāo)的實現(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。項目立項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，為上海市計量測試技術(shù)在該領(lǐng)域的發(fā)展和進步奠定基礎(chǔ)。

(3)本項目遠程檢定部分國內(nèi)、外沒有十分豐富的工程經(jīng)驗可供參考，需要進一步提高項目管理和建設(shè)單位的項目執(zhí)行和工程建設(shè)、投運和操作的管理能力。