系統(tǒng)壓力變化和取壓位置對(duì)羅茨氣體流量計(jì)標(biāo)定結(jié)果的影響

蘇海欣 趙卓識(shí)/.上海燃?xì)馐斜变N(xiāo)售有限公司；.上海?？迫?xì)鉁y(cè)控設(shè)備有限公司

0 引言

羅茨氣體流量計(jì)是一種廣泛應(yīng)用于天然氣及城市燃?xì)庥?jì)量的容積式流量計(jì)[1]。為了保證其量值準(zhǔn)確統(tǒng)一，必須定期使用氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)其實(shí)施檢定或校準(zhǔn)，通過(guò)直接測(cè)量法獲得被測(cè)儀表的誤差，以此作為衡量?jī)x表準(zhǔn)確度等級(jí)的依據(jù)[2]。在計(jì)量過(guò)程中氣體流量計(jì)的壓力值參與流量計(jì)算，因此影響計(jì)量的準(zhǔn)確性。如果未考慮運(yùn)行系統(tǒng)壓力的變化，被檢流量計(jì)的誤差值在一定程度被放大；另一方面，在檢校過(guò)程中，受拆裝難度、標(biāo)準(zhǔn)裝置、檢測(cè)條件等因素限制，不可能對(duì)所有氣體流量計(jì)都進(jìn)行表體取壓，同時(shí)相關(guān)檢定規(guī)程上也沒(méi)有明確這一要求，所以一般采用表前或表后取壓的方式[3-4]。取壓位置的不同決定了壓力值的不同，進(jìn)而導(dǎo)致流量計(jì)的示值不同。本文分析并研究不同取壓位置對(duì)羅茨氣體流量計(jì)標(biāo)定結(jié)果的影響。

1 檢校工作原理

1.1 羅茨氣體流量計(jì)工作原理

羅茨氣體流量計(jì)是一種記錄一段時(shí)間內(nèi)流過(guò)流體總量的累積式流量?jī)x表。當(dāng)流體流過(guò)流量計(jì)時(shí)，內(nèi)部機(jī)械運(yùn)動(dòng)件在流體動(dòng)力作用下，把流體分割成單個(gè)已知回轉(zhuǎn)體積的氣室，并進(jìn)行重復(fù)不斷地充滿和排空，通過(guò)機(jī)械或電子測(cè)量技術(shù)記錄其循環(huán)次數(shù)，得到流體累積流量。羅茨氣體流量計(jì)利用智能積算儀檢測(cè)到的信號(hào)，依據(jù)氣體狀態(tài)方程進(jìn)行溫度和壓力補(bǔ)償，把工作狀態(tài)下的累積流量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（大氣壓力為101.325 kPa，溫度為20 ℃）的累積流量。若不考慮壓縮因子的影響，其轉(zhuǎn)換公式為

式中：QR——被檢羅茨氣體流量計(jì)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的累積流量，m3/h；

QMUT——被檢羅茨氣體流量計(jì)工況下的累積流量，m3/h；

pm——工況下的實(shí)際壓力，kPa；

tm——工況下的實(shí)際溫度，℃

1.2 示值誤差計(jì)算

采用鐘罩作為氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，對(duì)比鐘罩排出氣體和流經(jīng)被測(cè)儀表時(shí)顯示的累積氣體體積數(shù)值，可得被測(cè)儀表的相對(duì)示值誤差為

式中：e——被測(cè)儀表的相對(duì)示值誤差；

VR——羅茨氣體流量計(jì)經(jīng)過(guò)溫壓補(bǔ)償后，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)條件下的累積體積，L；

Vs——根據(jù)實(shí)際溫度和壓力將鐘罩排出的氣體體積換算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的對(duì)應(yīng)值，L

因而有：

式中：Vbell——鐘罩排出的氣體體積，L；

pbell和tbell——分別為罩內(nèi)空氣的絕對(duì)壓力和溫度

由式（2）和式（3）可知，必須將鐘罩內(nèi)氣體進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)換算，才能保證相對(duì)誤差的準(zhǔn)確性。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

一般情況下，鐘罩的引出排氣管直接連接流量計(jì)，受拆裝難度、檢測(cè)條件等因素限制，認(rèn)為流量計(jì)前管道壓力和鐘罩內(nèi)壓力相等。為了驗(yàn)證系統(tǒng)壓力變化對(duì)被檢流量計(jì)誤差的影響，使用5 000 L鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置（以下簡(jiǎn)稱(chēng)鐘罩）標(biāo)定一臺(tái)DN50羅茨氣體流量計(jì)。鐘罩的相對(duì)擴(kuò)展不確定度Urel=0.2%（k= 2），裝置的工作壓力小于 10 kPa，羅茨氣體流量計(jì)量程為2～90 m3/h，采用表前取壓。

由于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)氣體壓力和溫度比較穩(wěn)定，可認(rèn)為全量程范圍內(nèi)氣體密度變化很小。從鐘罩到被檢表前的壓損主要是管道局部損失和沿程阻力損失。使用壓力變送器分別測(cè)量罩內(nèi)壓力和表前壓力，并計(jì)算總壓力損失。圖1表明，表前壓力與罩內(nèi)壓力的偏差隨著流量增大而增加。分別將鐘罩和表前壓力代入式（2）和式（3），得到由于兩者的偏差對(duì)儀表示值誤差的影響值：Δe=Δe鐘罩-Δe表前。如圖 2所示，在被檢表的前1/3量程內(nèi)，管道內(nèi)壓力損失對(duì)被檢表誤差的影響幾乎可以忽略（Δe＜ 0.1%）；在1/3～2/3量程范圍內(nèi)，誤差在0.1%～0.5%；當(dāng)流量大于2/3量程時(shí)，誤差則達(dá)到0.55%～1.1%，對(duì)準(zhǔn)確度等級(jí)為1.5級(jí)的羅茨氣體流量計(jì)來(lái)說(shuō)，這種誤差影響已經(jīng)很顯著了。

為了研究取壓位置對(duì)標(biāo)定結(jié)果的影響，配置DN50管道，管道前后端直管段長(zhǎng)度均為1.0 m，滿足10D要求，在直管段上呈線性開(kāi)孔[5]，取壓孔位置依次為表前10D（F10D）、表體（Body）、表后1D（B1D）、表后 3D（B3D）、表后 5D（B5D）、表后10D（B10D），如圖 3 所示。選擇 20 m3/h、50 m3/h、70 m3/h三個(gè)流量點(diǎn)，每個(gè)流量點(diǎn)測(cè)量三次，每次測(cè)量不少于60 s，算術(shù)平均值作為測(cè)量結(jié)果。

圖1 鐘罩至被檢表總壓力損失隨流量變化

圖2 測(cè)量誤差影響值隨流量變化關(guān)系

圖3 取壓位置示意圖

參照相關(guān)檢定規(guī)程和流量計(jì)本身技術(shù)要求，將表體位置處壓力和儀表系數(shù)作為參考值，依次計(jì)算其他取壓位置處的壓力誤差和儀表系數(shù)誤差。計(jì)算公式如下：

式中：epi、eKi——分別為第i取壓位置處壓力誤差和儀表系數(shù)誤差，%；

pi——第i取壓位置處壓力值，kPa；

p0——表體處參考?jí)毫χ?，kPa；

Ki——第i取壓位置處儀表系數(shù)，1/m3；

K0——表體處參考儀表系數(shù)，1/m3

在三個(gè)流量點(diǎn)下，分別從五個(gè)取壓位置獲得壓力數(shù)據(jù)并測(cè)得相應(yīng)的儀表系數(shù)，按式（4）計(jì)算相對(duì)表體取壓數(shù)據(jù)的壓力誤差和儀表系數(shù)誤差，如圖4所示。在同一流量下的沿程方向，不同取壓位置處的壓力值和儀表系數(shù)在表前、表體和表后三個(gè)取壓位置逐漸減小，但表后的四個(gè)取壓位置數(shù)值基本不變。隨著流量增大，表后相同取壓位置處的壓力和儀表系數(shù)誤差逐漸增大。在70 m3/h時(shí)，壓力誤差最大為-0.11%，儀表系數(shù)誤差最大為-0.14%，較為顯著。圖4所示的誤差絕對(duì)值大小表明，取壓位置的選擇對(duì)于羅茨氣體流量計(jì)影響不大，都在誤差允許的范圍內(nèi)。采用表前取壓時(shí)，壓力和儀表系數(shù)誤差均為正值。采用表后取壓時(shí)，壓力和儀表系數(shù)均為負(fù)值，且不同取壓位置對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響程度基本相同。流量大小對(duì)表前取壓的儀表系數(shù)影響不大，但是對(duì)表后取壓有顯著的影響，因而在檢校過(guò)程中，如果受拆裝難度、檢測(cè)條件等因素限制，應(yīng)優(yōu)先采用表前取壓的方式。

圖4 不同取壓位置的壓力誤差(a)和儀表系數(shù)誤差(b)

3 容積式流量計(jì)應(yīng)用情況分析

以上海燃?xì)馐斜变N(xiāo)售有限公司為例，流量計(jì)在燃?xì)庵械膽?yīng)用范圍主要是居民用戶和非居民用戶，居民用戶數(shù)量很大，但相對(duì)用氣量和表容量都較小，全部應(yīng)用膜式表，無(wú)溫、壓補(bǔ)償裝置，所以不做討論。非居民用戶管理歸屬上海燃?xì)馐斜变N(xiāo)售有限公司工業(yè)辦事處，所以取工業(yè)辦事處流量計(jì)應(yīng)用和銷(xiāo)售量數(shù)據(jù)做簡(jiǎn)要分析。

采用三年數(shù)據(jù)，都以年初數(shù)為統(tǒng)計(jì)依據(jù)，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 2016-2018年統(tǒng)計(jì)依據(jù)

從表1中可以看出，非居民用戶應(yīng)用的表具有三大類(lèi)，分別是膜式表、容積式流量計(jì)和超聲波流量計(jì)，同時(shí)這三類(lèi)表具還有是否帶IC卡預(yù)充值系統(tǒng)的區(qū)別，預(yù)充值系統(tǒng)與銷(xiāo)售計(jì)量無(wú)關(guān)，所以不做論述。表具數(shù)量方面目前膜式表占據(jù)較大數(shù)量比例，但是實(shí)現(xiàn)銷(xiāo)售量數(shù)據(jù)是以容積式流量計(jì)為主，22%左右的數(shù)量比例實(shí)現(xiàn)77%左右的銷(xiāo)售比例，有著舉足輕重的地位。而且，針對(duì)溫、壓補(bǔ)償方面，膜式表以前采取年平均值的方式，天燃?xì)庥脩舳藨?yīng)用壓力在1.8～2.4 kPa，取值2%作為補(bǔ)差數(shù)據(jù)。隨著燃?xì)飧母锏纳钊?，這種取值方式被取締，上海燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司發(fā)文對(duì)燃?xì)庥?jì)量表的溫、壓補(bǔ)償統(tǒng)一做出規(guī)定，上海燃?xì)猓瘓F(tuán)）有限公司（2017）47號(hào)《關(guān)于停止收取“校正與燃?xì)庋a(bǔ)差”和“智能化燃?xì)獗砀闹瀑M(fèi)”的通知》發(fā)布，于2017年7月1日起停止收取。因?yàn)樵撐募陌l(fā)布，為了公平計(jì)量，降低溫、壓補(bǔ)償產(chǎn)生的購(gòu)銷(xiāo)差，開(kāi)始逐漸減少皮膜表的應(yīng)用，以容積式流量計(jì)為主，同時(shí)引進(jìn)超聲波流量計(jì)計(jì)量裝置。做為燃?xì)怃N(xiāo)售公司，公平計(jì)量和降低購(gòu)銷(xiāo)差一直是上海燃?xì)猓瘓F(tuán)）有限公司的重要目標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

使用計(jì)量容積的氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置標(biāo)定帶溫、壓補(bǔ)償?shù)牧_茨氣體流量計(jì)，應(yīng)考慮管道壓力損失的因素，特別是在氣體流量較大時(shí)，管道的壓力損失將使被檢流量計(jì)側(cè)的狀態(tài)參數(shù)發(fā)生不可忽略的變化，從而引起明顯的誤差。試驗(yàn)結(jié)果顯示，管道內(nèi)壓力損失對(duì)被檢表誤差的影響最大達(dá)到1%。因此，應(yīng)正確選用被檢表側(cè)的工況壓力值，在同一參考條件下計(jì)算示值誤差。

取壓位置不會(huì)對(duì)羅茨氣體流量計(jì)本身的準(zhǔn)確度等級(jí)產(chǎn)生較大影響，根據(jù)JJG 633-2005《氣體容積式流量計(jì)》“測(cè)壓位置在流量計(jì)上游側(cè)”，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也具有一致性[6]；在檢校過(guò)程中，如果受到拆裝難度、標(biāo)準(zhǔn)裝置、檢測(cè)條件等因素限制，采用表前取壓方式能夠準(zhǔn)確反映流量計(jì)的計(jì)量性能，如果不能實(shí)現(xiàn)，也可以采用表后取壓。