黃敏 譚磊 劉黎霞
宜昌市計量檢定測試所 湖北宜昌 443000
目前,我國用于天然氣貿(mào)易結(jié)算的流量計主要有氣體容積式流量計、渦街流量計、超聲流量計和渦輪流量計。
根據(jù)《天然氣計量系統(tǒng)技術(shù)要求》(GB/T18603-2014)中的規(guī)定,天然氣流量計量的標準參比條件(即標況)為:20℃、壓力為101.325kPa(絕壓),在供氣方與用氣方進行貿(mào)易結(jié)算時采用在標況下的天然氣體積(單位:Nm3)作為結(jié)算單位。但在實際結(jié)算時,管道內(nèi)天然氣的溫度壓力并不在標況下(即工況),因此,就需要對天然氣實際溫度與壓力進行測量,并根據(jù)氣態(tài)方程采用公式(a)換算成標況下的體積。
其中:
p0-標況下氣體的絕對壓力,Pa;
V0-標況下氣體的體積,Nm3;
T0-標況下氣體的熱力學溫度,K;
p1-工況下氣體的絕對壓力,Pa;
V1-工況下氣體的體積,m3;
T1-工況下氣體的熱力學溫度,K。
基于上述要求,就需要天然氣流量計具備自帶的或配套的溫度、壓力傳感器,將工況體積換算成標況體積的功能。
對于氣體容積式流量計、渦街流量計、超聲流量計和渦輪流量計,目前現(xiàn)行有效的檢定規(guī)程分別為:JJG633-2005《氣體容積式流量計檢定規(guī)程》、JJG1029-2007《渦街流量計》、JJG1030-2007《超聲流量計檢定規(guī)程》和JJG1037-2008《渦輪流量計檢定規(guī)程》[1]。
以JJG633-2005《氣體容積式流量計檢定規(guī)程》為例,對JJG633-2005中描述的示值誤差的檢定方法進行分析:
根據(jù)JJG633-2005中7.2.4.9的要求:一次試驗過程中,被檢流量計的測試元件啟、停應處于同一位置;給定氣量或設(shè)定脈沖數(shù)應等于回轉(zhuǎn)體積的整數(shù)倍,或設(shè)定的給定氣量達到足以使回轉(zhuǎn)體積變化帶來的影響可忽略不計。并按照圖1中的公式計算示值誤差,此時標準器的流量需要換算成與被檢流量計同一溫度和壓力狀態(tài)下的累計流量值。
同時,還要根據(jù)JJG633-2005中7.2.3提供的不同種類的標準器,合理選用檢定方法,如圖2所示:
圖1 被檢流量計示值誤差計算公式
圖2 氣體容積式流量計檢定方法與對應標準器
該方法一般用于檢定沒有脈沖信號輸出的流量計。由于被檢流量計累積量為標況體積,故標準器的累計流量必須換算成標況體積。由于標準器及其配套的溫度、壓力傳感器均經(jīng)過有效溯源,當被檢流量計示值誤差檢定結(jié)果合格時,可以認為被檢流量計配套的溫度、壓力傳感器能夠正常工作,內(nèi)部積算功能正常(圖3),且在該檢定環(huán)境下能夠提供較為準確的測量結(jié)果。
圖3 被檢流量計內(nèi)部積算功能簡圖
另外,在檢定時還應該考慮被檢流量計分辨力對計算結(jié)果的影響。通常情況下,當分辨力對計算結(jié)果的影響不超過最大允許誤差絕對值的1/10時,可以將其忽略。對于1.5級的氣體容積式流量計而言,其最大允許誤差絕對值的1/10為0.15%,如公式(b)所示:
表1 檢定各種口徑流量計各檢定點的最短時間
當被檢流量計為首次檢定時,其累計量的分辨力一般為0.0001m3,故根據(jù)公式(b)可以計算得到給定氣量應不小于0.0667m3;當被檢流量計為后續(xù)檢定時,其累計量的分辨力一般為0.001m3、0.01m3、0.1m3或1m3,故給定氣量應分別不小于0.667m3、6.67m3、66.7m3、667m3。
圖4 某品牌氣體容積式流量計流量范圍一覽表
根據(jù)圖4的數(shù)據(jù),可以計算出當被檢流量計分辨力為0.0001m3時,各口徑流量計在不同檢定點所需要的時間。
同時,當被檢流量計分辨力分別為0.001m3、0.01m3、0.1m3或1m3時,各口徑對應的最短時間將依次遞增十倍。
根據(jù)表1的數(shù)據(jù),當采用靜態(tài)檢定方法開展檢定時,消耗時間長,且后續(xù)檢定時耗時更甚,工作效率低,并且對標準器的氣體容量也有相應要求。故該方法在實際檢定中使用較少。
目前我國多數(shù)計量檢定機構(gòu)都采用臨界流文丘利噴嘴法氣體流量標準裝置作為標準器,該裝置從啟動到到達預設(shè)流量點存在一個緩沖過程,在這個緩沖過程中標準器的累計流量沒有準確性可言,因此該標準裝置只能用于動態(tài)檢定方法。
根據(jù)JJG633-2005中7.2.4.9的要求,按照圖5中的公式計算儀表系數(shù),即在設(shè)定的檢定時間內(nèi)接收被檢流量計發(fā)出的頻率信號,并記錄脈沖數(shù)(為減小脈沖計數(shù)帶來的誤差對檢定結(jié)果的影響,累計脈沖數(shù)一般應不小于1000),同時計算檢定時間內(nèi)流過標準器的氣體體積,計算出被檢流量計的儀表系數(shù)[2]。
圖5 被檢流量計儀表系數(shù)計算公式
目前多數(shù)計量檢定機構(gòu)都采用該方法對氣體容積式流量計進行檢定,以提高檢定效率。但由于被檢流量計的頻率信號直接來源于其內(nèi)部機械運動件的旋轉(zhuǎn),所以,頻率信號所對應的體積量是流過被檢流量計的工況流量,計算得出的流量計儀表系數(shù)也是工況下的系數(shù)。如果該流量計檢定合格,僅只能證明被檢流量計在工況下的計量性能符合要求,而溫度和壓力傳感器的計量性能無法判定,因此,被檢流量計顯示的標況流量的準確度亦無法判定。
在JJG633-2005中的7.2.4.5和7.2.4.7有要求進行溫度測量和壓力測量,但規(guī)程的計量性能要求中沒有詳細規(guī)定上述兩項測量的最大允許誤差和判定標準。這就可能會出現(xiàn)某些流量計檢定結(jié)果合格,但是由于內(nèi)部溫度傳感器和壓力傳感器的測量誤差過大,而造成被檢流量計累計量失準的情況。
目前有部分檢定機構(gòu)采用記錄被檢流量計瞬時流量,再乘以檢定時間的方法,獲得被檢流量計的累計流量,以完成檢定,但是在JJG633-2005中并未提供該方法,且規(guī)程中也并未指出可以使用規(guī)定方法以外的其他方法進行檢定,并且被檢表的瞬時流量刷新頻率受儀表內(nèi)部阻尼時間的限制,不能完全反應出流過被檢表氣體流量的實際情況,故該方法不可取。
假設(shè)某流量計準確度等級為1.5級,檢定時部分數(shù)據(jù)如表2所示:
表2 某流量計檢定部分數(shù)據(jù)
被檢流量計處的溫度和壓力來源于檢定裝置上的溫度變送器和壓力變送器,都經(jīng)過有效溯源,能夠保證其量值準確可靠。假設(shè)此時被檢流量計上顯示的溫度為16.8℃,大氣壓力(絕對壓力)為101.5kPa,流過的工況體積為0.7169m3,根據(jù)公式(a)可以計算出此時被檢流量計的理論累計流量(標況)為:
其最大允許誤差為±0.7261×1.5%=±0.0109Nm3。即累計流量的允許變化范圍為(0.7152-0.7370)Nm3。根據(jù)該范圍,結(jié)合公式(c),分別將壓力測量結(jié)果p和溫度測量結(jié)果T當做單一變量,可以計算分別出滿足累計標況體積量合格范圍內(nèi)的溫度和壓力波動范圍的極值,數(shù)據(jù)見表3。
表3 溫度和壓力對累計標況流量影響的最大變化量
通過表3中的數(shù)據(jù),可以認為,當被檢流量計溫度傳感器計量功能正常,壓力傳感器存在誤差時,為保證累計標況流量計量準確,其壓力傳感器的顯示值必須在(99.98-103.03)kPa之間,該范圍的中值為101.51kPa,半寬為1.52kPa;同樣,當被檢流量計壓力傳感器計量功能正常,溫度傳感器存在誤差時,為保證累計標況流量計量準確,其溫度傳感器的顯示值必須在(12.50-21.20)℃之間,該范圍的中值為16.85℃,半寬為4.35℃[3]。
這就意味著,對于被檢表為1.5級的流量計,當其顯示的壓力、溫度與檢定裝置配套的流量計處的壓力傳感器壓力值之差超過±1.5kPa或溫度值之差超過±4℃時,即便儀表常數(shù)檢定合格,但換算后的標況流量也可能存在誤差超差的情況。
對于渦街流量計,一般與溫度傳感器、壓力變送器、流量積算儀等設(shè)備配套使用,組成測量系統(tǒng),且每個組成部分均要進行溯源,故不存在上述問題。但對于封裝了溫度、壓力傳感器的渦街流量計則會出現(xiàn)上述問題。
對于超聲流量計中的外夾式流量計,由于其只能測量工況,所以不會存在上述問題,但對于整體安裝的超聲流量計,如能夠顯示標況流量(瞬時或累計),則會存在上述問題。
對于渦輪流量計,當采用累計流量(標況)計算示值誤差時不會存在上述問題,但如果使用儀表系數(shù)K計算示值誤差,同樣會存在上述問題。
在天然氣貿(mào)易結(jié)算的需要下,對天然氣流量計的計量性能,以及其他功能的要求日趨嚴格,這就對檢定規(guī)程的內(nèi)容提出了更高的要求。呼吁各規(guī)程歸口單位,能夠及時對規(guī)程內(nèi)容作出修訂,以滿足目前天然氣貿(mào)易結(jié)算的需要。