天然氣工作級標準裝置的能力提升

楊延平,劉博韜,徐 明

(1.中國石化天然氣分公司,北京 100029;2.國家管網(wǎng)集團西氣東輸分公司武漢計量研究中心,湖北 武漢 430073)

1 引 言

天然氣是一種清潔高效的能源,可以緩解環(huán)境污染和能源短缺問題,是世界能源消費結(jié)構(gòu)中的重要組成部分。隨著天然氣貿(mào)易的快速發(fā)展,人們逐漸關心其計量的合法性、準確性,流量計量的作用也日趨重要。氣體流量標準裝置是復現(xiàn)氣體流量量值的重要載體,也是進行氣體流量計量研究的必要條件,被直接用于天然氣流量計量值傳遞的工作級標準裝置也趨于固定,通常采用標準表法(渦輪)流量標準裝置[1]。目前國內(nèi)工作級標準裝置的不確定度在0.25%左右[2]。

國家石油天然氣大流量計量站武漢分站(以下簡稱“武漢分站”)利用標準表法原理建立了標準表法(渦輪)氣體流量標準裝置,通過直接溯源至高壓體積管(HPPP)法原級標準裝置,采用絕壓+差壓測量代替絕壓測量,原位校準和管容修正等技術,將工作級裝置的測量不確定度提升至0.13%～0.16%(k=2)。

2 標準裝置組成與不確定度提升關鍵措施

2.1 標準裝置組成

氣體流量標準裝置分為大流量檢定系統(tǒng)和小流量檢定系統(tǒng)。如圖1所示[3，4]。其中,大流量檢定系統(tǒng)由6條標準支路和5個不同口徑的被檢支路組成,體積流量測量范圍為80～9 600 m3/h。小流量檢定系統(tǒng)由5條標準支路和2個不同口徑的被檢支路組成,體積流量測量范圍為20～1 600 m3/h。

圖1 武漢分站標準表法氣體流量標準裝置Fig.1 The gas flow standard facilities by master meter method (turbine) of Wuhan Branch

2.2 測量原理

武漢分站工作級標準裝置采用標準表法原理,通過采集相同時間段內(nèi)標準流量計與被檢流量計輸出的脈沖數(shù),經(jīng)K系數(shù)轉(zhuǎn)換成標準流量計和被檢流量計的累積流量值,標準流量計的體積流量經(jīng)上級標準裝置量值傳遞的修正值修正得到標準累積流量,通過采集的溫度、壓力及壓縮因子利用狀態(tài)方程換算至被檢流量計工況條件下,與被檢流量計的累積流量進行計算得到相對示值誤差,通過多次測量的相對示值誤差利用貝塞爾公式計算流量點的重復性,確認被檢流量計計量性能。

2.3 不確定度提升關鍵措施

2.3.1 量值溯源方式

工作級標準裝置的標準流量計的量值溯源至HPPP法原級標準裝置。原級標準裝置復現(xiàn)天然氣體積流量量值,向上溯源至國家長度和時間基準,流量測量范圍為20～480 m3/h,裝置擴展不確定度U=0.07%(k=2)。原級標準裝置首先將量值傳遞至2臺G250傳遞渦輪流量計,在短時間內(nèi)相近流量點對工作級標準裝置小流量檢定系統(tǒng)的4臺G250和1臺G250標準渦輪流量計進行量值傳遞,通過流量計的組合可實現(xiàn)20～1 600 m3/h檢定流量范圍;小流量檢定系統(tǒng)傳遞完成后在短時間內(nèi)利用4臺G250標準渦輪流量計并聯(lián)使用對大流量檢定系統(tǒng)6臺G1000標準渦輪流量計逐臺進行量值傳遞,通過流量計的組合可實現(xiàn)80～9 600 m3/h檢定流量范圍。具有量值溯源鏈短的特點,如圖2所示。

圖2 工作級標準裝置量值溯源框圖Fig.2 Working level standard device value traceability block diagram

量值傳遞通過工藝流程切換直接對工作標準渦輪流量計進行原位校準,無需拆裝,消除了安裝條件對測量結(jié)果的影響。

2.3.2 壓力測量方式

標準流量計處的壓力測量由MUT1處的絕壓值與標準流量計與MUT1的差壓值疊加而成(如圖1所示),標準流量計配備2臺量程分別為0～62 kPa、0～249 kPa差壓變送器,系統(tǒng)根據(jù)實際差壓值自動選擇不同量程的變送器;MUT2處的壓力測量由MUT1處的絕壓值與2臺被檢流量計之間的差壓值疊加而成。

ps=pm1+Δp1

pm2=pm1-Δp2

式中:ps為標準渦輪流量計處的壓力測量值;Pm1為MUT1處的絕對壓力;Δp1為標準渦輪流量計與MUT1處的壓差;Pm2為MUT處壓力的絕對壓力;Δp2為MUT1與MUT2處的壓差。

2.3.3 管容修正

為減小管容對檢定結(jié)果的影響,工作級標準裝置設置了管容修正功能,通過幾何量計算得到標準流量計至被檢流量計之間的管容,通過檢定過程中溫度、壓力的波動計算管容管存的變化,利用管存的變化修正標準體積流量,修正后計算被檢流量計的誤差。具體模型為:

式中:V為被檢流量計至標準流量計管道容積;ΔVcorr-n為標準狀態(tài)下管容的修正值;ρti為ti時管道內(nèi)的平均密度,t1為檢定開始,t2為檢定結(jié)束;ρn為標準狀態(tài)下天然氣的密度;ρloc,ti為在標準表S(被檢表MUT)處,檢定開始t1(檢定結(jié)束t2)的氣體密度;VMUT-n為標準狀態(tài)下被檢流量計t1至t2的累積流量;Vs-n為標準狀態(tài)下標準流量計t1至t2的累積流量;ELPE為管容修正后的相對示值誤差。

3 裝置不確定度評定

3.1 測量數(shù)學模型的建立

由標準裝置組成可知,根據(jù)被檢表的口徑和測量流量范圍,選用一條標準支路對其進行檢定或利用多條標準支路并聯(lián)組合對其進行檢定[5]。

1) 流經(jīng)單臺標準器的累積體積流量為:

(1)

式中:Ns為采集時間內(nèi)標準渦輪流量計脈沖數(shù);Ks為標準渦輪流量計的儀表系數(shù)。

2) 標準器測得的體積流量轉(zhuǎn)換成被檢流量計處工況條件下的體積流量Qv,Sm為:

(2)

式中:pm為被檢流量計處介質(zhì)壓力測量值;Δp為標準流量計處和被檢流量計處的差壓值;Ts、Tm分別為標準流量計處和被檢流量計處介質(zhì)溫度測量值;Zs、Zm分別為標準流量計處和被檢流量計處介質(zhì)壓縮因子。

因此標準裝置的相對標準不確定度為:

(3)

式中:ur(Ks)為標準流量計儀表系數(shù)引入的相對不確定度分量;ur(Ns)標準流量計脈沖采集引入的相對不確定度分量;ur(Ts)為標準流量計處介質(zhì)溫度測量引入的相對不確定度分量;ur(Tm)為被檢流量計處介質(zhì)溫度測量引入的相對不確定度分量;ur(Δp)為標準流量計與被檢流量計處差壓測量引入的相對不確定度分量;ur(pm)為被檢流量計處介質(zhì)壓力測量引入的相對不確定度分量;ur(Zm/Zs)為被檢流量計與標準流量計處介質(zhì)壓縮因子的比值引入的相對不確定度分量;Cr(Ks)為標準流量計儀表系數(shù)的靈敏系數(shù);Cr(Ns)為標準流量計脈沖采集的靈敏系數(shù);Cr(Ts)為標準流量計處介質(zhì)溫度測量的靈敏系數(shù);Cr(Tm)為被檢流量計處介質(zhì)溫度測量的靈敏系數(shù);Cr(Δp)為標準流量計與被檢流量計處差壓測量的靈敏系數(shù);Cr(pm)為被檢流量計處介質(zhì)壓力測量的靈敏系數(shù);Cr(Zm/Zs)為被檢流量計與標準流量計處介質(zhì)壓縮因子的比值的靈敏系數(shù)。

3) 多臺標準器組合測得標準累積流量為:

Qv,s=∑Qv,si

(4)

式中:Qv,si為單臺標準器測得體積流量轉(zhuǎn)換成被檢流量計處工況條件下的累積流量。

由于在測量大流量時采用多臺標準器組合形式,為保證標準裝置的流量測量不確定度評定能涵蓋所有測試條件,取最大的單臺標準器的體積流量測量不確定度作為標準裝置的體積流量測量不確定度[6]。

4) 被檢定流量計檢定結(jié)果的計算模型

量值傳遞過程中,被檢流量計的檢定結(jié)果以流量計系數(shù)MF表示:

(5)

式中:Qv,sm為標準流量計的累積流量;Qv,MUT為被檢流量計的累積流量。

3.2 關鍵參數(shù)不確定度評定

1) 壓力測量設備引入的不確定度

標準流量計與被檢流量計差壓測量引入的不確定度分量:依據(jù)檢定機構(gòu)出具的檢定證書可得知準確度等級為0.05級,最大允許誤差為±0.05%,差壓變送器量程為0～249 kPa,并將其概率分布視為均勻分布,屬于B類評估,被檢流量計處介質(zhì)壓力按5 000 kPa,差壓值按100 kPa考慮,ur(Δp)估算如下[7]:

(6)

被檢流量計絕壓測量引入的不確定度分量:依據(jù)檢定機構(gòu)出具的檢定證書可得知準確度等級為0.05級,最大允許誤差為±0.05%,壓力變送器量程為0～10 000 kPa,并將其概率分布視為均勻分布,屬于B類評估,被檢流量計處介質(zhì)壓力按 5 000 kPa,差壓值按100 kPa,ur(pm)估算如下:

(7)

2) 壓縮因子計算引入的不確定度

壓縮因子Z是關于壓力、溫度以及天然氣組分的函數(shù),Zs與Zt計算采用相同的天然氣組分及壓縮因子計算方法,因此標準器處及被檢流量計處壓縮因子Zs與Zt可合并作為一個參數(shù)Zs/Zt考慮。Zs/Zt估計值的不確定度由溫度和壓力測量誤差造成的影響,依據(jù)溫度變送器與壓力變送器準確度等級所造成最大測量誤差,其計算結(jié)果的最大偏差小于0.04%,并將其概率分布視為均勻分布,相對標準不確定度ur1(Zs/Zt)可以估算如下[8]:

Zs/Zt估計值由組分分析誤差與計算方法的影響,通過對不同極端工況條件下組分分析結(jié)果的分析計算,組分分析誤差與計算方法造成的計算結(jié)果的最大偏差為0.001 7%,則ur2(Zs/Zt)為0.001 7%。則相對標準不確定度ur(Zs/Zt)可以估算如下:

=0.023 2%

3) 標準渦輪流量計儀表系數(shù)Ks引入的不確定度

標準渦輪流量計儀表系數(shù)Ks的不確定度來源主要有標準渦輪流量計溯源和修正方法2部分。

由2.3.1節(jié)可知,工作級小流量檢定系統(tǒng)標準渦輪流量計溯源至傳遞渦輪流量計,直至HPPP法原級標準裝置。在整個量值傳遞過程中,工藝流程進行了保溫處理,測試過程中系統(tǒng)內(nèi)設置了管容修正功能,所以可忽略環(huán)境與管容的影響,HPPP法原級標準裝置的擴展不確定度為0.07%(k=2)[9],傳遞渦輪流量計和小流量檢定系統(tǒng)標準渦輪流量計的最大重復性均為0.02%,考慮到溫度、壓力、脈沖和壓縮因子的影響,由式(3)可計算得出小流量檢定系統(tǒng)標準渦輪流量計由溯源引入的相對不確定度為ur(K1)=0.053 8%。

在對傳遞渦輪流量計Ks修正中由曲線擬合引入的不確定度采用實驗方法評估[10,11],以HPPP法原級標準裝置校準出廠編號為80113403、80113404的2臺傳遞渦輪流量計為例,在測量壓力范圍內(nèi)分別選取5.5,7.0,8.5 MPa共計3個壓力點,每個壓力點下選擇8個不同流量點進行試驗,選取的流量點及測量得到的誤差如表1所示。利用式(8)擬合出渦輪流量計誤差與體積流量相關的多項式[12]。

表1 傳遞渦輪流量計測試數(shù)據(jù)Tab.1 Transfer turbine flowmeter test data (%)

E=Ax4+Bx3+Cx2+Dx+F

(8)

式中A、B、C、D、E、F為擬合系數(shù)。

使用式(8)和表1數(shù)據(jù),計算得到儀表系數(shù)KCR,i,與實驗測試結(jié)果Ki間的偏差DCR,i為:

(9)

基于各流量點的偏差,并考慮多項式擬合公式式(8)中5個常數(shù)計算對自由度的影響,擬合曲線的不確定度ur(KCR)為:

(10)

利用表1數(shù)據(jù)計算出6組不確定度見表2,從中選取一個最大值0.02%作為曲線擬合引入的不確定分量。則小流量檢定系統(tǒng)標準渦輪流量計儀表系數(shù)Ks引入的不確定度為:

表2 多項式擬合系數(shù)Tab.2 Polynomial fitting coefficient

3.3 標準裝置不確定度

由于各輸入量在不確定量值評估中已考慮到估計值的相關性,且在量值傳遞過程中,輸入量估計值的變化不會導致另一輸入量估計值的變化,因此可視為獨立不相關[13]。則小流量檢定系統(tǒng)體積流量測量不確定度如表3所示,大流量檢定系統(tǒng)體積流量測量不確定度如表4所示。

表3 小流量檢定系統(tǒng)體積流量測量不確定度組成一覽表Tab.3 Uncertainty composition of volume flow measurement of small flow verification system

表4 大流量檢定系統(tǒng)體積流量測量不確定度組成一覽表Tab.4 Uncertainty composition of volume flow measurement of large flow verification system

標準表法氣體流量標準裝置小流量檢定系統(tǒng)的合成相對標準不確定度ur=0.064 3%,擴展不確定度U=0.13%,包含因子k=2。

標準表法氣體流量標準裝置大流量檢定系統(tǒng)的合成相對標準不確定度ur=0.075 9%,擴展不確定度U=0.16%,包含因子k=2。

3.4 檢定或校準結(jié)果的測量不確定度

標準裝置測量結(jié)果的輸入量包含標準裝置的體積流量、測量結(jié)果的重復性。在量值傳遞過程中,各輸入量相互獨立不相關。

小流量檢定系統(tǒng)測量不確定度為(k=2):

0.14%

大流量檢定系統(tǒng)測量結(jié)果的不確定度為(k=2):

0.16%

4 裝置計量性能驗證

根據(jù)JJF 1033—2016《計量標準考核規(guī)范》[14]要求,采用傳遞比較法對武漢分站工作級標準裝置的檢定或校準結(jié)果進行驗證。

4.1 小流量檢定系統(tǒng)驗證

表5 DN100渦輪流量計(編號80113403)測試數(shù)據(jù)Tab.5 Test data of turbine flowmeter with(No.80113403) (%)

4.2 大流量檢定系統(tǒng)驗證

表6 DN200渦輪流量計(編號10521105)測試數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of DN200 turbine flowmeter (No.10521105) (%)

5 結(jié) 論

由不確定度評定過程可知,采用“差壓+絕壓”的測量方式時,可大幅減小“差壓”和“絕壓”輸入值的靈敏系數(shù),且“差壓值”和“絕壓值”的差越大,靈敏系數(shù)減少越明顯。綜合以上,標準表法氣體流量標準裝置的小流量檢定系統(tǒng)的不確定度U=0.13%(k=2),最佳測量結(jié)果的擴展不確定度U=0.14%(k=2);大流量檢定系統(tǒng)的不確定度U=0.16%(k=2),最佳測量結(jié)果的擴展不確定度U=0.16%(k=2),可滿足開展0.5級及以下等級天然氣流量計的檢定要求。