氣體流量計在線校準的技術方法研究

郭 亮

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司，河北 唐山 063200）

0 引言

在能源計量學科領域中，周期檢定和周期校準，是確保能源計量器具的性能優(yōu)良和測量結果準確的必要手段，也是確保能源計量器具滿足法定要求的唯一途徑。企業(yè)在能源計量管理工作中，除按照國家和地方法律法規(guī)要求，確保分級分類配備能源計量器具，更重要的一項工作，就是確保能源計量器具能夠按照一定周期，進行檢定或校準，確保能源計量器具性能優(yōu)良和計量數(shù)據(jù)結果準確，能夠滿足法定計量要求和工藝計量要求[1]。

1 研究背景與研究價值

鋼鐵行業(yè)作為傳統(tǒng)制造類行業(yè)中的典型代表，能源消耗量和節(jié)能潛力同樣巨大，隨著企業(yè)發(fā)展，能源計量管理工作尤其是計量器具檢校準工作的壓力與需求也與日俱增。當前，國內(nèi)大部分鋼鐵行業(yè)在用能單位和次級用能單位一級，能源計量器具配備已基本滿足國家法律法規(guī)和標準文件要求，但能源計量器具的周期檢定和校準工作，卻普遍存在不同程度的缺失和瓶頸。

鋼鐵行業(yè)中廣泛使用的能源計量器具，普遍通過管段式或法蘭式的安裝方式，完成與被測介質(zhì)管道的連接，例如孔板、噴嘴、V型錐等，這類計量器具安裝方便且成本低廉，適合大量安裝使用，但也存在相應的技術缺陷，即一旦投入使用，除非將管道中的被測介質(zhì)排空，否則其一次裝置（傳感器）無法安裝位置拆除。一般來說，企業(yè)需要在產(chǎn)線大修完全停產(chǎn)時，才能安排停止供能，然后拆除一次裝置送至標準實驗室完成檢定或校準，完成后送回現(xiàn)場，回裝并恢復供能。完成上述過程有3個難點：1）全停產(chǎn)檢修機會極少，難以保證每條產(chǎn)線配備的能源計量器具都能夠在有效周期內(nèi)得到拆卸送檢的機會。2）外送檢定或校準耗時較長，現(xiàn)場產(chǎn)線即使有停產(chǎn)檢修機會，時間也不足以支持拆卸送檢。3）往返途中還會產(chǎn)生不菲的物流運輸費用和隨行監(jiān)裝人員的差旅食宿費用。綜上所述，傳統(tǒng)的外送檢定/校準模式，難以在鋼鐵行業(yè)正常生產(chǎn)運行的前提下廣泛推廣實施。

因此對鋼鐵行業(yè)來說，如果能夠通過技術手段，不需要將傳感器從管道中拆卸，不需要產(chǎn)線停產(chǎn)檢修或停止供能，在能源計量器具安裝運行現(xiàn)場即可在線進行檢定或校準，將極大地降低企業(yè)能源計量管理的各方面成本，調(diào)動企業(yè)進一步開展能源計量器具周期檢定校準工作的積極性，提高企業(yè)能源計量管理水平，促進企業(yè)節(jié)能減排工作有效推進。

2 在線校準技術

氣體計量器具通常由一次裝置（傳感器）和二次裝置（轉換器）組成，搭配壓力傳感器和溫度傳感器作為補償裝置，共同構成整套設備[2]。對氣體計量器具進行在線校準，需要在計量器具安裝位置的附近，部署在線校準裝置，對同一位置的管道內(nèi)氣體流量進行測量，并與現(xiàn)場安裝運行的計量器具進行比對，通過多次測量得到的原始數(shù)據(jù)，計算出被校準計量器具的綜合不確定度。

在線校準裝置同樣由一次裝置和二次裝置組成。一次裝置包括測量管和各種傳感部件（如溫度、壓力、密度、流速、差壓、聲速、轉速等傳感器）等，傳感部件可安裝于管道內(nèi)部或外部。二次裝置接收來自一次裝置的檢測信號，并分析、轉換和（或）傳送該信號、顯示、記錄，以得到流量值。

利用企業(yè)現(xiàn)場供能管道，將標準表與被校準計量器具串聯(lián)，通過對比標準表與被校準計量器具的流量示值（瞬時值或累計值），從而確定被校準計量器具的在線示值誤差以及計量器具的修正系數(shù)[3]。

為達到上述目的，需要使用插入式傳感器作為在線校準裝置的一次裝置，在被測計量器具附近的管道上，使用開孔設備在管壁上鉆取測孔，孔徑大小根據(jù)被測管道的實際管徑選取。開孔位置安裝阻斷閥，進行在線校準時打開阻斷閥安裝標準裝置，校準完畢后取出標準裝置，將阻斷閥關閉，防止管道內(nèi)氣體介質(zhì)外泄。目前，鋼鐵行業(yè)中大部分氣體流量計量場景下，被測介質(zhì)都可以使用相應技術設備實現(xiàn)不停氣前提下的在線開孔；而對于氫氣、氧氣等少數(shù)容易爆燃的被測介質(zhì)，可以等待檢修停氣時完成開孔作業(yè)。

3 在線校準技術使用條件

3.1 環(huán)境條件

該文中論述的在線校準技術在應用時，環(huán)境條件一般應滿足：1）環(huán)境溫度為-10℃～45℃；2）相對濕度為35%～95%；3）大氣壓力為86kPa～106kPa。4）被測介質(zhì)應是封閉圓形管道內(nèi)的單相穩(wěn)定氣態(tài)流。5）電源應滿足標準裝置在現(xiàn)場工況條件下使用的要求。6）場地滿足安全操作要求，被測計量器具如安裝在架空管廊上，應有配套扶梯或直梯，應有配套檢修操作平臺，操作平臺空間應足夠容納兩人以上的作業(yè)人員和部署標準裝置所需要的空間。7）外界磁場應小到對在線校準裝置和被校準計量器具的影響可忽略不計。8）振動和噪聲應小到對在線校準裝置和被校準流量計的影響可忽略不計。

3.2 被校準計量器具

該文中論述的在線校準技術在應用時，被校準計量器具應滿足以下條件：1）被校準計量器具應滿足GB 17167—2006的要求[1]。2）被校準計量器具安裝與使用應滿足其產(chǎn)品說明書的要求。3）被校準計量器具應有前一個周期的檢定或校準證書，或首次檢定或校準時的有效證書。

3.3 標準表

該文中論述的在線校準技術在應用時，標準表應滿足以下條件：1）標準表的選擇。作為在線校準裝置的標準表，應選擇重復性和修正系數(shù)穩(wěn)定性滿足如下要求的便攜式在線安裝巴類流量計。標準表的重復性驗證方法：在常用的管道范圍內(nèi)固定選擇一個管道口徑進行重復性實驗，每次試驗在該管道上做4個流量點的測試；具體流速分別為5.0m/s、10.0m/s、15.0m/s、2.0m/s；亦可根據(jù)現(xiàn)場實際需要增加流速點，各流速點重復測試3次。計算各流量點的重復性，最大不得超過0.20% 。修正系數(shù)穩(wěn)定性驗證方法：重復性滿足要求的標準表，初次使用的第一年至少要進行不少于3次的修正系數(shù)穩(wěn)定性實驗，相鄰2次實驗的修正系數(shù)變化不得大于0.25% 。在此后的使用中，要關注相鄰2次校準標準表的系數(shù)變化，超過0.25%時，應縮短復校間隔。2） 標準表的校準。標準表的量值應溯源至計量基準或社會公用計量標準；標準表及主要配套設備均應獲取有效的檢定或校準證書[1]。標準表的校準口徑以及在何種口徑上校準，應根據(jù)被測計量器具的實際情況決定。另外，標準表還應在實驗室標準裝置上完成定口徑、定雷諾數(shù)狀態(tài)下的流出系數(shù)校準。由于便攜式在線安裝巴類流量計可以在不同口徑的管道上對流量進行測量，實驗證明在不同口徑上便攜式在線安裝巴類流量計的儀表系數(shù)有區(qū)別，因此檢測時使用的儀表系數(shù)應采用統(tǒng)一系列管道口徑上測得的儀表系數(shù)。實驗證明便攜式在線安裝巴類流量計在相同口徑不同流速的前提下，儀表系數(shù)線性誤差基本在0.5%以內(nèi)，而其同一個流速點的重復性基本在0.10%以內(nèi)，而在線校準都是在固定流速情況下使用的，因此便攜式在線安裝巴類流量計作為標準表使用時，應該采用定口徑定流速的方法進行校準。

推薦的標準表校準流速點為5.0m/s、10.0m/s、15.0m/s、20.0 m/s；根據(jù)被校準計量器具的實際情況，可增加或刪減校準流速點。標準表校準流速點與在線校準實際流速相差不得大于0.25 m/s。3）標準表的流出系數(shù)（流量系數(shù)）不確定度應優(yōu)于 0.2%。4）標準表測量的管道內(nèi)徑、材質(zhì)、壁厚、襯里材質(zhì)及其厚度，以及測量介質(zhì)類型、介質(zhì)溫度、介質(zhì)壓力等都應該在標準表說明書規(guī)定的范圍之內(nèi)。

4 標準管段

該文中論述的在線校準技術在應用時，標準管段的選擇應滿足以下條件：1）推薦在被校準流量計的上游或下游合適位置安裝一段幾何尺寸已知的管段作為標準管段。2）標準管段可以是一段專門定制的串聯(lián)在流量計管道上的碳鋼或不銹鋼短節(jié)，其長度不小于被校準流量計管道公稱直徑的15倍。3）標準管段也可以是在流量計管道上選定的流場條件和管道內(nèi)徑尺寸都能滿足標準表要求的一段直管。 4）標準管段的位置應以上下游直管段長度盡量長的原則選定，應選擇水平管道或上升管道作為標準管段的安裝位置。5）標準管段位置應確保沒有液體集聚的情況，最好是沒有電磁干擾和振動干擾的位置。6）標準管道的焊縫應避開標準表變送器的安裝位置。7）利用現(xiàn)場管道作為標準表安裝位置的標準管段，要現(xiàn)場實測管道內(nèi)徑與壁厚。8）應優(yōu)先選擇不帶襯里的管道作為標準管段，如無法避開，襯里材質(zhì)與厚度 必須準確已知。9）對于常見的阻力件的上下游直管段長度，泵、閥門、變徑管、三通的上游直管段應至少滿足7倍管徑距離，下游直管段應至少滿足3倍管徑距離，彎頭的上游直管段應至少滿足5倍管徑距離，下游直管段應至少滿足2倍管徑距離。

5 其他設備

該文中論述的在線校準技術在應用時，可能需要使用的其他輔助設備應滿足以下條件：1）用于測量管道尺寸與壁厚的計量器具應有有效的檢定或校準證書。2）管道外徑測量推薦使用π尺，壁厚測量推薦使用測厚儀。

6 在線校準項目和校準方法

進行在線校準時需要執(zhí)行的校準項目包括流量計在線示值誤差校準，確定流量計的修正系數(shù)。

進行在線校準的方法和步驟如下：1）一般檢查。首先需要對被校準計量器具進行以下一般性檢查。檢查流量計轉換器中輸入的關鍵參數(shù)是否正確。觀察并記錄流量計當前的工作流量（流速）。檢查標準表的內(nèi)置儀表系數(shù)，應是與被校準流量計口徑與流速相吻合的儀表系數(shù)。2）標準表的安裝位置選擇與測量管道的測量如上文所述。3）校準流量點。根據(jù)現(xiàn)場實際情況與確定校準流量點，每個流量點一般校準不少于3次。流量點一般選擇1～3個，現(xiàn)場無法調(diào)節(jié)流量時可采用在不同時段校準的方法進行不同流量點的校準。4）在線示值誤差校準。在線示值誤差校準分瞬時流量法和累計流量法2種，當現(xiàn)場流量波動小于 3%時建議采用瞬時流量法，當現(xiàn)場流量波動大于3%時建議采用累積流量法；當被校準計量器具流量示值分辨率小于0.1%時只能采用累積流量法。每次校準時，一般由2名校準人員同時讀取并記錄被校準計量器具和標準表的流量示值。

若采用瞬時流量法，則至少讀取30個瞬時流量數(shù)值，每次讀數(shù)間隔60s，之后在做平均值計算時允許按規(guī)則剔除讀數(shù)粗大誤差。以計算出的平均值作為該次測量的儀表示值。

若采用累積流量法，則應讀取至少30min的流量累積值作為該次測量的儀表示值。校準時讀取的儀表示值的分辨率應大于0.05%。3次測量完成后分別計算標準表和被校準流量計的3次測量平均值作為該流量點的標準流量值（Qs）i和流量計示值Qi。5）安全注意事項?，F(xiàn)場作業(yè)時，需遵守有關安全管理規(guī)定，穿戴好勞保和安全防護用品，做好工作危害分析（JHA）和工作安全分析（JSA），確保作業(yè)安全。6）復校時間間隔。由于復校時間間隔的長短是由被校準計量器具的使用狀況及其測量介質(zhì)性能等很多因素決定，因此可根據(jù)各地方法定計量監(jiān)督管理部門的規(guī)定和流量計實際工況，合理決定復校時間間隔，一般建議復校周期為 1～2年。

7 在線校準結果的計算

7.1 在線示值誤差

流量點每次的在線測量示值誤差Eij按如下公式計算[2]：

式中：qij為第i流量點第j次校準時的被校準流量計示值（瞬時值或累積值）；（qs）ij為第i流量點第j次校準時的標準表示值（瞬時值或累積值）。

取3次測量的在線示值誤差平均值作為該流量點的在線示值誤差Ei。

7.2 流量計在線修正系數(shù)

完成在線校準后，當流量點的在線示值誤差平均值Ei超過流量計的準確度等級時，可通過計算新的在線修正系數(shù)來調(diào)整示值誤差。新修正系數(shù)按如下公式計算[2]：

式中：Ki：第i校準點新在線修正系數(shù)；Ko：被校準計量器具當前修正系數(shù)；Qi：第i校準點被校準流量計的平均流量；（Qs）i：第i校準點標準表的平均流量。

被校準計量器具各流量點平均在線修正系數(shù)K按如下公式計算[2]：

式中：m為該校準過程中實際測量的流量點數(shù)。

校準后當在線示值誤差平均值Ei不超過流量計準確度等級時，則Ki=Ko。

7.3 重復性計算

被校準計量器具每個流量點的重復性（Er）i按如下公式計算[2]：

式中：n為該校準過程中對第i流量點的實際校準次數(shù)。

取被校準計量器具所有流量點的重復性最大值，作為被校準計量器具的重復性Er。

當重復性超出準確度等級規(guī)定范圍時，必須在校準證書中出示相關信息。

7.4 計算各流量點的擴展不確定度

被校準計量器具的擴展不確定度按如下公式計算[4]：

式中：Ur為被校準計量器具的擴展不確定度；k為包含因子；ucr為合成標準不確定度。

取所有流量點的擴展不確定度最大值作為被校準計量器具的擴展不確定度。

8 在線校準技術應用

該文中所論述的技術方法，在國內(nèi)石油化工行業(yè)中，已有成規(guī)模的應用實例，且在中國石油化工集團公司內(nèi)部，已形成企業(yè)標準并發(fā)布實施。

在鋼鐵行業(yè)中，首鋼京唐公司作為行業(yè)領軍企業(yè)之一，率先與相關校準實驗室展開合作，利用自身現(xiàn)場工況場景積極開展技術驗證，已先后在DN80至DN1600的不同管徑規(guī)模下，分別對煤氣、氮氣等多種不同能源介質(zhì)，完成了在線校準的全過程和效果驗證，校準過程和結果符合法定計量監(jiān)督管理部門的技術要求和企業(yè)的計量管理要求。該技術方法目前已向中國合格評定國家認可委員會申報CNAS建標認可。

9 結語

隨著我國工業(yè)化水平的不斷發(fā)展進步，鋼鐵行業(yè)曾經(jīng)的粗放型管理模式正在逐漸向精細化管理模式轉變，對能源計量工作的認識水平也在不斷提高，行業(yè)內(nèi)對能源計量器具周期檢定校準方法的討論和思考開始逐漸活躍。該文所論述的技術方法，在產(chǎn)線正常生產(chǎn)的同時，對能源計量器具就地進行校準，完美契合鋼鐵行業(yè)自身的特點和需求，符合行業(yè)未來發(fā)展趨勢，對于其他生產(chǎn)制造類行業(yè)也極具推廣價值。