天然气实流检定原级标准装置的设计研究.pdf

第 5 O 卷第 6期 2 0 1 4年 1 2月 石油化工自动化 AUToⅣ【 ATI oN I N PETR CHEM I CAL I NDUSTRY Vo l _ 5 0 ，No ． 6 De c e mb e r ．2 O l 4 天然气实流检定原级标准装置的设计研究 高志国， 朱瑞苗， 吴佳， 王美燕 中石化中原石油勘探局勘察设计研究院， 河南 濮阳 4 5 7 0 0 1 摘要 天然气实流检定装置中， 原级标准装置是整个检定装置的最高级标准。介绍了国际上常用的几种气体流量原级标准装 置， 比较了 H P P P 法和m t 法两种原级标准的量值溯源， 分析了原级标准装置的不确定度因素， 以此作为工程应用的基础， 建设 国家级天然气 实流检定站 。 关键词 实流检定原级标准装置量值溯源不确定度 中图分类号 T E 8 6 3 ． 1 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 1 4 0 6 0 0 1 3 0 4 De s i g n a n d Re s e a r c h O i l Ac t u a l Fl o w C al i b r a t i o n Pr mr y S t a n d a r d De v i c e o f Na t u r a l Ga s Ga o Z h i g u o，Z h u Ru i mi a o ，Wu J i a ，W a n g Me i y a n Z h o n g y u a n En g i n e e r i n g Co mp a n y，S I NOP EC，Pu y a n g，4 5 7 0 0 1 ，Ch i n a Ab s t r a c t P r i ma r y s t a n d a r d d e v i c e i S t h e mo s t a d v a n c e d s t a n d a r d o f wh o l e c a l i b r a t i n g d e v i c e i n a c t u a l f l o w c a l i b r a t i o n d e v i c e o f n a t u r a l g a s ． S e v e r a l p r i ma r y s t a n d a r d g a s f l o w d e v i c e s c o mmo n l y u s e d wo r l d - wi d e l y a r e i n t r o d u c e d ．Th e t r a c e a b i l i t y f o r t wo p r i ma r y s t a n d a r d s o f mt me t h o d a n d HP P P me t h o d a r e c o mp a r e d ．Un c e r t a i n t y f a c t o r s o f p r i ma r y s t a n d a r d s d e v i c e s a r e d i s c u s s e d ．I t c a n b e u s e d a s b a s i s o f e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n s t o c o n s t r u c t n a t i o n a l a c t u a l f l o w c a l i b r a t i o n s t a t i o n o f n a t u r a 1 g a s ． Ke y wo r d s a c t u a l f l o w c a l i b r a t i o n ；p r i ma r y s t a n d a r d d e v i c e ；t r a c e a b i l i t y；u n c e r t a i n t y 计量仪表广泛应用于石油天然气、 石油化工等 行业 ， 准确可靠的计量数据是保证天然气管网安全 稳定生 产、 提高企业经 济效益 的前提条 件。国家 计量法 、 中华人 民共和国强制检定的工作计量 器具检定管理办法 、 中华人 民共和国强制检定的 工作计量器具 目录 均明确规定需要对计量器具进 行定期、 定点的强制检定。国家标准 天然气计量 系统技 术要 求 中， 对 输量 达 到标 准状 态下 5 1 0 m。 ／ h 的天然气贸易计量站 ， 采用在线实流检定 或校准天然气流量仪表。中石化正在建设 的国家 石油天然气大流量计量站武汉分站是具有原级标 准的国家级天然气实流检定站 ， 笔者通过原级标准 检定站的设计过程 ， 对国际上采用的原级标准 、 量 值溯源方式及其不确定度分析进行 了阐述。 1 原级标准装置介绍 气体流量原级标准是根据 流量 的定义来复现 气体流量值的， 原级标准装置形成流体流动环境， 并通过对质量 、 长度、 时间等基本量溯源得到准确 的流量值。相对于标准而言， 气体流量原级标准的 优点是它不需要通过与其他气体流量标准进行比 较而得到量值， 即它不依赖其他气体流量装置的量 值 ， 因而理论上该方法是准确度最高的流量装置。 但另一方 面， 由于其实现量值 的原理复杂， 测量范 围， 特别是测量上限受到限制 ， 额定操作条件和环境 条件苛刻， 建造及运行成本较高， 维护和操作复杂， 不宜经常使用， 适用于进行量值溯源、 科研试验等。 目前 ， 比较常用 的天然气流量原级标准主要有 高压 气体 活塞 装 置 HP P P h i g h p r e s s u r e p i s t o n p r o v e r 、 静态质量法装置 m t 法和静态时间法装 置 p VTt 法 。 1 ． 1 H P P P法 HP P P法气体流量标准装置由具有恒定截面 和已知容积的管段组成 ， 活塞 以自由置换或强制置 换方式在其内往复运动， 根据活塞通过该管段所需 时间可得到气体 的标准体积流量 。检测开关可确 定活塞进人和离开标准管段 的时间间隔， 标准管段 的容积可采用水驱法 由标准量器确定。但近年来 随着几何尺寸仪器的不断发展 ， 现在多采用几何测 稿件收到 日期 2 0 1 4 0 8 2 6 。 作者简介 高志 国 1 9 7 7 ， 男 ， 山东东 营人， 1 9 9 8年 毕业于 西南 石油学院计算机应用专业 ， 获硕 士学位 ， 现工作于中石化 中原石油 勘探局勘察设计研究院， 负责仪表、 控制系统设计研究工作， 曾从 事多年 D c s 维护及现场总线维护工作， 任高级工程师。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 4 石油化工 自动化 第 5 O卷 量的方式对标准管段的体积进行直接测量。目前 国际上只有德国国家物理技术研究院 P T B使用一 S 套 HP P P法高压天然气气体流量基准装置 ， 其 系 统原理如图 1 所示 。 a 2 a 4 、 c ／ 6 b2 c ／ 占b 图 1 HP P P天然 气原级 标 准 系统 原理 注 a l ， a 5 活塞位置开关 ； a 2 ，b 2 ，C 2 容器开关 开位置 ； a s 容器开关 半行程 ； a 4 ，b ， C 4 一一 容器开关 关 位置 1 ． 2 mt 法气体流量标准装置 mt 法气体流量标准装置， 主体由三通阀、 称重 容器和秤组成 。气体经过两级压力调节后使压力 稳定在系统所需值 。通过三通 阀进入称重容器 ， 称 量气体质量和测量通过的时间就可以计算出流量 。 该装置主要用 于校准音速 喷嘴， 当用 于校准 其他 流量计时， 需在流量计与三通 阀间安装音速喷 嘴， 以保证流量恒定 。mt 法装置 的质量 和时间可 溯源到国家 的质量和时间基准 ， 其工 艺流程如 图 2所示 。 图 2 mt 法 气体 标 准装置 工 艺流程 天 然 气 支 干 线 1 ． 3 p V T t 法气体流量标准装置 p V T t 法气体流量标准装置根据气体热力学 状态方程 ， 在实测时间 ￡ 内让气体 注入或 流出容 积为 V的标 准容器 ， 通过容器 内气体绝对压 力 P 和热力学温度 T的变化， 计算确定气体的标准质 量流量。 V通过体积法或称重法确定， 但在实际使 用 中要考虑进行温度和压力修正 。该方法所涉及 的测量参数和影响因素较多 ， 均会影响所复现的标 准流量值 ， 故其流量测量不确定度要高于 mt 法装 置， 其标准装置原理如图 3所示 。 气 流 图 3 p VTt 法气体 流量标 准装 置原 理 2 量值传递方式 2 ． 1 H P P P法为原级的气体量值传递系统 HP P P法系统的关键是缸体体积及通过该体 积时间的测量 ， 因而该 系统溯源 到长度和时 间基 准 。目前 ，HP P P 可 实 现 的 不 确 定 度 可 达 到 0 ． 0 6 ； HP P P直 接量值 传递 G1 0 0级别 和 G2 5 0 级别的涡轮流量计 ； 在此基础 上， 为了实现流量上 限量程的拓展 ， 可使用该 G2 5 0级别的流量计量值 传递 4台相同流量范围的 G2 5 0涡轮流量计 ， 此 4 台涡轮流量计并联使用可量值传递至更高流量的 G1 0 0 0级别涡轮 流量计 ， 在此 G1 0 0 0级别 流量计 的基础上量值传递工作用 的 6台 G1 0 0 0级别 的涡 轮流量计 ， 最终可实现的最大流量为 9 6 0 0 m。 ／ h ， 各级系统的不确定度结果如图 4所示 。 2 ． 2 mt 法为原级的气体量值传递系统 以 mt 法为原级 的气体流量量值传 递系统 由 于系统本身涉及质量和时间的测量， 因而系统溯源 到质量和时间基准。 目前 ， mt 法可实现的不确定 度优于 0 ． 1 0 。mt 法直接量值传递 的流量计为 音速喷 嘴， 单个 喷嘴 的量程在 mt 法 的测量范 围 内， 根据装置的测量能力 ， 并联 使用喷嘴的测量范 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6 期 高志国等．天然气实流检定原级标准装置的设计研究 围可扩大到 2 5 0 7 IT I 。 ／ h ； 使用音速喷嘴组对工作标 准进行量值传递 ， 在此基础上使用工作标准对现场 使用的流量计进行量值传递 ， 各级系统的不确定度 结果如图 5所示 。 r]r] I 长 度 基 准 l 时 间 基 准l J I l H P P P法原级标准 I i 8 ～4 8 0 m 3 ／ h ， “ ≤0 ． 0 6 l { I 怕 ∞ 涡 o o4 0 0 m 3 ／ h 0 笺 量 计 工 作 标 准l c I 8 ～ ，“ ， ≤ ． 2 l 图 4 HP P P法量值 传递 系统 及 不确定 度 匡 I 4 l m t 法原级标准 l I 8 ～4 3 6 m a ／ h ， M ≤0 ． 1 l I l 音速喷嘴 l l 8～4 3 6 m 3 ／ h ， “ ≤0 ． 2 O l l 移动 车载式 标准 l l 现场工作流量 计 l l 核查标准 l I 8 0 ～8 0 0 0 m 3 ／ h ， “ 一0 ． 4 0 ％ l l 8 ～9 6 0 0 m a ／ h ， U r 一0 ． 5 ％～1 ． o l l 2 0 ～1 ． 1 1 0 m 3 ／ h l 图 5 mt 法量值 传递 系统及 不确 定度 3 不确定度分析 准不确定度 ； r 容积测量的重复性 。 3 - 1 H P P P法不确定度分析 “ ， 一 干 4 HP P P方法复现的体积流量可以表示为 式中 内径测量的相对标准不确定度 ； 一 ㈩ 蕞 体 式中 体积流量， ／ s ； 一活塞通过的有 积测量的重要参数， 为T量 和L， 搭建了专用 效体积， m3 ； △ 卜一 活塞运动一个行程所需时间， s 。 系统设备进行测量 。 V一 7 c d 2 L 2 在对 HP P P缸体 的直径和行程长度进行测试 式 中 H P P P 的 不 锈 钢 缸 体 内 径 ， m ； L 旱 ， 可 计 算 缸 体 体 积 测 量 的 不 定 。 目 前 ， H P P P 的 不 锈 钢 缸 体 有 效 长 度 ， m 。 由 苎 体 直 径 和 行 程 长 度 采 用 专 用 仪 器 ， 此 项 从式 1 ， 式 2 可以得到 HP P P法体积流量 不确定度 0 2 fr o k 2 。 及 体 积 的 标 准 不 确 定 度 3 ． 2 m 确 璧 析 ． U r q v ／ ， V 4 - U r △ ￡ 。 ， r 。 3 式中 H P P P活塞有效体积测量的相对 标准不确定度 ； △ 活塞运动时间的相对标 一 ㈣ 式中 q m 质量 流量 ， k g ／ s ； A t 向称重罐充 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工 自动化 第 5 O 卷 气的时间， s ； △ m 内通过喷嘴进入称重罐 的 天然气质量， 。 从式 5 可以推导得到采用 mt 法质量流量的 标准不确定度 q m 一 ／ u ， △ U r △￡ U r r 6 式 中 △ 测试时间内通过喷嘴进人称重 罐天然气质量相对标准不确定度 ； △￡ 充气 时间的相对标准不确定度 ； r 质量 流量测 量的重复性 。 Am 1 2 3 4 7 式中 矾 时间内充人称重罐内的天然气质量 ， ； 临界流喷嘴出口和换向阀之间附加容积 内天然气质量的变化量 ， k g ； 眠 换 向阀和进罐 手动阀 取决于称重系统的脱开机构位置 之间附加 容积内天然气质量的变化量， k g ； 觋 称重罐充 人天然气后 ， 体积膨胀引起的空气浮力变化量 ， k g 。 U r △ 一 ／ 1 4 - u X m e 4-u r m a 4-U r 1 1 “l 4 8 式中 m 时间内充人称重罐内的天然 气质量 的相对标准不确定 度； ／d , m。 临界流 喷嘴出口和换向阀之间附加容积 内天然气质量变 化量的相 对标准不确定度 ； 。 换 向阀和 进罐手动阀 取决 于称重系统 的脱开机构位置 之 间附加容积 内天然气质量变化量的相对标准不确 定度 ； ／d , m 称重罐充入天然气后 ， 体积膨胀 引起的空气浮力变化量的相对标准不确定度。 U r △ 一 ／ ￡ U r H1 4-U r H2 。 9 式中 △￡ 计时器的相对标准不确定度； H 单个快速换向阀换 向时间差的相对标 准不确定度； U H。 2 个快速换向阀联动换 向 时问差 的相对标准不确定度。 4 结束语 通过对天然气原级标准装置的介绍 ， 研究了国 际上常用的三种不同原理的原级标准装置量值溯 源方式， 对各种标准装 置的不确定度进行分析 ， 对 比原级标准装置 的优劣 ， 在国家石油天然气大流量 计量站武汉分站中推荐采用 HP P P法作为原级标 准装置。通过对该技术的消化吸收 ， 逐步转化为中 国石化专有技术， 将使中国石化在天然气计量技术 领域处于领先地位 。同时， 利用该装置与国际原级 标准装置开展量值 比对和研究 ， 进一步推进中国天 然气计量科学技术进步 。 参考文献 [1] 林景 星 ， 陈 丹英． 计量 基础 知识 E M] ． 北京 中国计 量 出版 社 ， 2 0 0 8 ． [2] 潘 丕武 ， 张 明． 天然气计量技术基础 F M] ． 北京 石油工业 出 版社 ， 2 0 1 3 ． [3] 黄 和， 张福元 ， 游定 明 ， 等． GB ／ T 1 8 6 0 3 -- 2 0 0 1天然气计 量 系统技术要求[ s ] ． 北京 中国计划出版社， 2 0 0 1 ． [4] 孙 德 刚， 张 益 民， 徐 晓明． 中 国油气计 量 技术论 坛 论文 集 [ M] ． 北京 石油工业 出版社 ， 2 0 1 2 ． [5] 油 气 计 量及 分 析 方 法 专业 标 准 化技 术 委 员 会 组． GB ／ T 2 0 9 0 1 -- 2 0 0 7 石油石化行业能源计 量器具 配备 和管理要 求 [ s ] ． 北京 中国标准出版社， 2 0 0 7 ． [ 6] 丁建林 ， 国明 昌， 邱 惠 ， 等． 高压天然 气流 量标准装 置 [ M] ． 北京 中国计量 出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 7] 李丹华 ， 姜东琪． AGA8 9 2 D G计算 方法 天然气压缩因子计 算[ J ] ． 煤气与热力 ， 2 0 1 I O 3 3 5 3 8 ． [ 8 ] 张沁川， 王厚军． 数据采集系统波形亮度调节与校正技术研 究 ll J ] ． 计量学报 ， 2 0 1 3 ， 3 4 0 4 3 6 6 3 7 1 ． 安控无线压 力变送器喜获 2 0 1 4 C E C年度最佳产品奖 近 日， C ON TR OL E NG I NE E RI NG C h i n a 2 0 1 4 第 1 0届 年度最佳产品奖评选活动已圆满落下 帷幕， 安控科技创新产品无线压力变送器喜获年度过程控制一 过程仪表传感器类最佳产品编辑 推荐奖 。 该变送器是集压力传感器、 无线射频技术的传感器。它可以测量多种介质的压力信号并通过 2 ． 4 G 网络把信号传送给无线网关模块 例如 S g 9 3 2 。它具有无需布线， 工作时间长， 节约系统投资的特点。 该变送器已成功应用于青海油田天然气井井 口的压力采集和某城市燃气门站数据采集系统。 在这些应用中充分体现了安装、 组网简单， 无需地面施工， 可以节约施工成本的特点， 大大提高了项 目实施进度。 本次评选活动得到了国内外工控和自动化领域厂商以及用户的广泛支持和高度重视， 5 0 0名实名专业用户参与投票。 安控科技作为国内领先的工业 自动化领域创新产品和行业解决方案提供商， 不仅是先进 自动化技术的提供者， 同时也 是先进应用方案的倡导者， 更是 自动化领域的引领者， 始终坚持以高品质的产品、 领先的技术和全方位的服务 ， 与广大用户 携手共创辉煌。 北京安控科技股份有限公司 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m