高压天然气流量标准装置.pdf

第2 9 卷第5 期 2 0 0 8 年1 1 月 计 量 学 报 ACTA ME r R0L 0GI CA S I NI CA V0 1 ．2 9．No 5 No v e mb e r ，2 0 08 高压天然气流量标准装置 丁建林 ， 国明 昌， 邱 惠 ， 周 雷 中国石油西气东输管道公 司 ， 上海2 0 0 1 2 2 摘要 介绍 了我 国新 建的南京 计量测试 中心高压天 然气流量标 准装置建设 的背景 、 站址条 件 、 工 艺流程 、 各级 流量标准装 置的构成 和技术指标 、 流量量值传递框 图及 保证流 量量 值准确 、 可 靠所 采取 的措施 。高压 天然气 流量 标准装置包 括原级标准 、 次级标 准 、 工作 标准和移动标准 ， 可 以直接 以高压 天然气为介 质对各 种类 型的气体 流量计 进行检定或校 准。文 中还给出 了次级标 准的比对试验结 果和 国际 上现有 的主要 天然 气流 量标准 装置 的检定 能力 比较 表 。 关键词 计量学 ；天然气流量计 量 ； 流量标准装置 ； 检定 ；校准 中图分 类号 T B 9 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 - 1 1 5 8 2 0 0 8 0 5 - 0 4 7 9 - 0 5 Hig h Pr e s s u r e Na t u r a l Ga s F l o wme t e r Ca l i b r a t i o n F a c i l it ie s D I N G J i a n - l i n ， G U O M i n g c h a n g ， Q I U H u i ， Z H O U L e i P e t r o c h i n a We s t e a s t G a s P i p e l i n e C o m p a n y ， S h a n g h a i 2 0 0 1 2 2 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e n e w l y b u i l t h i g h p r e s s u r e n a t u r a l g a s f l o w me t e r c a l i b r a t i o n f a c i l i t i e s i n Na mi n g Me asu r e me n t C e n t e r o f C h i n a a r e d e s c rib e d， i n c l u d i n g t h e b a c k g r o u n d o f c o n s t r u c t i o n，l o c al fl o wi n g c o n d i t i o n s a t t he c e nt e r ，p r o c e s s i n g p i p e l i n e s l a y o u t ， s t ruc t u r e a nd f e a t u res o f e a c h f a c i l i t i e s，fl o w r a t e q u a n t i t y t r a n s f e r d i a g ram ，a n d me asur e s t h a t h a v e b e e n t a k e n t o e n s u r e the a c c u r a c y o f flo w r a t e．T h e h iig h pr e s s u r e n a t u r al g a s flo wme t e r c ali b r a t i o n f a c i l i t i e s a r e p rima r y s t a n d a r d． s e c o n d a r y s t a n d a r d， w o r k i n g s t a n d a rd a n d m o b i l e s t a n d a rd． The y a re u s e d t o c a l i b ra t e o f a l l k i n d s o f g a s fl o w m e t e d i r e c t l y w i t h h i gh p re s s u re n a t u r a l g a s ．A b rie f i n t e rc o mp a r i s o n t e s t r e s u l t s a b ou t t h e s e c o nd a r y s t a n d a rd a n d a tab l e o f the c ali br a t i o n c a p a b i l it i e s o f s o me n a t u r a l g a s flo w s t a n d a r d f a c i l i t i e s i n t h e wo dd a r e als o g i v e n． Ke y wor d sMe t r o l o g y；Na t u r al g a s fl o w me a s u r e me n t ；F l o w s t a n da r d f a c i l i t y；Ve rifi c a t i o n；Ca l i b rat i o n 1 背 景 随 着 国 家西 气 东 输 管道 工 程 项 目的启 动 ， 在 管 道沿线 的分输计 量 站上 选 用 了高 压 、 大 口径 的天 然 气流量计。按照国家计量法 的要求 ， 贸易交接计量 用流量 计属 于 强 制 检 定 计 量 器 具 ， 应 定 期 检 定 。 同 时 ， 按 有关 流量 计 量 的标 准 和 流量 计 的检 定 规 程 的 要求 ， 天然气流量计应在接 近实际工作条件下进行 实流 检定 。 为 了解 决 高压 、 大 口径 天 然 气 流 量计 的实 流 检 定 问题 ， 提 高天 然气 流量 计 量 的准确 度 ， 维护 贸 易双 方的利益 ， 在征得国家计量行政主管部门的同意后 ， 中国石油天然气集 团公司决定依托西气东输管道工 程， 建立了西气东输管道公司南京计量测试 中心 以 下简称计量中心 。 计量中心的主要任务是实施输气管道上使用 的 高压 、 大口径天然气流量计的实流检定 ， 并作为国家 的高压 、 大流量天然气流量计量部门， 开展流量的量 值传递工作和参加国际比对 。 2 站 址选择 和建设规模 站址 选 择是 项 目可行 性 研究 阶段 的一个 主要 内 收稿 日期 2 0 0 8 0 2 ． 2 0 ；修 回日期 2 0 0 8 ． 0 7 ． 1 8 作者简介 丁建林 1 9 6 4 一 ， 男 ， 江苏武进 人， 中国石油西气东输 管道公司 高级 工程 师， 主要从事油气管道建设管理工作。 4 8 0 计 量 学 报 2 0 0 8 年 1 1 月 容。综合考虑计量中心要求的工艺条件及当地的社 会 、 经济和文化条件后 ， 站址选在 了江苏省南京市境 内的龙潭分输站旁 ， 距市区3 9 k m。龙潭分输站内有 一 条青山至镇江的高压干线输气管道， 还有一条经 减压 后去 芜湖 的低 压 支 线 管 道 ， 天 然 气 的 流量 范 围 和 压力范 围能 够满 足 流量标 准装 置 的工作 条件 。 计量 中心高压天然气流量标准装置包括天然气 流量原级标准、 次级标准 、 工作标准和移动标准 ， 形 成 了完善的高压天然气流量量值传递和溯 源体 系。 各级标准的设计压力 均为 1 0 MP a ， 可 以用天然气为 介 质 ， 在 压 力 为 4． 5～9 ． 6 M P a的 范 围 内对 口径 为 D N 5 0 ～D N 4 0 0各 种 天 然 气 流 量 计 在 全 量 程 范 围 内 进 行检 定 和校准 。另外 ， 还建 立 了温度 、 压力 和天 然 气 组 分分析 实 验室 。 3 工艺流程 计量 中心的工艺流程框图见图 1 。 龙潭分输站 的两 条管 道分 别接 至青 山至镇 江输气 主 干线管 道 上 气液联动阀的上 、 下游 ， 用于检定流量大于 3 1 6 0 m 3 ／ h的流量 计。检定 时将 主干线上 的气液联 动 阀关 闭 ， 天然 气 自气液 联 动 阀的上 游进入 计量 中心 ， 检 定 用气 量 经标 准装 置和 测试 管段 后返 回至 气液联 动 阀 的下 游 回主 干线 ， 过 余 气 量 直接 经计 量 中心 人 口处 的旁 通 流量 调节 阀 ， 返 回至 气 液联 动 阀 的下 游 回主 干线。D N 4 0 0的两条管道分别接至龙潭分输站 内去 芜湖支线减压阀的上 、 下游， 用于音速喷嘴流量标准 装 置 的工 作 流 程 或 检定 流量 小 于 3 1 6 0 m 3 ／ h的流 量 计 。检定时将减压阀关闭， 天然气 自减压阀上游 ， 经 计 量 中心后 ， 返 回至 减压 阀 的下游 回芜 湖 支干线 。 检定 时 ， 天然气 经计 量 中心 内的过 滤分 离器 、 大 差 压 调节 阀或 一级 稳压 调节 阀 、 二级稳 压 调节 阀后 ， 过 余气 量经 流量 分 流 调 节 阀直 接进 入 出站 管 道 ； 检 定用气量经核查标准 、 工作标准 、 被检表测试管段后 进入 出站 管道 。在 短 期 检 定 间 歇 期 间 ， 天 然 气 不 进 入测试管段 ， 可直接经计量中心内的旁通流程进入 出站管 道 。 在计量中心内， 通过工艺流程的切换 ， 有 9个不 同功能的检定工艺流程 ， 即 1 原级标准校准音速喷嘴和高准确度流量计 流 程 ； 2 次级标 准校 准 大 口径工 作 标 准 流量计 和核 查 流量 计 流程 ； 3 次级标准校准小口径工作标准流量计和核 查流量计流程 ； 4 次级标准 检定 和校 准高 准确度 流量计 流 程 ； 5 次 级标 准检 定小 口径 被检 流量 计流 程 ； 6 次级标准检定和校准移动标准流程 ； 7 大流量工作标准检定大 口径被检流量计流 程 ； 8 大流量工作标准检定移动标准流程； 9 小流量工作标准检定小 口径被检流量计流 程 。 当次级标准工作 时， 被检定或校准 的流量计安 装在 次级 标准 的上 游 。 4 各级流量标准装置和量值传递框图 图 1 计 量中心工 艺流程框图 计量中心设在龙潭分输站的一个旁通装置 ， 有 4 ．1 原级 流量 标 准装 置 两种 进 出站工 艺 流 程 ， 与 龙 潭 分输 站 间有 4条 连接 原 级 流 量 标 准 装 置 采 用 质 量 ．时 间 法 即 埘 管道 ， 其中， D N 7 0 0和 D N 4 0 0的管道各两条。D N 7 0 0 法 ，由陀螺电子秤 、 称重球罐和一对联动快速换 向 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m 第 2 9卷第 5期 丁建林 等 高压天然气流量标准装 置4 8 1 阀等设备构成。装置的流量范围为 8～4 4 3 m ／ h ， 测 量 不确 定度 为 0 ． 1 0 ％ k2 。用 于复 现 流 量 ， 对 临 界 流 喷嘴 、 小 口径标 准 流量计 进 行检 定 和校准 。 陀螺 电子 秤用 于称 量 球 罐 内部 天 然 气 的质量 ， 其 准 确度 为 1 0 g ， 分 辨 率 为 5 g ， 可 自动 扣 除 称 重 罐 的皮重 ， 充 入 球 罐 内 的 天 然 气 的 最 大 质 量 为 l O 0 0 k g。 称 重 球 罐 是 用 于充 装 天 然气 的容 器 ， 其设 计 压 力 为 1 0 MP a ， 容 积为 l 0 r n 3 ， 选 用 特 种 高强 度 合 金 钢 材料 ， 壁厚 为 2 8 m m， 自重 约 为 7 t 。 联 动快 速 换 向 阀是 电控 液 动快 速 开关 阀 ， 用 于 工艺 流程 的快 速切 换 ， 快 速 开关 阀 的单 向换 向时 间 小 于 5 0 m s ， 换 向时 间差 和联 动 时间差 小 于 5 m s 。 4 ． 2 次 级流 量标 准 装置 次级 流量 标 准装 置 由 1 2只 并 联 安 装 的 圆弧 形 喉部 的 临界 流文丘 里 喷嘴 构成 ， 其设 计 、 制 造和 安装 符合 国 际标 准 I S O 9 3 0 0 。装 置 的 流 量 范 围 为 8～ 3 1 6 0 m ／ h ， 测量 不确 定 度为 0 ． 2 5 ％ k2 。主要 用 于对 工作 标 准装 置 、 移 动标 准装 置 上 的标 准流 量计 、 高 准确度 的 流量计 进 行检 定和 校 准 。 4 ． 3工作标 准装 置 工作 标 准 装 置 分 为大 、 小 口径 流 量 计 工 作标 准 和 相应 的检定 管路 。大 口径工 作标 准 由 8台并联 安 装 的涡 轮流 量计 和其 上游 并联 安装 的 2台超 声 流量 计组 成 。其 中 ， 8台 涡 轮 流量 计 包 括 口径 D N 1 5 0的 1 台和 D N 2 0 0的 7台 ； 2台超声 流 量计 的 口径 分别 是 D N 1 5 0和 D N 4 0 0 ； 有 D N 1 5 0 、 D N 2 0 0 、 D N 2 5 0 、 D N 3 0 0和 D N 4 0 0等 5个检 定 台位 。小 口径 工作 标 准 由 D N 5 0 、 D N 8 0和 D N1 0 0的 3台并 联 安装 的涡 轮 流 量 计 和其 上 游 安 装 的 1台 D N 1 0 0 的 超 声 流 量 计 组 成 ， 有 D N 5 0 、 D N 8 0和 D N 1 0 0等 3个 检 定 台位 。涡 轮 流 量 计作标准流量计 使用 ， 超 声流量 计作核查 表使用。 工作 标 准装 置 的 流量 范 围 为 8 ～1 2 0 0 0 m 3 ／ h ， 测量 不 确 定 度 为 0 ． 3 2 ％ k 2 ， 可 对 口 径 为 D N 5 0～ D N 4 0 0 、 准确度 等级为 1 ． 0级及 以下 的各种类 型 的 天然 气流 量计 在全 量程 范 围 内进行 检定 。 4 ． 4移 动标 准装 置 移动标 准装 置 由 2台 口径 分别 为 D N 1 5 0 、 D N 4 0 0 的 涡轮流 量计 和 1 台 D N 3 0 0的 超声 流量 计及 配套 的 阀 门 、 仪表 、 色谱 分 析 仪 等 设 备 构 成 ， 全 套 设 备 安 装 在 一 台特 制 的箱式 卡 车上 ， 车 的前部 是操 作 室 ， 装 有 数 据采集 处理 和控 制 系统 。两 台涡 轮流 量计 并联 安 装 ， 用作标准表； 超声流量计安装在涡轮流量计的上 游 ， 用作 核查 表 。装 置 的流 量 范 围是 8 0～8 0 0 0 m 3 ／ h ，工作压力为 4 ． 5～9 ． 6 M P a ，测 量 不 确定度为 0 ． 3 5 ％ k2 ， 主 要用 于 口径 不 超 过 D N 3 0 0 、 准确 度 等级 为 1 ． 0级及 以下 的天然 气 流量 计 的现 场 在线 实 流检 定 。 4 ． 5天然气 流 量量 值 传递 框 图 计 量 中心 的天 然气 流量 量值 传 递框 图 见 图 2 。 ． 质量基准 I I 时间基准 mf 法 原级标准 8 4 4 3 m’ ／ h ， U ． 1 O ％， k 2 次 级 标 准 8 ～ 31 6 0 m ／ h ， U 0 ．2 5 “ ／ 0,k - 2 标准流量计 I I I _T作标准 8 - - 1 2 0 0 0 m ／ h ， U - - O ．2 8 * ／ 0 , k 2 I l l 8 1 2 0 0 0 m ， } I ， U -- O ． 3 2 e, k 2 移动标准 8 0- 8 0 0 0 m ／ h ， U 0 ．3 5 *／ 0,k 2 现场工作流量计 8 - ． 1 2 0 0 0 m ／ h ，u - o ． 5 0 -1 ． 0 ％ k 2 图 2 计量 中心 流量量值传递框 图 计量 中心的天然气流量量值传递链短 ， 可溯源 至 国家 的质 量 标准 和 时间 标准 。 5 主要技术措施 为了保证计量 中心天然气流量量值传递的准确 可 靠 ， 在计 量标 准选 择 、 工 艺设 计 、 设备 选 型 、 数 据采 集和处理等方面都作了精心的考虑 。主要采取 了如 下 措施 1 流 量 量 值 传 递 链 连续 、 环 节 少 、 准 确 度 高 。 只经过 原级 标 准 、 次级标 准 、 工作 级 标 准等 三个 环节 就 实现 了国家质 量 标 准 和时 间标 准 到 现 场 用 高 压 、 大流量天然气流量量值的传递。用原级标准校准次 级标准时 ， 将每个临界流喷嘴及其上下游直管段 、 温 度和压力变送器 和整流器作为一个整体进行检定。 用 次级 标准 校 准工作 标 准 、 核查 标 准和 移动 标准 时 ， 不需要将流量计拆下来 ， 只需通过切换工艺流程 即 可。在量值传递过程 中有效地控制了安装条件和测 量仪 表 不确定 度 的影 响 。 2 各 级 流 量 标 准 装 置 的设 备 先 进 。 m t法 原 级流量标准装置工作原理简单 ， 质量流量不受温度 、 压力 变化 的影 响 。原 级 标准 的称 重设 备选 用 陀螺 电 子秤 ， 其 输 出信 号 的线 性 度 好 、 准 确 度 高 ； 称 重 罐 的 材料 选用 高 强 度 合 金 钢 S A一5 4 3 ； 快 速 换 向 阀是 特 制的电控液压 阀。次级标准选用临界流喷嘴组 ， 整 个装 置成 橇装 ， 利 用 其 灵 活 的组 合 方 式 及 喷 嘴 的恒 w w w . b z f x w . c o m 4 8 2 计 量 学 报 2 0 0 8年 1 1 月 流特性和阻塞特性 ， 可 以方便地将原级标准复现的 流量值传递到工作标准和核查标准。工作标准和核 查标准分别选用涡轮流量计和多声道超声流量计。 3 选用核查标准 ， 保证工作标准 的量值准确 可靠 。为了保证工作标准涡轮流量计给出的量值准 确可靠 ， 在其上游安装了多声道超声流量计 ， 用于实 时核 查 和监视 涡轮 流量 计 的量值 。 4 流量 计 的安装 条件 符 合相 关标 准 和 规范 的 要求 。流量计都配有前后直管段 、 整流器 、 温度和压 力测量仪表。为 了开展流量计性能研究 和测试 ， 在 每个被检表测试台位上留有 1 5 0 D的上游直管段 和 2 0 D的下游直管段 。 5 天然气的流动状态稳定。为了在检定过程 中方便地设定天然气 的流量和压力 ， 并保证天然气 的流动状 态稳 定 ， 选用 了 M O K V E L D轴 流 式 调节 阀 ， 在工艺管路中设置 了多级压力和流量调节。另外 ， 对所有 的暴露在空气 中的工艺管道都做 了外保温处 理 。 6 并联管道问无泄漏。为 了保证标 准表并联 管路间无泄漏 ， 在每条并联管路的上下游都安装 了 两台 阀 门， 一 台 是 O R B I T强 制 密封 阀， 另一 台是 G R O V E双密 封 阀 。 7 参数测 量 准确可靠 。温度测 量选 用 的是 R O S E MO u N T 3 1 4 4 P温度变送器 ， 其 准 确 度等级是 0 ． 2级 ； 压力 测 量 选用 的是 R O S E MO U N T 3 0 5 1 S绝 对 压力变送器 ， 其准确度等级是 0 ． 0 5级； 组分测量选 用了 A B B和 D a n i e l 公司的两套在线色谱分析仪 ， 分 别安装在计量中心的进 出站管道上， 两套 仪器给 出 的测 量结 果可 以互 相核 查 。 9 在计量标 准 的数 据采 集处理 和控制 系统 中， 存有标准表和核查表的校准数据 ， 用于对标准表 和核查表给出的量值进行修正 ， 所有计算 都符合相 应标准和规范的要求。 1 0 在次级标准 和小 口径流量计检定 台位 的 汇管处增加了小管路旁通 ， 用于在小流量下检定流 量计时减少管路气容对检定结果的影响。 6 比对试验 2 0 0 7年 l 2月 ， 用 计 量 中 心 的 次 级 标 准 对 美 国 C E E S I 的 双表 比对组 件 进行 了一 次 非 正规 的 比对测 试。比对组件由两台串联安装的 D a n i e l 超声 流量计 和涡轮流量计组成 ， 流量计的 口径 为 D N 2 0 0 。涡轮 流量计安装在下游， 其上游直管段为 1 0 D， 下游直管 段 为 5 D； 超 声流 量计 直接 安装 在 涡轮 流量计 直管 段 的上游 ， 其上游直管段是 1 0 D， 在直管段的上游安装 了板式整流器。比对组件 以前在美国 C E E S I I o w a和 德国 P T B P i g s a r 的天然 气流量标 准装 置上做过 测 试 。 试验过程 中， 同时开始和停止记录涡轮流量计 和超声流量计输出的量值 。涡轮流量计输出的脉冲 及 天然 气 的压力 和温 度值 由次 级标 准 的数据 采集 和 处理系统 记 录； 超声 流量计 的 流量值 由一 台运 行 D a n i e l C U I 软件的笔记本 电脑记录， 天然气的压力和 温度值 由手工记录。 比对试 验结 果见 图 3和 图 4 。在 图 中不对 三 个 实验 室 的结果 加 以 区分 ， 只是分 析结 果误 差 的大 小 ， Y轴 是 用百 分数 表示 的 流量计 示值 与 实 际流 量值 之 间的误 差 。 图 3 超声 流量计 比对实验结果 图 4涡 轮 流 量 计 比对 试 验结 果 从 图 中 给 出 的结 果 可 以看 出 对 于 超 声 流 量 计 ， 在流量大于 1 3 0 0 m 3 ／ h时 ， 试验结果 的示值误差 在 - t- O ． 1 5 ％的范 围内； 在流量小于 1 3 0 0m 3 ／ h时 ， 3个 实验室误差值的变化较大 ， 经分析认为可能是实验 室的条件差异或该流量计在小流量范 围内性能发生 变化 造 成 的。对 于 涡 轮 流 量 计 ， 试 验 结 果 的 线 性度 不是很好 ， 流量计 的 K一系数与铭牌上的数值明显 偏离 ， 绝大多数试验结果 的示值 误差在 0 ． 2 0 ％的 范围内。考虑到次级标准 的不确定度是 0 ． 2 5 ％ k 2 ， 比对试 验 的结 果还是 比较理 想 的 。 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m 第 2 9卷第 5期 丁建林等 高压天然气 流量 标准装置4 8 3 7 国际上高压天然气流量标准装置 比较 国际上 主要 高压 大流 量天 然气 流量 标 准装 置测 试 能力 对 比表见 表 1 。 从表 1中数据可 以看出 ， 计量 中心建立 的流量 标准 装 置在 检定 的流 量 范 围 、 压 力 范 围 和测 量 的不 确定 度 等方 面达 到 的水 平 。 表 1 国际上 主要高压大流量天 然气 流量标准装置测试 能力对 比表 8 结束语 计量 中心的移动标准 、 次级标准和工作标准分 别于 2 0 0 6年 1 1 月 和 2 0 0 7年 1 2月 通 过 了 国家 质 检 总局 组织 的计 量标 准 考 核 。2 0 0 8年 5月 ， 计 量 中心 作为 国家 石油 天然 气大 流量 计量 站 南京 分 站得 到 了 国家质 检总 局 的正 式 授 权 ， 在 全 国范 围 内开 展 高 压 天然气 流 量 计 的 检 定 和 校 准 工 作 。 原 级 标 准计 划 2 0 0 8年 1 2月 底前 完成 建标 考核 。 计量 中心的建设填补了国家高压 、 大流量天然 气 流量计 实 流检 定 的空 白 ， 完 善 了 国家 的天 然 气 流 量量值传递体系 ， 对于保证天然气 贸易交接计量 的 准 确可 靠 、 维 护 贸易 交接 双 方 的利益 、 开 展天 然气 流 量计 量技 术研 究 、 提 高我 国在 国 际天 然 气 流 量 计 量 技术的声誉等方面都具有重要意义 ， 标志着我 国的 天然 气计 量 技术 达 到 了一个 新 的水 平 。 [ 参 考 文 献 】 [ 1 ] G u o M C，D i n g J L ，e t a 1 ．D e v e l o p m e n t o f a L a r g e Ca p a c i t y Hi g h Pr e s s u r e Na t ur a l Ga s Ca l i b r a t i o n F a c i l i ty i n C h i n a [ A ] ． 7 t h S o u t h e a s t A s i a H y d rec a r b o n F l o w M e a s u r e m e n t Wo r k s h o p[ C] ． K u al a L u m p u r ， M al a y s i a 2 0 08．