空气和天然气流量标准装置差异性研究

王 辉

(国家石油天然气大流量计量站成都分站，成都 610213)

0 引言

气体流量标准装置间的量值比对起源于上个世纪70年代的欧美工业发达国家，在国际上，标准装置间量值比对已成为实验室互认和能力验证的关键技术内容，只有通过比对(也就是各个标准装置之间的比对)才能实现各国量值溯源链间的横向比较，进而最大限度地减少贸易双方的计量差异，最终实现互认。

随着四川南、北天然气环形管网、陕京一线、陕京二线、忠武管线、西气东输一线、西气东输二线等建立，用于天然气计量的流量计数量日益增多。由于天然气贸易计量直接涉及到贸易双方巨大的经济利益，因此，确保流量计的计量准确度也就成为了供需双方关注的焦点。为确保企业的经济利益，我国相继建立了以天然气为介质的气体流量检定站，同时自上个世纪80年代末以来也相继建立了以空气为介质的气体流量标准装置用于现场流量计的检定、测试工作。然而，这些空气标准装置和天然气标准装置的溯源方式不相同，其量值也存在着差异。

GB/T 21391—2008《用气体涡轮流量计测量天然气流量》中已经明确规定了“在检测压力大于0.4MPa时采用天然气为介质的实流标准装置进行检定”，那么针对其他类型的流量计，采用何种介质的标准装置进行检定才能保证流量计现场计量的准确性，这就需要对标准装置的差异性进行研究。而针对气体流量标准装置差异性的分析，国际上通常采用的是量值比对的方法，利用合适的传递标准(即比对流量计)，在不同的标准装置间开展循环测试。其主要目的是考察不同标准装置间的差异，通过差异分析来判断各标准装置的不确定度是否在宣称的范围内，从而了解各标准装置的准确性和可靠性，最终实现各标准装置的量值传递的统一。

由于空气和天然气标准装置在气质组分、检测压力、环境条件等诸多方面都有不同，针对两种不同介质标准装置差异性的研究将是十分复杂的工作，本文将采用量值比对的方法对空气和天然气标准装置的差异性进行研究，以期找到差异性存在的原因，为进一步研究两种装置的差异性打下一定的基础。

1 气体流量标准装置及实验方案简介

目前国内用于检定和测试工作的标准装置有很多，为了研究空气和天然气标准装置的差异性，本文选取了三套具有代表性的标准装置进行实验。

1.1 气体流量标准装置的选择

通过对有关技术资料的整理，结合在各个地区的实际情况，对标准装置的不确定度、实际工作压力、流量范围和安装条件等技术指标进行分析，确定在以下标准装置上开展循环比对实验，来研究不同标准装置的差异性。不同标准装置的具体情况见表1。

表1 标准装置的能力和水平比较表

1.2 比对流量计的选择

为了更好的保证不同标准装置上流量计测试结果的准确性，必须要求被测流量计具有良好的重复性和稳定性，同时参照比对流量计的选取方法进行。常用于天然气流量计量的流量计类型有很多，最长使用的有气体超声流量计、涡轮流量计和孔板流量计、罗茨流量计等。

现场使用的孔板流量计主要采用几何检验法，较少使用空气实流标定。气体超声流量计的口径大、流量范围大，准确度高，但不能用在低压的情况下。罗茨流量计具有精度高、可靠性高、在流速变化大的情况下也能保持计量的准确度；始动流量小、压力损失小、量程比宽，适用于微流量的测量；使用寿命更长；铝合金材质，体积小、重量轻，安装维护更为方便的特点。涡轮流量计具有准确度高、量程比宽、适应性强、复现性好、在线性流量范围内，即使流量发生变化，累积流量准确度也不会降低的特点。

因此，结合各个地区流量标准装置的实际情况和比对流量计的选取原则，本文选择了2台罗茨流量计和1台涡轮流量计作为测试实验的比对流量计。比对流量计的技术指标见表2。

1.3 测试实验方案

测试实验流量布点首先需要根据对流量计的初步性能测试，结合流量计的额定流量范围，选择比对流量计的分界流量以上、性能均较稳定的流量点进行比对实验，以尽量排除在小流量下流量计本身性能不稳定对比对结果的影响。

表2 比对流量计技术指标

根据CIPM/BIPM关键比对的要求，流量计实验布点依据JJG 1037—2008《涡轮流量计》和JJG 633—2005《气体容积式流量计》。在数据处理分析过程中，实验布点方案见表3。

表3 布点实验方案

2 测试数据处理及差异性分析

2.1 涡轮流量计测试数据和分析

选取在天然气标准装置测试时不同压力下二组实验数据，与两套空气标准装置上的数据进行比较。

2.1.1 涡轮流量计的数据处理

涡轮流量计数据统计见表4，在不同实验室测试的对比曲线见图1。

图1 涡轮流量计在不同介质下的测试数据图

表4 涡轮流量计比对实验数据

2.1.2 结论

当涡轮流量计分别安装在空气和天然气标准装置上时，从图1中明显看出，在几个实验室共同测试的40～100m3/h流量范围内，用空气为介质流量计检定的仪表系数大于用天然气为介质流量计检定的仪表系数，在图中仪表系数偏差最大处为0.5%左右；在25～40m3/h流量范围内，用空气为介质流量计检定的仪表系数大于用天然气为介质流量计检定的仪表系数，在图中仪表系数偏差最大处为0.7%左右。

2.2 罗茨流量计测试数据和分析

2.2.1 罗茨流量计X数据处理与分析

编号为X的罗茨流量计数据统计见表5，在不同实验室测试的对比曲线见图2。

表5 编号为X罗茨流量计比对实验数据

图2 编号为X罗茨流量计空气和天然气比对图

2.2.2 罗茨流量计X结论

从图2可以看出编号为X的罗茨流量计在以空气和天然气为介质的测试中，从整个趋势看，用空气为介质流量计检定的仪表系数大于用天然气为介质流量计检定的仪表系数，在图中仪表系数偏差最大处为1.4%左右，在15～35m3/h流量范围内，两条曲线的偏差不大，为0.4%左右，在35～85m3/h流量范围内，偏差变大。在60m3/h处达到最大。

2.2.3 罗茨流量计Y数据处理与分析

编号为Y的罗茨流量计数据统计见表6，在不同实验室测试的对比曲线见图3。

表6 编号为Y罗茨流量计比对实验数据

图3 编号为Y罗茨流量计空气和天然气比对图

2.2.4 罗茨流量计Y结论

从图3可以看出编号为Y的罗茨流量计在以空气和天然气为介质的测试中，从整个趋势看，用空气为介质流量计检定的仪表系数大于用天然气为介质流量计检定的仪表系数，在图中仪表系数偏差最大处为1.0%左右，在35m3/h两条曲线的偏差最小，为0.14%左右，在60m3/h处达到最大。在15～35m3/h流量范围内，两条曲线的偏差比较在35～85m3/h流量范围内，两条曲线的偏差要小一些。

2.3 流量计检定仪表系数的数据处理与分析

1)选取在天然气标准装置上检测的流量计的检定仪表系数，与两套空气标准装置上检测的流量计检定仪表系数进行比较。实验数据见表7。

表7 流量计检定仪表系数

2)通过对本次测试实验的数据进行综合分析，以空气为介质的标准装置的检定仪表系数大于以天然气为介质的标准装置的检定仪表系数。

3 结论

本文通过对天然气标准装置的数据与两套空气标准装置的数据进行分析，可以得出不同标准装置间差异性的基本结论：

1)在本次比对实验测试中，涡轮流量计在用空气为介质检定流量计的仪表系数大于用天然气为介质检定流量计的仪表系数。从这个实验结论可以看出，涡轮流量计所得出的比对结论与GB/T 21391—2008《用气体涡轮流量计测量天然气流量》标准中所规定的“在检测压力大于0.4MPa时采用天然气为介质的实流标准装置进行检定” 的要求一致。如果涡轮流量计在实际使用中使用空气检定的仪表系数，则测得的流量比实际流量偏小。

2)在本次比对实验测试中，除编号为X的罗茨流量计在第二套空气标准装置检定仪表系数相对于天然气标准装置的偏差为负以外，其他各次测试实验中在用空气为介质检定流量计的仪表系数均大于用天然气为介质检定流量计的仪表系数。

3)由于罗茨流量计的压力变化的敏感性没有涡轮流量计高，所以在以空气为介质和用天然气为介质检定涡轮和罗茨流量计的仪表系数变换曲线，涡轮流量计的变化趋势更加明显。

4)国内用于天然气流量计量的流量计，应尽量在天然气流量标准装置上检定，否则可能会给现场计量带来较大影响。

[1] JJF 1033—2008 计量标准考核规范

[2] GB/T 18604 用气体超声流量计测量天然气流量

[3] JJG 198—1994 速度式流量计检定规程

[4] GB/T 18603 天然气计量系统技术要求