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 457001)

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5×104m3/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HPPP(high pressure piston prover)、静态质量法装置(mt)法和静态时间法装置(pVTt)法。

1.1 HPPP法

HPPP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入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PTB使用一套HPPP法高压天然气气体流量基准装置，其系统原理如图1所示。

图1 HPPP天然气原级标准系统原理

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

1.3 pVTt法气体流量标准装置

pVTt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(t)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。

图3 pVTt法气体流量标准装置原理

2 量值传递方式

2.1 HPPP法为原级的气体量值传递系统

HPPP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，HPPP可实现的不确定度可达到0.06%；HPPP直接量值传递G100级别和G250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G250级别的流量计量值传递4台相同流量范围的G250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G1000级别涡轮流量计，在此G1000级别流量计的基础上量值传递工作用的6台G1000级别的涡轮流量计，最终可实现的最大流量为9 600 m3/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0.10%。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围可扩大到2 507 m3/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。

图4 HPPP法量值传递系统及不确定度

图5 mt法量值传递系统及不确定度

3 不确定度分析

3.1 HPPP法不确定度分析

HPPP方法复现的体积流量可以表示为

(1)

式中：qV——体积流量，m3/s；V——活塞通过的有效体积，m3；Δt——活塞运动一个行程所需时间，s。

V=πd2L

(2)

式中：d——HPPP的不锈钢缸体内径，m；L——HPPP的不锈钢缸体有效长度，m。

从式(1)，式(2)可以得到HPPP法体积流量及体积的标准不确定度：

(3)

式中：ur(V)——HPPP活塞有效体积测量的相对标准不确定度；ur(Δt)——活塞运动时间的相对标准不确定度；ur(r)——容积测量的重复性。

(4)

式中：ur(d)——内径测量的相对标准不确定度；ur(L)——有效长度测量的相对标准不确定度。

从式(4)可以看出d和L是HPPP法缸体体积测量的重要参数，为了测量d和L，搭建了专用系统设备进行测量。

在对HPPP缸体的直径和行程长度进行测试后，可计算得到缸体体积测量的不确定度。目前，由于测量缸体直径和行程长度采用专用仪器，此项不确定度为0.02%(k=2)。

3.2 mt法不确定度分析

mt方法复现的质量流量可以表示为

(5)

式中：qm——质量流量，kg/s；Δt——向称重罐充气的时间，s；Δm——Δt内通过喷嘴进入称重罐的天然气质量，kg。

从式(5)可以推导得到采用mt法质量流量的标准不确定度：

(6)

式中：ur(Δm)——测试时间内通过喷嘴进入称重罐天然气质量相对标准不确定度；ur(Δt)——充气时间的相对标准不确定度；ur(r)——质量流量测量的重复性。

Δm=m1+m2+m3+m4

(7)

式中：m1——Δt时间内充入称重罐内的天然气质量，kg；m2——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，kg；m3——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，kg；m4——称重罐充入天然气后，体积膨胀引起的空气浮力变化量，kg。

(8)

式中：ur(m1)——Δt时间内充入称重罐内的天然气质量的相对标准不确定度；ur(m2)——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；ur(m3)——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；ur(m4)——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。

(9)

式中：ur(Δt)——计时器的相对标准不确定度；ur(H1)——单个快速换向阀换向时间差的相对标准不确定度；ur(H2)——2个快速换向阀联动换向时间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HPPP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。

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