组合涡轮气体流量标准装置计量性能测试与应用①

何 飞 陈 琦，2 王 辉，2 丘逢春，2

(1.中国石油西南油气田公司天然气研究院 2.国家石油天然气大流量计量站成都分站)

天然气流量量传溯源是将基本物理量国家基准值逐级传递到现场流量计量器具的必要手段，是保证现场天然气贸易计量准确、可靠的关键[1]。为实现国内天然气流量量值统一、国际天然气流量检测数据互认，满足国际国内天然气贸易计量的需求，国家石油天然气大流量计量站成都分站(以下简称成都分站)经国家质量监督检验检疫总局授权，在全国范围内开展了中低压天然气流量计的量值传递工作[2]，其新建的组合涡轮气体流量标准装置(以下简称标准装置)于2012年6月建成，标准装置的流量范围为16～8 000 m3/h，设计压力为1.3～6.0 MPa。

1 标准装置简介

该套标准装置分大流量检测单元和小流量检测单元。大流量检测单元包括流量压力流量调节系统、由2台超声流量计组成的流量核查标准系统(编号为FT0401、FT0402)、5台DN200涡轮流量计组成的流量检测工作标准系统(编号为FT0410、FT0411、FT0412、FT0413、FT0414)和3个被检表台位。小流量检测单元包括流量压力流量调节系统、由2台超声流量计组成的流量核查标准系统(编号为FT0403、FT0404)、5台涡轮流量计组成的流量检测工作标准系统(编号为FT0405、FT0406、FT0407、FT0408、FT0409，其中FT0405口径为DN80，其他口径为DN100)和3个被检表台位。另外，还有一条小流量检测单元涡轮标准系统与大流量检测单元被检台位联通管路。标准装置的流量检测系统流程图见图1。

2 标准装置性能测试与应用

2.1 基本性能测试

(1) 单台涡轮标准流量计溯源。对标准装置的主标准器——涡轮流量计(德国Pigsar)进行了校准。在投入使用前，在成都分站用临界流文丘里喷嘴流量标准装置进行了校准，校准结果与德国Pigsar的校准结果基本一致(见图2、图3),测试结果的复现性均优于0.20%，校准数据准确可靠。

(2) 标准装置工艺系统气密性检查。成都分站天然气流量检测评价系统专门设计了系统泄漏测试功能，用来检查各段工艺系统内漏是否在可接受的范围内。根据JJF 1240-2010《临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置校准规范》[3-4]，要求工艺管段内5 min压力变化小于0.1%，确认内漏影响可忽略后，方能开始正式实验。

(3) 压力、温度、组分等辅助计量器具现场检定校准。标准装置配套的压力、温度计量器具均在现场用0.005级压力标准器和二等温度标准进行校准，压力示值误差均小于1 kPa，温度误差小于0.1 ℃。天然气组成在线分析系统经检定合格，每天检测前用二级标准气进行校正，其密度测定的不确定度优于0.1%。

2.2 计量性能测试

2.2.1测量结果重复性与稳定性

大流量检测单元DN200涡轮标准流量计以DN300超声流量计为被检表，分别在5个流量点进行重复性与稳定性测试。小流量检测单元DN100涡轮标准流量计以DN100超声流量计为被检表，分别以2台涡轮各3个流量点和2台涡轮组合1个流量点进行重复性与稳定性测试。DN80涡轮标准流量计以1台DN80超声流量计为被检表，在4个流量点进行重复性与稳定性测试，测试结果见图4～图6。

测试结果表明:

(1) 大流量检测单元DN200涡轮标准流量计在5个流量点测量结果的重复性均小于0.05%。7 300 m3/h、5 600 m3/h 、3 200 m3/h、2 000 m3/h 4个流量点的测试结果的稳定性(变化量)均在±0.20%以内；800 m3/h流量点的测试结果的稳定性(变化量)均小于±0.30%。

(2) 小流量检测单元DN100涡轮标准流量计在560 m3/h、320 m3/h流量点测试结果的重复性均小于0.04%，测试结果的稳定性(变化量)均小于±0.20%；66 m3/h流量点的测试结果的重复性小于0.05%，测试结果的稳定性(变化量)小于±0.30%。

(3) 小流量检测单元DN80涡轮标准流量计在120 m3/h、66 m3/h 、32 m3/h 、16 m3/h流量点测试结果的重复性均小于0.04%，测试结果的稳定性(变化量)均小于±0.30%。

(4) 标准装置测量结果的重复性优于0.10%，稳定性优于0.30%，符合不确定度 0.33%气体流量标准装置的要求。

2.2.2测量结果复现性

(1) 相同检测单元不同涡轮工作标准测量结果的复现性。

大、小流量检测单元不同涡轮工作标准单台测量结果的复现性和组合涡轮工作标准测量结果的复现性测试结果见表1、表2和表3。

表1 大流量检测单元不同涡轮流量计在不同流量点测试结果的复现性

表2 小流量检测单元不同涡轮流量计在不同流量点测试结果的复现性

表3 小流量检测单元组合涡轮流量计与单台涡轮流量计测试结果的复现性

以上实验结果的复现性均小于0.30%，证实标准装置检测结果的复现性符合不确定度优于0.33%气体流量标准装置的要求。

(2) 不同检测单元标准表对同一被检表检测结果的复现性。

大流量检测单元可检测口径为DN200及以上流量计，由于大流量涡轮流量计口径均为DN200，其分界流量为320 m3/h，即该流量点为大流量检测单元的涡轮标准测量不确定度优于0.30%的最小流量点。为确保该单元小流量点的检测质量，标准装置工艺系统专门设计了一条DN80的联通管道，联通小流量检测单元的标准流量计与大流量检测单元的被检流量计。大流量检测单元被检流量计的小流量点既可使用本单元的涡轮标准流量计，也可使用小流量区的涡轮标准流量计。

选择320 m3/h 流量点，分别用大流量检测单元DN200涡轮和小流量检测单元DN100涡轮作为标准表，以大流量检测单元DN300超声流量计作为被检表，进行不同检测单元标准表检测结果复现性测试，测试结果见表4。测试结果表明， 在320 m3/h流量点，大、小流量检测单元的涡轮标准检测结果的复现性均小于0.33%，均能满足1.0级流量计的检定要求。

表4 不同检测单元标准表320 m3/h流量点检测结果复现性

2.2.3标准装置检测结果准确度验证

以1台DN250的超声流量计和1台DN100超声流量计为样品，分别用标准装置大流量检测单元和小流量检测单元进行测试，测试结果与样品在德国Pigsar的测试结果进行比对，比对数据见图7和图8。证实标准装置的测量结果与德国Pigsar流量标准装置的测量结果是一致的，标准装置测量结果得到验证。

2.3 标准装置测量质量过程控制

2.3.1超声流量计实时核查功能测试

在进行标准装置重复性与稳定性测试实验时，同时采集了核查超声流量计的计量数据。大流量检测单元的核查超声流量计FT0404(DN200)的分界流量为367 m3/h，FT0403(DN250)的分界流量为572 m3/h。小流量检测单元的核查超声流量计FT0401(DN100)的分界流量为97 m3/h，FT0402(DN150)的分界流量为221 m3/h，部分数据分析图见图9至图11。

分析以上数据可得，大流量检测单元的5个流量点均在分界流量点以上。2 000 m3/h以上的4个流量点，涡轮标准流与核查超声流量计比较结果的变化量均小于±0.20%；800 m3/h流量点涡轮与超声核查结果的变化量均小±0.25%。小流量检测单元DN100组合涡轮工作标准560 m3/h、320m3/h流量点，仅1次核查结果的变化量为0.34%，其余均小于等于±0.30%。

2.3.2温度稳定性对小流量检测结果的影响分析及测量过程控制

在小流量点检测时，由于气体流速小，测试段温度变化会对标准装置检测结果带来一定影响。为此，进行了温度波动对小流量点检测质量的影响分析，以制定合理的检测质量过程控制方案。

以小流量检测单元稳定性实验数据为基础(其中120 m3/h流量点为小流量检测单元标准表，检测大流量检测单元被检表)，分析标准表与被检表温度差，以及标准表和被检表在单次数据采集时温度稳定性对检测结果的影响。小流量检测单元小流量点分析结果详见图12和图13。

经分析确定，单次采数时标准表和被检表的温度差应控制在1.0 ℃以内，小流量点检测数据采集时，温度波动应控制在0.1 ℃以内。

3 测试结论

(1) 标准装置的流量范围为16～8 000 m3/h，设计压力为1.3～6.0 MPa，标准装置测量结果不确定度优于0.33%。

(2) 标准装置测量结果的稳定性优于0.30%，重复性优于0.10%，能满足准确度为1级气体流量计的检定要求；满足测量不确定度为0.5%的气体流量计的校准要求。

(3) 在进行大流量检测单元小于320 m3/h的流量点检测时，应根据被检流量计对检定对标准装置不确定度的要求，科学合理地选择涡轮标准，以确保检测结果的准确可靠。

(4) 小流量点检测时，需要注意标准表和被检表的温度差及温度稳定性的影响，标准表和被检表处的温度波动应控制在0.1 ℃以内，以确保测量结果准确可靠。

参考文献

[1] 全国法制计量管理计量技术委员会.JJF 1059.1-2012测量结果不确定度评定与表述[S]. 北京：中国标准出版社，2013-06-03.

[2] 黄明轩,石中锁.用VC实现智能涡轮流量计与上位机的通信[J].石油与天然气化工,2005,34(1):64-66.

[3] 全国法制计量管理计量技术委员会.JJF 1033-2008 计量标准考核规范[S]. 北京：中国计量出版社，2008-09-01.

[4] 全国流量容量计量技术委员会.JJF 1240-2010 临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置校准规范[S]. 北京：中国质检出版社，2010-04-05.