静态质量法天然气流量计检定装置不确定度分析

李吉阳 夏忠林 杨 毅

（辽河油田公司资产装备部1，辽宁 盘锦 124010；

中国石油冀东油田公司油气集输公司2，河北 唐山 063200；中国石油北京油气调控中心3，北京 100010）

静态质量法天然气流量计检定装置不确定度分析

李吉阳1夏忠林2杨 毅3

（辽河油田公司资产装备部1，辽宁 盘锦 124010；

中国石油冀东油田公司油气集输公司2，河北 唐山 063200；中国石油北京油气调控中心3，北京 100010）

基于静态质量法的气体流量计原级检定技术的质量和时间测量方法符合国家质量和时间的测量最高标准，且可以达到很高的测量准确度，应用更为广泛。不确定度是天然气流量计量检定精度的衡量指标，深入分析计算了静态质量法的不确定度，在此基础上，提出了降低流量原级检定法不确定度的关键措施，为该技术在天然气流量计量检定中的推广应用奠定了基础。

天然气 流量计量 不确定度 检定 mt法

0 引言

天然气流量计量检定装置是以天然气为介质，给出天然气流量标准值的测量系统。根据量值传递关系，天然气流量计量标准由原级标准、次级标准、工作级标准组成，各部分的工作原理和设备选型有很大差异。天然气原级标准的原理决定了次级标准和工作级标准的形式。

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，它形成流体流动环境，并通过向质量、长度、时间等基本量溯源来得到准确的流量量值。相对于工作标准而言，气体流量原级标准不需通过与其他气体流量标准进行比较而得到量值，即其不依赖其他气体流量装置的量值。因此，理论上原级标准是精确度较高的流量装置。但其实现量值的原理复杂，测量范围（尤其是测量上限）受到限制，额定操作条件和环境条件严格苛刻，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［1－2］。

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、静态质量法装置和静态时间法装置。静态质量法（mass-time，mt）的质量和时间可溯源到国家的质量和时间基准，且可以达到很高的测量准确度，因而得到了较为广泛的应用［3］。目前，国内已建成运行的天然气流量计检定装置主要以mt法装置为主。

1 m t法气体流量标准装置组成

mt法也被称为称重法或质量/时间法气体流量标准装置，主体由三通阀、称重容器和称组成。气体经过两级压力调节，使得压力稳定在系统所需的压力。气体通过三通阀进入称重容器，通过秤量气体质量和测定气体通过的时间就可以计算出气体流量。该装置主要用于校准音速喷嘴。当用于校准其他流量计时，也需在流量计与三通阀间安装音速喷嘴，以保证流量恒定。

mt法气体标准装置工艺流程如图1所示。首先用脱开机构脱开换向阀与称重容器的连接，秤量空的称重容器质量，然后连接换向阀与称重容器。此时气体通过被检表流过音速喷嘴，通过换向阀流回下游气体管路。为保证通过音速喷嘴的气体流速达到音速，下游气体管路的压力应可控并不高于上游压力的80％。待整个系统的流量、温度达到稳定后，切换换向阀，使气体流入称重容器，同时计时器开始计时。当进入称重容器的气量达到一定量，即称重容器内的压力达到上游压力80％左右时，再次启动换向阀，气体流动转向旁通，计时器计时结束。脱开三通阀与称重容器的连接，测量称重容器的质量，通过测量在实测时间（time）内所收集的气体质量（mass），得出气体的标准质量流量。然后连接并启动空压机，将称重容器内的气体排到气体管道内，完成后切断其连接，从而由气体质量和进气时间得到气体质量流量。

图1 mt法气体标准装置工艺流程Fig.1 Schematic diagram of the process formt method gas standard equipment

mt方法的工作介质可以是空气、天然气等多种气体。mt法气体流量标准装置的优点是原理清晰，方案传统而可靠。衡器的称量能力决定了装置的流量范围和工作压力。鉴于衡器称量范围的有限性和对称量容器总质量与气体净质量之比的灵敏度，它比较适合于复现高压中小流量量值。

2 m t法不确定度分析

2.1 m t法原级不确定度分析

mt方法复现的质量流量可以表示为：

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

从式（1）可以推导得到mt法质量流量的标准不确定度为：

式中：ur（Δm）为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）为充气时间的相对标准不确定度；ur（r）为质量流量测量的重复性。

①通过喷嘴的天然气质量的不确定度ur（Δm）

根据充气过程，充气质量可以表示为：

式中：m1为Δt时间内充入称重罐内的天然气质量，kg；m2为临界流喷组出口和换向阀之间附加容积内天然气质量的变化量，kg；m3为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为称重罐充入天然气后体积膨胀引起的空气浮力变化量，kg。

充气质量的标准不确定度可以表示为：

式中：ur（m1）为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）为临界流喷组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）为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）为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。

② 充气时间的不确定度ur（Δt）

充气时间的相对标准不确定度可以表示为：

式中：ur（Δt）为计时器的相对标准不确定度；ur（H1）为单个快速换向阀换向时间差的相对标准不确定度；ur（H2）为两个快速换向阀联动换向时间差的相对标准不确定度。

③ 质量流量测量的重复性ur（r）

最大、最小、中间3个流量点，每个流量点重复测量6次，计算得到各个流量点的重复性，取其中最大值即为质量流量测量的重复性ur（r）。

以南京站mt原级装置为例，经计算mt法装置测量不确定度度如表1所示。

表1 m t原级标准不确定度Tab.1 Uncertainty ofm t primary standard

2.2 音速喷嘴次级标准不确定度分析

通过临界流喷嘴的质量流量可以表示为：

式中：qm为临界流喷嘴的质量流量，kg/s；A*为喷嘴喉部面积，m2；Cd为喷嘴流出系数；C*为临界流函数；p0为喷嘴前气体绝对滞止压力，Pa；T0为喷嘴前气体绝对滞止温度，K；R为天然气的气体常数，J/（kg·K）。

当用mt法检测喷嘴的流出系数时，流出系数可表示为：相对标准不确定度为：

式中：ur（qm）为mt法原级标准质量流量的相对标准不确定度；ur（T0）为喷嘴前气体绝对滞止温度测量的相对标准不确定度；ur（R）为天然气的气体常数的相对标准不确定度，与天然气成分测量的不确定度密切相关；ur（A*）为喷嘴喉部面积的相对标准不确定度，由于其受温度、压力影响较小，通过采用固定的值，此项不确定度通常省略；ur（C*）为临界流函数的相对标准不确定度，与成份及温度、压力测量相关；ur（p0）为喷嘴前气体绝对滞止压力的相对标准不确定度；ur（r）为流出系数测量的重复性。

喷嘴流出系数测量不确定度如表2所示。数的重复性。

表2 喷嘴流出系数测量不确定度Tab.2 Uncertainty of nozzle discharge coefficientmeasurement

由于次级标准为音速喷嘴，得到的是质量流量，因此在对ur（V）的评估过程中需考虑到质量流量到体积流量的转换。同时，由于系统各处温度、压力的变化，还需要考虑管容效应对流经流量计体积的影响。最终体积表达式如式（10）所示。

式中：qm为临界流喷嘴的质量流量，kg/s；Tmeter为涡轮流量计处的绝对温度，K；pmeter为涡轮流量计处的绝对压力，Pa；Zmeter为涡轮流量计处气体的压缩系数；VD为

采用以上方法计算中石油南京站工作级的最佳测量能力为0.3％（k=2）。

3 提高计量检定精度的关键措施

2.3 涡轮流量计工作级标准不确定度分析

由于具有稳定的性能，涡轮流量计大多被采用来作为工作标准。近年来，随着超声流量计的迅猛发展，一些装置还辅以超声流量计为辅助标准的方式，对工作级标准涡轮流量计的运行情况予以辅助核查。涡轮、超声流量计均为速度式流量计，均采用脉冲信号输出方式，且通常以仪表系数为其计量参数。

仪表系数K为工况条件下、单位体积的工质流经流量计时流量计所发的脉冲数，即：

式中：N为流过体积V时流量计发出的脉冲数；Vmeter为工况条件下流经流量计的气体体积，m3。

因此，仪表系数的不确定度可表示为：

式中：ur（N）为对应流过体积V时流量计发出的测量脉冲数的相对标准不确定度；ur（Vmeter）为工况条件下流经流量计气体体积的相对不确定度；ur（r）为仪表系

根据有关流量计检定规程中的要求，在稳定条件下对流量计进行检定，即在检定过程中应保证检定介质的温度、压力和流量稳定不变或变化很小。为此，在本站的设计和建设中需要重点考虑以下几个方面的关键措施。

3.1 稳压、稳流措施

在工艺流程设计中，我们需要考虑以下措施解决天然气作为仪表检定检测介质的稳压和稳流问题。

①选用调压、调流量性能较好的调节阀。推荐采用轴流式调节阀。

②在工艺流程设计中，采取入口二级稳压、流量计下游调流量和出口计量的流程。这样可保证在流量计检定过程中天然气介质的压力和流量较稳定。

3.2 温度稳定措施

要求站内、外系统都尽量采用埋地方式，不受环境温度的影响。地面上管段、汇管、管件等应采取保温措施。

3.3 流量计前、后直管段要求

①所有的流量计前、后直管段均应经机械加工、研磨，确保直管段内表粗糙度达到▽3.2（Ra=3.2μm）。

②直管段长度设置：标准涡轮流量计、超声流量计前为30D，后为10D（D为管直径）。

在被检流量计前10D处设置整流器，以保证流动天然气介质为充分发展流动状态，确保流量计量准确度。

3.4 施工质量要求

施工质量高低直接影响标准装置技术指标的优劣，管件加工、焊接质量等施工因素至关重要。在施工前应做好施工设计和施工方案编制。工程施工应严格符合国家和行业相关规范要求。

由于计量检定站原级标准装置、次级标准装置、标准涡轮流量计、超声流量计、分析仪表等都是关键特殊设备，因此在设备选择时都需要在可靠、精确、安全等各方面给予重点考虑。

4 结束语

本文分析了mt法天然气流量计量检定技术的不确定度，以mt为原级标准的工作级标准的最佳测量能力为0.3％（k=2）。同时，提出了降低mt流量原级检定法不确定度的关键措施，为该技术在天然气流量计量检定中的应用奠定了坚实基础。

［1］桑增亮，潘琦.应用于天然气脱水装置的喷射器设计［J］.化工机械，2009，36（1）：9－12.

［2］齐友.天然气计量及标定系统的应用［J］.石油与天然气化工，2009，38（6）：598－600.

［3］王博.一种新的差压式流量计标定方法［J］.化工自动化及仪表，2010，37（8）：66－68.

Analyzing the Uncertainty of Natural Gas Flowmeter Verification Device Based on Static Mass Method

The quality and time of natural gas flowmeter primary verification technology based on static mass method can be traced to the national benchmark of quality and time，so the technology can achieve higher accuracy ofmeasurement and has been widely applied.The uncertainty is themeasure index ofmetering and verification accuracy of natural gas flow，the uncertainty of the staticmassmethod is analyzed and calculated in-depth，on this basis，keymeasures for reducing uncertainty of the primary flow verificationmethod are proposed.The analysis lays foundation for popularization and application of this technology in natural gas flow metering and verification.

Natural gas Flow measurement Uncertainty Verification mtmethod

TP273

A

修改稿收到日期：2013－09－02。

李吉阳（1974－），男，1998年毕业于西南石油学院石油天然气储运专业，获学士学位，工程师；主要从事资产设备管理工作。