移动式气体流量计远程检测装置的研究

上海燃气浦东销售有限公司 陈 江 林 亮

0 前言

随着天然气市场规模的扩大，以及LNG、CNG、储气库项目的投产，预计 2020年上海境内的在用的天然气流量计总数将突破20 000台，其中90%为低压流量计。这些流量计均涉及贸易结算，属需强制检定的范畴。

目前，上海市煤气表强制检定站年检定能力约2 000台，无法对在法定周期内的流量计实施快速检定，企业间贸易纠纷时有发生。为使天然气流量仪表的检定、校准和测试工作顺利进行，上海燃气浦东销售有限公司联合上海市计量测试技术研究院，以及国内知名计量技术研究机构和计量标准装置设计企业，研究建设一套具备先进水平的移动式气体流量计远程检测装置。

1 技术方案

1.1 主要功能

标准装置的建设主要服务于上海市天然气流量仪表的检定、检测工作，并与国内其他天然气流量检定标准装置进行数据比对和技术交流，满足行业间的量值比对工作的开展。为此，移动式气体流量计远程检测装置建成后将具有以下主要的用途和功能。

(1)承担上海市的天然气流量计量检定和测试任务。

(2)开展天然气流量计量技术的交流和新技术的推广工作。

1.2 检测方案

目前国内外气体流量检定装置主要采用标准表法进行气体流量检测，其中以罗茨表作为标准表的方案占据主要份额。其检测原理是将标准表和被检表串联在管道上，利用一台高压风机在管道的下游抽气制造负压，从而产生流量驱动标准表和被检表运转，通过检测数据的比对达到检测目的。也可以通过相应的温度、压力和流量控制手段，进行特定条件下的天然气流量计检定或校准工作。采用标准表法的气体流量检测装置，特点是工艺流程简单、溯源链短、准确度高、稳定性好，因此在比较论证后本项目确定采用标准表(罗茨表)法气体流量检测装置方案，并在此基础上增加流量计远程检测功能。

2 主要研究内容

2.1 装置溯源方案

2.1.1 原级标准与不确定度分析

根据量值传递关系，天然气流量计量标准由原级标准、次级标准和工作标准组成。气体流量原级标准是根据流量的定义来复现气体流量值，并通过测量长度、时间等基本量溯源来得到准确的流量量值(即真值)。气体流量原级标准的原理决定了次级标准和工作级标准的形式。目前，常用的天然气流量原级标准主要是钟罩原级，临界流文丘里喷嘴次级标准。

用原级标准装置检定喷嘴的流出系数为：

式中：Cd——流出系数；

qm——原级标准质量流量，kg/h；

T0——喷嘴前气体绝对滞止温度，K；

R——气体常数，8.314 J/(mol×K)；

A——喷嘴喉部面积，m2；

C——临界流函数；

p0——喷嘴前气体绝对滞止压力，kPa。相对标准不确定度为：

式中：ur(Cd)——相对标准不确定度；

ur(qm)——原级标准质量流量的相对标准不确定度；

ur(T0)——喷嘴前气体绝对滞止温度测量的相对标准不确定度；

ur(R)——气体常数的相对标准确定度，与气体成分有关；

ur(A*)——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*)—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)—喷嘴前气体绝对滞止压力的相对标准不确定度；

ur(r)——流出系数测量的重复性。各项不确定分量分析汇总，可得次级临界文丘里喷嘴伐标准装置总的不确定度为0.16，见表1所示。

表1 次级临界文丘里喷嘴法标准装置不确定度一览

2.1.2 标准流量计工作级标准

工作级标准溯源至次级临界流文丘里喷嘴，由于次级临界流文丘里喷嘴，得到的是质量流量，在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：

式中：VMUT——经过标准表的修正后体积流量，m3；

qm——流经喷嘴的质量流量，kg/h；

TMUT——被检表气体绝对滞止温度，K；

ZMUT——被检表处压缩因子；

pMUT——被检表处气体滞止压力，kPa；

Ve——标准表与被检表之间的管容，m3；

tmeas——一个测量周期的采样时间，s；

p——标准喷嘴前测量压力，kPa；

T——标准喷嘴前测量温度，K；

经过不确定预估，工作级标准最佳测量能力为U= 0.30% (k=2)。

图1 量值溯源传递系统

2.1.3 溯源方案

在天然气流量值溯源系统中，利用适当的传递标准及比对方法，就能建立流量量值从体积流量到质量流量，从常压运行条件到高压运行条件，从空气介质到天然气介质的相互关联。考虑到建立原级标准装置和次级标准装置的投资和运行成本，本次检测装置的研究项目采用直接到上海计量院溯源的方案，其优点是溯源链短，工作级标准的准确度等级高，完全满足现场检定1.0级贸易交接流量计的需求。

具体技术指标如下：

(1)标准装置法兰规格：PN10；

(2)检定操作压力：常压；

(3)工况检定流量范围：0.1~160 m3/h；

(4)标准装置测量不确定度：Urel=0.33%，k=2；

(5)被检定流量计口径：DN25～DN100。

2.2 检测装置的选定

当前流量计检定的主要工作方式是将现场的流量仪表拆卸下来并运送到计量检定中心进行离线实流检定。考虑到拆卸和运输过程可能会对流量计性能带来影响，所以本次整套检测装置采用可移动式的车载结构。整个系统安装在一个小型箱式货车上，在箱式货车内布置空调系统、UPS电源系统、远程监控系统、数据采集与评价系统、完整的检测装置。采用标准流量计法原理，利用管道上的变频风机来使得气体管道内流动，通过比较标准流量计与被检流量计的量值实现量值传递。

如图2所示，拟采用载重900 kg的箱式货车一辆用于安装整个移动式远程检测装置的所有设备。车内设置恒温操作间一个。从上游到下游分别是降噪过滤器、标准表、阀门、被检表、伸缩器和风机，标准表位于上游。

图2 移动标定车内部3D参考

3 技术关键

3.1 技术措施

根据有关流量计检定规程中要求，需要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。为此需要重点考虑以下几个方面采取措施：

(1)稳压稳流——在工艺流程设计中首先需要考虑一些合理的措施解决空气作为仪表检定检测介质的稳压和稳流的问题，可选用流量调节性能较好的轴流式调节阀，并配备变频风机来调节流量。其次是对直管段的要求，被检流量计前后直管段长度设置要求为前10D后5D，同时在被检流量计之前10D处安装整流器，这样可保证流动的气体介质为充分发展流动状态，确保了较高的流量计量准确度。而且所有的流量计前、后直管段都应该经过机械加工(精镗)、研磨，保证直管段的内表面粗糙度达到▽3.2(Ra=3.2 μm)。

(2)温度稳定——使用空调系统对车厢内的温度进行控制，并且使用低发热量的风机，确保车内温度变化量单个检定点采样时间内低于0.5℃。

(3)减少管容效应——借鉴国内其他检测装置流量标准装置的建设和使用经验，应尽量减少管容积对计量检定结果的影响，整个工艺管道设计应结构紧凑，布局合理。

3.2 检测控制系统

采用远程控制实现检定装置的数据采集和自动监控，现场仅仅需要安装人员即可，操作管理便捷，数据运算精度高。使用全数字化系统，确保检测结果准确可靠。采用全数字化的现场仪表包括：压力变送器、绝对压力变送器、热电阻、温度传感器、可燃气体探测器、电动阀、流量计、风机、变频器、数据采集系统、报警按钮、网络视频监控设备和UPS系统。

3.2.1 温度仪表

采用JUMO高精度温度传感器进行温度测量，对于用于监视工艺过程的一体化温度传感器，选用精度：±0.25%，对于用于参与计量、检定计算的温度传感器，选用精度±0.1℃。

3.2.2 压力仪表

采用Rosemount 3051S Ultra高精度差压变送器对压力进行检测，对于用于参与计量、检定计算的绝对压力变送器，选用精度±0.025%，变送器输出4~20 mA信号。压力测量值pm的不确定度主要来源于压力变送器溯源自上一级压力标准的测量不确定度，pm由差压变送器测量的差压加上大气压力计测量的大气压力得到，大气压力变送器使用elster提供的ITF-Barometer，测量量程为0~110 kPa，测量精度0.04%，校准后测量不确定度为0.05%。

3.2.3 计量仪表

标准表采用气体腰轮流量计，流量计输出脉冲信号对应工况瞬时流量，测量不确定度优于0.25%(k=2)，为了保证检测系统的整体精度。

3.2.4 网络视频监控设备

采用自带IP地址的一体化网络摄像机/网络数字一体化球进行视频监控，可以远程监控现场的所有作业并且与现场操作人员实时沟通。

3.2.5 流量调节阀

采用流量调节阀对气体流量进行调节，阀体采用碳钢，阀芯及阀座都采用316不锈钢，阀芯与阀杆为一体；，执行机构为电动式执行机构，供电电源：24 VDC。

3.2.6 变频风机

采用低热量的220 V变频风机，在现场作业无需特殊的380 V供电，风机噪声水品控制在80 dB以内。

3.2.7 UPS电源

在现场条件下，为了保障在发生电源不稳定时对数据进行保护，移动检测车内配备数据采集及评价系统所需的不间断电源。

3.2.8 远程控制单元

特殊设计的远程控制单元允许检定人员在办公室内操作现场的检测设备。

3.2.9 接地

数据采集系统工作接地和保护接地统一接地，接地电阻≤4 Ω。

4 结语

移动式气体流量远程检测装置符合国家天然气计量溯源整体布局，在计量学科领域是具有前瞻性的科研建设项目。该检测装置建成后年检定能力为500台，同时因其检定地点和检定口径可灵活调节，且不受限于管网压力，可满足天然气企业一部分流量计的检定需求。

为使该装置能在后期项目的实施中能够顺利建成，特提出如下建议：

(1)为保证本检测装置建设后的各项工艺技术指标达到预期的要求，避免由于某些配件的生产技术问题影响到整个项目的执行或技术指标的实现，应该对上述各关键部件的生产加工技术要求和生产厂家尽早开展技术研究和考察的工作。

(2)上海地区天然气工业起步较晚，在气体气流量计量检定和量值溯源及传递领域更缺乏相应的技术人员和力量储备。项目立项初期便着手开展相关技术人员的培养和技术力量的准备，为上海市计量测试技术在该领域的发展和进步奠定基础。

(3)本项目远程检定部分国内、外没有十分丰富的工程经验可供参考，需要进一步提高项目管理和建设单位的项目执行和工程建设、投运和操作的管理能力。