天然气流量计使用与检定中的真空地带

黄敏 谭磊 刘黎霞

宜昌市计量检定测试所 湖北宜昌 443000

1 天然气流量计在使用中对温度压力测量的需求

目前，我国用于天然气贸易结算的流量计主要有气体容积式流量计、涡街流量计、超声流量计和涡轮流量计。

根据《天然气计量系统技术要求》（GB/T18603-2014）中的规定，天然气流量计量的标准参比条件（即标况）为：20℃、压力为101.325kPa（绝压），在供气方与用气方进行贸易结算时采用在标况下的天然气体积（单位：Nm³）作为结算单位。但在实际结算时，管道内天然气的温度压力并不在标况下（即工况），因此，就需要对天然气实际温度与压力进行测量，并根据气态方程采用公式（a）换算成标况下的体积。

其中：

p0-标况下气体的绝对压力，Pa；

V0-标况下气体的体积，Nm³；

T0-标况下气体的热力学温度，K；

p1-工况下气体的绝对压力，Pa；

V1-工况下气体的体积，m³；

T1-工况下气体的热力学温度，K。

基于上述要求，就需要天然气流量计具备自带的或配套的温度、压力传感器，将工况体积换算成标况体积的功能。

2 天然气流量计在检定中的实际情况

对于气体容积式流量计、涡街流量计、超声流量计和涡轮流量计，目前现行有效的检定规程分别为：JJG633-2005《气体容积式流量计检定规程》、JJG1029-2007《涡街流量计》、JJG1030-2007《超声流量计检定规程》和JJG1037-2008《涡轮流量计检定规程》[1]。

以JJG633-2005《气体容积式流量计检定规程》为例，对JJG633-2005中描述的示值误差的检定方法进行分析：

根据JJG633-2005中7.2.4.9的要求：一次试验过程中，被检流量计的测试元件启、停应处于同一位置；给定气量或设定脉冲数应等于回转体积的整数倍，或设定的给定气量达到足以使回转体积变化带来的影响可忽略不计。并按照图1中的公式计算示值误差，此时标准器的流量需要换算成与被检流量计同一温度和压力状态下的累计流量值。

同时，还要根据JJG633-2005中7.2.3提供的不同种类的标准器，合理选用检定方法，如图2所示：

图1 被检流量计示值误差计算公式

图2 气体容积式流量计检定方法与对应标准器

2.1 静态检定方法

该方法一般用于检定没有脉冲信号输出的流量计。由于被检流量计累积量为标况体积，故标准器的累计流量必须换算成标况体积。由于标准器及其配套的温度、压力传感器均经过有效溯源，当被检流量计示值误差检定结果合格时，可以认为被检流量计配套的温度、压力传感器能够正常工作，内部积算功能正常（图3），且在该检定环境下能够提供较为准确的测量结果。

图3 被检流量计内部积算功能简图

另外，在检定时还应该考虑被检流量计分辨力对计算结果的影响。通常情况下，当分辨力对计算结果的影响不超过最大允许误差绝对值的1/10时，可以将其忽略。对于1.5级的气体容积式流量计而言，其最大允许误差绝对值的1/10为0.15%，如公式（b）所示：

表1 检定各种口径流量计各检定点的最短时间

当被检流量计为首次检定时，其累计量的分辨力一般为0.0001m³，故根据公式（b）可以计算得到给定气量应不小于0.0667m³；当被检流量计为后续检定时，其累计量的分辨力一般为0.001m³、0.01m³、0.1m³或1m³，故给定气量应分别不小于0.667m³、6.67m³、66.7m³、667m³。

图4 某品牌气体容积式流量计流量范围一览表

根据图4的数据，可以计算出当被检流量计分辨力为0.0001m³时，各口径流量计在不同检定点所需要的时间。

同时，当被检流量计分辨力分别为0.001m³、0.01m³、0.1m³或1m³时，各口径对应的最短时间将依次递增十倍。

根据表1的数据，当采用静态检定方法开展检定时，消耗时间长，且后续检定时耗时更甚，工作效率低，并且对标准器的气体容量也有相应要求。故该方法在实际检定中使用较少。

2.2 动态检定方法

目前我国多数计量检定机构都采用临界流文丘利喷嘴法气体流量标准装置作为标准器，该装置从启动到到达预设流量点存在一个缓冲过程，在这个缓冲过程中标准器的累计流量没有准确性可言，因此该标准装置只能用于动态检定方法。

根据JJG633-2005中7.2.4.9的要求，按照图5中的公式计算仪表系数，即在设定的检定时间内接收被检流量计发出的频率信号，并记录脉冲数（为减小脉冲计数带来的误差对检定结果的影响，累计脉冲数一般应不小于1000），同时计算检定时间内流过标准器的气体体积，计算出被检流量计的仪表系数[2]。

图5 被检流量计仪表系数计算公式

目前多数计量检定机构都采用该方法对气体容积式流量计进行检定，以提高检定效率。但由于被检流量计的频率信号直接来源于其内部机械运动件的旋转，所以，频率信号所对应的体积量是流过被检流量计的工况流量，计算得出的流量计仪表系数也是工况下的系数。如果该流量计检定合格，仅只能证明被检流量计在工况下的计量性能符合要求，而温度和压力传感器的计量性能无法判定，因此，被检流量计显示的标况流量的准确度亦无法判定。

在JJG633-2005中的7.2.4.5和7.2.4.7有要求进行温度测量和压力测量，但规程的计量性能要求中没有详细规定上述两项测量的最大允许误差和判定标准。这就可能会出现某些流量计检定结果合格，但是由于内部温度传感器和压力传感器的测量误差过大，而造成被检流量计累计量失准的情况。

2.3 其他检定方法

目前有部分检定机构采用记录被检流量计瞬时流量，再乘以检定时间的方法，获得被检流量计的累计流量，以完成检定，但是在JJG633-2005中并未提供该方法，且规程中也并未指出可以使用规定方法以外的其他方法进行检定，并且被检表的瞬时流量刷新频率受仪表内部阻尼时间的限制，不能完全反应出流过被检表气体流量的实际情况，故该方法不可取。

3 如何确定温度、压力传感器的允差范围

假设某流量计准确度等级为1.5级，检定时部分数据如表2所示：

表2 某流量计检定部分数据

被检流量计处的温度和压力来源于检定装置上的温度变送器和压力变送器，都经过有效溯源，能够保证其量值准确可靠。假设此时被检流量计上显示的温度为16.8℃，大气压力（绝对压力）为101.5kPa，流过的工况体积为0.7169m³，根据公式（a）可以计算出此时被检流量计的理论累计流量（标况）为：

其最大允许误差为±0.7261×1.5%=±0.0109Nm³。即累计流量的允许变化范围为（0.7152-0.7370）Nm³。根据该范围，结合公式（c），分别将压力测量结果p和温度测量结果T当做单一变量，可以计算分别出满足累计标况体积量合格范围内的温度和压力波动范围的极值，数据见表3。

表3 温度和压力对累计标况流量影响的最大变化量

通过表3中的数据，可以认为，当被检流量计温度传感器计量功能正常，压力传感器存在误差时，为保证累计标况流量计量准确，其压力传感器的显示值必须在（99.98-103.03）kPa之间，该范围的中值为101.51kPa，半宽为1.52kPa；同样，当被检流量计压力传感器计量功能正常，温度传感器存在误差时，为保证累计标况流量计量准确，其温度传感器的显示值必须在（12.50-21.20）℃之间，该范围的中值为16.85℃，半宽为4.35℃[3]。

这就意味着，对于被检表为1.5级的流量计，当其显示的压力、温度与检定装置配套的流量计处的压力传感器压力值之差超过±1.5kPa或温度值之差超过±4℃时，即便仪表常数检定合格，但换算后的标况流量也可能存在误差超差的情况。

4 其他类型的天然气流量计是否存在类似问题

对于涡街流量计，一般与温度传感器、压力变送器、流量积算仪等设备配套使用，组成测量系统，且每个组成部分均要进行溯源，故不存在上述问题。但对于封装了温度、压力传感器的涡街流量计则会出现上述问题。

对于超声流量计中的外夹式流量计，由于其只能测量工况，所以不会存在上述问题，但对于整体安装的超声流量计，如能够显示标况流量（瞬时或累计），则会存在上述问题。

对于涡轮流量计，当采用累计流量（标况）计算示值误差时不会存在上述问题，但如果使用仪表系数K计算示值误差，同样会存在上述问题。

5 结语

在天然气贸易结算的需要下，对天然气流量计的计量性能，以及其他功能的要求日趋严格，这就对检定规程的内容提出了更高的要求。呼吁各规程归口单位，能够及时对规程内容作出修订，以满足目前天然气贸易结算的需要。