差压式湿气两相流量计的校准

王锡钢，甄 杨，赵 轶（天津市计量监督检测科学研究院，天津 300192）

0 引言

近年来，伴随着工业技术的不断发展，湿气流量的测量日益增多地出现在许多工业领域中，如：天然气、石油开采过程中产生的天然气和水混合的湿气；沸点较低的液体输送中产生的湿气；核电厂、热电厂中气化单元产生的湿气等。所谓湿气，是指在总流体混合物中，气体体积在95%以上的气液两相流。液体是存在于湿气中的一种介质，或者是多种介质，其以游离状态存在。例如，水以及液态的其它化合物等。它是普遍存在于工业应用中以及自然界中的流动现象[1,2]。尤其在气田开采过程中，天然气总是伴随着液态烃、水蒸气等一起产出，湿气计量的准确度与开采方的经济效益和对气井的产出能力的了解程度息息相关。因此，越来越多的公司和研究机构开始重视湿气的计量准确度。

图1 分体式湿气两相流量计工作原理示意图Fig.1 Schematic diagram of working principle of split wet gas two phase flowmeter

图2 集成式湿气两相流量计工作原理示意图Fig.2 Schematic diagram of working principle of integrated wet gas two phase flowmeter

1 差压式湿气两相流流量计

基于差压原理的湿气流量测量最早始于20世纪中期，在20世纪90年代初，伴随着欧洲的北海区域油气田的开发，大型天然气跨国公司资助相关国家的实验室开展针对油气田中湿气计量技术的研究[3]。其中，以美国和挪威为代表，在湿气流量的计量领域取得重大突破，其研究的相关设备在湿气流量的计量过程中具有准确度高、稳定性好等特点。美国科罗拉多工程实验站（CEESI）建立了研究湿气流量计量的环道标准装置，从而系统地开展了对如喷嘴、孔板流量计和锥形流量计为代表的典型差压原理流量计的湿气计量特性研究，为进一步研究湿气中包含的气体和液体体积奠定了基础。

以差压式的节流装置为测量流量的基本单元的差压式湿气流量计，广泛应用于湿气的计量，可实现气相、液相流体的计量。气相部分的测量是基于差压原理的节流装置，以其简单的结构、较高的可靠性、低廉的成本、便捷的维护且具有较高的准确度等优势，被广泛应用于两相流的工作环境中，并能满足其他较多测量环境的需要，工作状态稳定且可靠。液相部分采用射线、微波、电容、差压、电导等方法，实现体积含液率的测量，同时结合液体密度和气体组分等参数，可以实现气相流量的测量，以及气液两相流量的计量。

流量计常见的两种工作原理示意图如图1和图2所示。

其中，体积含气率和体积含液率是两个湿气计量中的两个重要参数。体积含液率（LVF）：工况条件下，液体体积流量与总体积流量之比；体积含气率（GVF）：工况条件下，气体体积流量与总体积流量之比。

2 差压式湿气两相流流量计的校准

2.1 实验装置

本实验在天津大学电气与自动化工程学院的中压闭环湿气标定装置内完成。该装置基于标准表法，由介质源、混合器、计量管道、水平环管实验管段、垂直井筒实验管段、分离装置和计算机控制系统等部分组成。差压式湿气两相流实验是在水平环管实验管段上进行的，实验系统如图3所示。该装置的测量范围为：水，（0～16）m3/h；空气，（0～1000）m3/h；测量不确定度为：水介质0.22%（k=2）；空气介质0.36%（k=2）。

图3 气液两相实验装置原理图Fig.3 Schematic diagram of gas-liquid two-phase experimental device

实验中所使用的两相介质分别为水和压缩空气。水是由一台离心泵输入至稳压水塔中，采用水塔的自行溢流的方式为实验系统提供稳定的液相工作压力；空气由两台空气压缩机产生，经冷干机脱水降温后，输入至两个储气罐中，储气罐的容积均为6m3。在计量管段和储气罐之间配备有稳压阀，以保证实验期间气流的工作压力相对稳定。水和空气经引射器混合后，通入实验管段。实验过程中，湿气经气液分离罐分离，空气经放气阀门排放，水则继续流入储水罐实现循环使用。整个实验过程中的数据采集和控制在工控机中完成。

2.2 校准实验及其不确定度评定

被校准流量计选用天津市天大泰和自控仪表技术有限公司生产的差压式湿气流量计，型号为TTWGFDN80(A)-0.55，流量范围（0～200）m3/h，其原理图如图4所示。

图4 差压式湿气流量计示意图Fig.4 Schematic diagram of differential pressure wet gas flowmeter

选取0.5qmax、GVF为97.5%流量测试点作为不确定度评定的案例进行分析，在该点下将湿气流量计测量3次，其校准结果见表1。

2.2.1 气相不确定度评定

湿气流量计的气相瞬时流量相对误差可由下式计算：

相对不确定度公式如下：

1）由重复多次测量引入的A类不确定度分量由重复多次测量引入的不确定度为：

2）由标准表处压力测量Ps所引入的B类不确定度分量

标准表处压力由绝压变送器测量，该绝压变送器测量范围为(0~2)MPa，对应的输出电流范围是(4~20)mA。该流量点的压力为1.3MPa，对应输出电流值为14.4mA。绝压变送器的校准证书中，其扩展不确定度为U(Ps)=0.004(mA)（k=2），则

且

表1 校准结果Table 1 Calibration results

3）由标准装置引入的B类不确定度分量

标准装置的气相流量测量相对扩展不确定度为Urel(qs)=0.36%(k=2)，则

且

4）压缩因子Z的不确定度

压缩因子的允许误差是0.01%，按矩形分布计算，则标准表处空气压缩因子和标准状态下空气压缩因子的不确定度为：

5）标准表处温度测量所引入的B类不确定度分量

标准表处温度由一体化温度变送器测量。由该一体化温度变送器的校准证书可得，其扩展不确定度为：U(Ts)=0.1(℃)(k=2)，则

且

综上所述，在GVF为97.5%、0.5qmax的流量点下，该湿气流量计的气相误差为-2.93%，测量结果扩展不确定度为：Up(g)=0.38%（k=2）。

2.2.2 液相流量的测量不确定度评定

湿气流量计的液相瞬时流量测量，其相对误差由下式计算：

表2 气相测量不确定度分析一览表Table 2 Uncertainty analysis of gas phase measurement

相对不确定度公式为：

1）重复多次测量所引入的A类不确定度分量

由重复多次测量引入的不确定度为：

2）标准装置所引入的B类不确定度分量

查湿气两相流量标准装置的校准证书可知，液相测量相对扩展不确定度为Urel(qs)=0.22%（k=2），则

另外，因此，在GVF为97.5%，0.5qmax流量点下，该湿气流量计液相误差为1.47%，液相测量结果扩展不确定度为Up(l)=0.454%（k=2）。

3 总结

本文介绍了广泛应用于湿气流量计量领域的差压式湿气两相流流量计的原理，并在天津大学电气与自动化工程学院的中压闭环湿气标定装置中对其进行了校准，对该流量计的气相和液相的不确定度进行了评定。伴随着工业技术的不断发展及其对能源日益增加的需求，湿气流量的测量将会越来越多地出现在诸多的工业领域中。研究湿气流量的计量践行了国家质检总局“计量支撑产业发展”的理念，为今后开展相关差压式湿气流量计的校准工作提供了参考和数据支持，并为支撑国家以及区域经济发展转型贡献一份力量。

表3 液相测量不确定度分析一览表Table 3 List of uncertainty analysis of liquid phase measurement