气体流量计在线校准的技术方法研究

郭 亮

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北 唐山 063200）

0 引言

在能源计量学科领域中，周期检定和周期校准，是确保能源计量器具的性能优良和测量结果准确的必要手段，也是确保能源计量器具满足法定要求的唯一途径。企业在能源计量管理工作中，除按照国家和地方法律法规要求，确保分级分类配备能源计量器具，更重要的一项工作，就是确保能源计量器具能够按照一定周期，进行检定或校准，确保能源计量器具性能优良和计量数据结果准确，能够满足法定计量要求和工艺计量要求[1]。

1 研究背景与研究价值

钢铁行业作为传统制造类行业中的典型代表，能源消耗量和节能潜力同样巨大，随着企业发展，能源计量管理工作尤其是计量器具检校准工作的压力与需求也与日俱增。当前，国内大部分钢铁行业在用能单位和次级用能单位一级，能源计量器具配备已基本满足国家法律法规和标准文件要求，但能源计量器具的周期检定和校准工作，却普遍存在不同程度的缺失和瓶颈。

钢铁行业中广泛使用的能源计量器具，普遍通过管段式或法兰式的安装方式，完成与被测介质管道的连接，例如孔板、喷嘴、V型锥等，这类计量器具安装方便且成本低廉，适合大量安装使用，但也存在相应的技术缺陷，即一旦投入使用，除非将管道中的被测介质排空，否则其一次装置（传感器）无法安装位置拆除。一般来说，企业需要在产线大修完全停产时，才能安排停止供能，然后拆除一次装置送至标准实验室完成检定或校准，完成后送回现场，回装并恢复供能。完成上述过程有3个难点：1）全停产检修机会极少，难以保证每条产线配备的能源计量器具都能够在有效周期内得到拆卸送检的机会。2）外送检定或校准耗时较长，现场产线即使有停产检修机会，时间也不足以支持拆卸送检。3）往返途中还会产生不菲的物流运输费用和随行监装人员的差旅食宿费用。综上所述，传统的外送检定/校准模式，难以在钢铁行业正常生产运行的前提下广泛推广实施。

因此对钢铁行业来说，如果能够通过技术手段，不需要将传感器从管道中拆卸，不需要产线停产检修或停止供能，在能源计量器具安装运行现场即可在线进行检定或校准，将极大地降低企业能源计量管理的各方面成本，调动企业进一步开展能源计量器具周期检定校准工作的积极性，提高企业能源计量管理水平，促进企业节能减排工作有效推进。

2 在线校准技术

气体计量器具通常由一次装置（传感器）和二次装置（转换器）组成，搭配压力传感器和温度传感器作为补偿装置，共同构成整套设备[2]。对气体计量器具进行在线校准，需要在计量器具安装位置的附近，部署在线校准装置，对同一位置的管道内气体流量进行测量，并与现场安装运行的计量器具进行比对，通过多次测量得到的原始数据，计算出被校准计量器具的综合不确定度。

在线校准装置同样由一次装置和二次装置组成。一次装置包括测量管和各种传感部件（如温度、压力、密度、流速、差压、声速、转速等传感器）等，传感部件可安装于管道内部或外部。二次装置接收来自一次装置的检测信号，并分析、转换和（或）传送该信号、显示、记录，以得到流量值。

利用企业现场供能管道，将标准表与被校准计量器具串联，通过对比标准表与被校准计量器具的流量示值（瞬时值或累计值），从而确定被校准计量器具的在线示值误差以及计量器具的修正系数[3]。

为达到上述目的，需要使用插入式传感器作为在线校准装置的一次装置，在被测计量器具附近的管道上，使用开孔设备在管壁上钻取测孔，孔径大小根据被测管道的实际管径选取。开孔位置安装阻断阀，进行在线校准时打开阻断阀安装标准装置，校准完毕后取出标准装置，将阻断阀关闭，防止管道内气体介质外泄。目前，钢铁行业中大部分气体流量计量场景下，被测介质都可以使用相应技术设备实现不停气前提下的在线开孔；而对于氢气、氧气等少数容易爆燃的被测介质，可以等待检修停气时完成开孔作业。

3 在线校准技术使用条件

3.1 环境条件

该文中论述的在线校准技术在应用时，环境条件一般应满足：1）环境温度为-10℃～45℃；2）相对湿度为35%～95%；3）大气压力为86kPa～106kPa。4）被测介质应是封闭圆形管道内的单相稳定气态流。5）电源应满足标准装置在现场工况条件下使用的要求。6）场地满足安全操作要求，被测计量器具如安装在架空管廊上，应有配套扶梯或直梯，应有配套检修操作平台，操作平台空间应足够容纳两人以上的作业人员和部署标准装置所需要的空间。7）外界磁场应小到对在线校准装置和被校准计量器具的影响可忽略不计。8）振动和噪声应小到对在线校准装置和被校准流量计的影响可忽略不计。

3.2 被校准计量器具

该文中论述的在线校准技术在应用时，被校准计量器具应满足以下条件：1）被校准计量器具应满足GB 17167—2006的要求[1]。2）被校准计量器具安装与使用应满足其产品说明书的要求。3）被校准计量器具应有前一个周期的检定或校准证书，或首次检定或校准时的有效证书。

3.3 标准表

该文中论述的在线校准技术在应用时，标准表应满足以下条件：1）标准表的选择。作为在线校准装置的标准表，应选择重复性和修正系数稳定性满足如下要求的便携式在线安装巴类流量计。标准表的重复性验证方法：在常用的管道范围内固定选择一个管道口径进行重复性实验，每次试验在该管道上做4个流量点的测试；具体流速分别为5.0m/s、10.0m/s、15.0m/s、2.0m/s；亦可根据现场实际需要增加流速点，各流速点重复测试3次。计算各流量点的重复性，最大不得超过0.20% 。修正系数稳定性验证方法：重复性满足要求的标准表，初次使用的第一年至少要进行不少于3次的修正系数稳定性实验，相邻2次实验的修正系数变化不得大于0.25% 。在此后的使用中，要关注相邻2次校准标准表的系数变化，超过0.25%时，应缩短复校间隔。2） 标准表的校准。标准表的量值应溯源至计量基准或社会公用计量标准；标准表及主要配套设备均应获取有效的检定或校准证书[1]。标准表的校准口径以及在何种口径上校准，应根据被测计量器具的实际情况决定。另外，标准表还应在实验室标准装置上完成定口径、定雷诺数状态下的流出系数校准。由于便携式在线安装巴类流量计可以在不同口径的管道上对流量进行测量，实验证明在不同口径上便携式在线安装巴类流量计的仪表系数有区别，因此检测时使用的仪表系数应采用统一系列管道口径上测得的仪表系数。实验证明便携式在线安装巴类流量计在相同口径不同流速的前提下，仪表系数线性误差基本在0.5%以内，而其同一个流速点的重复性基本在0.10%以内，而在线校准都是在固定流速情况下使用的，因此便携式在线安装巴类流量计作为标准表使用时，应该采用定口径定流速的方法进行校准。

推荐的标准表校准流速点为5.0m/s、10.0m/s、15.0m/s、20.0 m/s；根据被校准计量器具的实际情况，可增加或删减校准流速点。标准表校准流速点与在线校准实际流速相差不得大于0.25 m/s。3）标准表的流出系数（流量系数）不确定度应优于 0.2%。4）标准表测量的管道内径、材质、壁厚、衬里材质及其厚度，以及测量介质类型、介质温度、介质压力等都应该在标准表说明书规定的范围之内。

4 标准管段

该文中论述的在线校准技术在应用时，标准管段的选择应满足以下条件：1）推荐在被校准流量计的上游或下游合适位置安装一段几何尺寸已知的管段作为标准管段。2）标准管段可以是一段专门定制的串联在流量计管道上的碳钢或不锈钢短节，其长度不小于被校准流量计管道公称直径的15倍。3）标准管段也可以是在流量计管道上选定的流场条件和管道内径尺寸都能满足标准表要求的一段直管。 4）标准管段的位置应以上下游直管段长度尽量长的原则选定，应选择水平管道或上升管道作为标准管段的安装位置。5）标准管段位置应确保没有液体集聚的情况，最好是没有电磁干扰和振动干扰的位置。6）标准管道的焊缝应避开标准表变送器的安装位置。7）利用现场管道作为标准表安装位置的标准管段，要现场实测管道内径与壁厚。8）应优先选择不带衬里的管道作为标准管段，如无法避开，衬里材质与厚度 必须准确已知。9）对于常见的阻力件的上下游直管段长度，泵、阀门、变径管、三通的上游直管段应至少满足7倍管径距离，下游直管段应至少满足3倍管径距离，弯头的上游直管段应至少满足5倍管径距离，下游直管段应至少满足2倍管径距离。

5 其他设备

该文中论述的在线校准技术在应用时，可能需要使用的其他辅助设备应满足以下条件：1）用于测量管道尺寸与壁厚的计量器具应有有效的检定或校准证书。2）管道外径测量推荐使用π尺，壁厚测量推荐使用测厚仪。

6 在线校准项目和校准方法

进行在线校准时需要执行的校准项目包括流量计在线示值误差校准，确定流量计的修正系数。

进行在线校准的方法和步骤如下：1）一般检查。首先需要对被校准计量器具进行以下一般性检查。检查流量计转换器中输入的关键参数是否正确。观察并记录流量计当前的工作流量（流速）。检查标准表的内置仪表系数，应是与被校准流量计口径与流速相吻合的仪表系数。2）标准表的安装位置选择与测量管道的测量如上文所述。3）校准流量点。根据现场实际情况与确定校准流量点，每个流量点一般校准不少于3次。流量点一般选择1～3个，现场无法调节流量时可采用在不同时段校准的方法进行不同流量点的校准。4）在线示值误差校准。在线示值误差校准分瞬时流量法和累计流量法2种，当现场流量波动小于 3%时建议采用瞬时流量法，当现场流量波动大于3%时建议采用累积流量法；当被校准计量器具流量示值分辨率小于0.1%时只能采用累积流量法。每次校准时，一般由2名校准人员同时读取并记录被校准计量器具和标准表的流量示值。

若采用瞬时流量法，则至少读取30个瞬时流量数值，每次读数间隔60s，之后在做平均值计算时允许按规则剔除读数粗大误差。以计算出的平均值作为该次测量的仪表示值。

若采用累积流量法，则应读取至少30min的流量累积值作为该次测量的仪表示值。校准时读取的仪表示值的分辨率应大于0.05%。3次测量完成后分别计算标准表和被校准流量计的3次测量平均值作为该流量点的标准流量值（Qs）i和流量计示值Qi。5）安全注意事项。现场作业时，需遵守有关安全管理规定，穿戴好劳保和安全防护用品，做好工作危害分析（JHA）和工作安全分析（JSA），确保作业安全。6）复校时间间隔。由于复校时间间隔的长短是由被校准计量器具的使用状况及其测量介质性能等很多因素决定，因此可根据各地方法定计量监督管理部门的规定和流量计实际工况，合理决定复校时间间隔，一般建议复校周期为 1～2年。

7 在线校准结果的计算

7.1 在线示值误差

流量点每次的在线测量示值误差Eij按如下公式计算[2]：

式中：qij为第i流量点第j次校准时的被校准流量计示值（瞬时值或累积值）；（qs）ij为第i流量点第j次校准时的标准表示值（瞬时值或累积值）。

取3次测量的在线示值误差平均值作为该流量点的在线示值误差Ei。

7.2 流量计在线修正系数

完成在线校准后，当流量点的在线示值误差平均值Ei超过流量计的准确度等级时，可通过计算新的在线修正系数来调整示值误差。新修正系数按如下公式计算[2]：

式中：Ki：第i校准点新在线修正系数；Ko：被校准计量器具当前修正系数；Qi：第i校准点被校准流量计的平均流量；（Qs）i：第i校准点标准表的平均流量。

被校准计量器具各流量点平均在线修正系数K按如下公式计算[2]：

式中：m为该校准过程中实际测量的流量点数。

校准后当在线示值误差平均值Ei不超过流量计准确度等级时，则Ki=Ko。

7.3 重复性计算

被校准计量器具每个流量点的重复性（Er）i按如下公式计算[2]：

式中：n为该校准过程中对第i流量点的实际校准次数。

取被校准计量器具所有流量点的重复性最大值，作为被校准计量器具的重复性Er。

当重复性超出准确度等级规定范围时，必须在校准证书中出示相关信息。

7.4 计算各流量点的扩展不确定度

被校准计量器具的扩展不确定度按如下公式计算[4]：

式中：Ur为被校准计量器具的扩展不确定度；k为包含因子；ucr为合成标准不确定度。

取所有流量点的扩展不确定度最大值作为被校准计量器具的扩展不确定度。

8 在线校准技术应用

该文中所论述的技术方法，在国内石油化工行业中，已有成规模的应用实例，且在中国石油化工集团公司内部，已形成企业标准并发布实施。

在钢铁行业中，首钢京唐公司作为行业领军企业之一，率先与相关校准实验室展开合作，利用自身现场工况场景积极开展技术验证，已先后在DN80至DN1600的不同管径规模下，分别对煤气、氮气等多种不同能源介质，完成了在线校准的全过程和效果验证，校准过程和结果符合法定计量监督管理部门的技术要求和企业的计量管理要求。该技术方法目前已向中国合格评定国家认可委员会申报CNAS建标认可。

9 结语

随着我国工业化水平的不断发展进步，钢铁行业曾经的粗放型管理模式正在逐渐向精细化管理模式转变，对能源计量工作的认识水平也在不断提高，行业内对能源计量器具周期检定校准方法的讨论和思考开始逐渐活跃。该文所论述的技术方法，在产线正常生产的同时，对能源计量器具就地进行校准，完美契合钢铁行业自身的特点和需求，符合行业未来发展趋势，对于其他生产制造类行业也极具推广价值。