刮板流量计检定结果不确定度评定

高飞

(中国石油化工有限公司 西北油田分公司,新疆 库尔勒 841600)

目前,在原油输送过程中,刮板流量计是一种常用的动态计量器具。某原油交接末站配备4台smith LH8-S3型0.2级刮板流量计,1套BI-DI型体积管,每6个月通过体积管对刮板流量计检定一次,修正一次流量计系数,并参与下一检定周期内的交接计算。因此,刮板流量计的计量性能、计量准确度将直接影响原油贸易交接计量的准确性。

测量不确定度是指由于测量误差的存在,对被测量值的不能肯定的程度,是表示被测量值分散性、准确性和可靠程度的量[1]。一般情况下,不确定度值越小,表明测得的结果与被测量的真值越接近,与真值的分散程度越小,结果越好。测量不确定度一般有若干分量组成,根据测量过程中随机误差和系统误差的存在,测量方法分为A类评定和B类评定。其中,一些分量由于是随机误差引起的,通过对在规定测量条件下增加测量次数取平均值得到的真值,采用统计的方法评定所得的标准不确定度为A类评定;另一些分量的测得不同于A类评定的方法,通过经验值或其他信息进行的测量不确定度分量的评定为B类评定,含有主观的成分。通过A,B两类评定方法可得出合成标准不确定度和扩展不确定度[1-2]。

本文根据该末站刮板流量计历次检定数据,分析检定误差并针对标准体积管检定原油刮板流量计的示值误差的测量结果进行不确定度的分析及评定,深入研究影响刮板流量计检定误差的原因,提出相应合理化解决对策。

1 检定结果不确定度评定

1.1 检定原理

按照JJG 667—2010《液体容积式流量计检定规程》[3]要求,对准确度等级不低于0.5级的流量计,检定点一般不少于5个,均匀分布,包含最小和最大流量点,检定过程中实际检定流量与设定流量偏差应不超过设定流量的±5%,对每个检定点至少检定3次,相对误差不大于±0.2%,各检定点重复性不大于±0.067%为检定合格判定依据。刮板流量计检定系统设备参数见表1所列。

表1 刮板流量计检定系统设备参数

1.2 数学模型

刮板流量计检定的不确定度评定根据文献[3]中体积管的计算公式建立数学模型,通过数学模型分析对检定结果产生不确定的影响因素,以确定各个不确定度分量从而获得评定结果。检定条件下的被检表处的累计量Vs累积计算如式(1)所示：

(1)

式中：Vs累积——体积管处流量累计量,L;Vs——体积管被检定时二等金属量器(标准器)给出的体积值,L;D——体积管内径;βs——体积管膨胀系数;e——体积管壁厚;Es——体积管弹性模量;ts——体积管处温度,℃;ps——体积管压力平均值MPa;pm——流量计处压力值;(VCF20)s——体积管处温度下原油的体积修正系数;(VCF20)m——流量计处温度下原油的体积修正系数;κ——液体压缩系数。

(2)

根据体积管在线检定刮板流量计理论计算公式,分析测量不确定度的来源,主要包括各流量点测量结果的重复性、检定用液体在检定条件下的βs,k,ps,pm。

2 不确定度分量计算

2.1 流量计重复性的不确定度

该末站用于外贸交接的4台刮板流量计,通过体积管标准装置依据文献[3]中的要求进行检定,每个流量点重复检定3次。体积管的累积流量Vs累积与流量计的累积流量Vm累积进行对比,得出流量计的示值误差Em和重复性Er,计算如式(3)～式(4)所示：

(3)

(4)

式中： (Ei)max, (Ei)min——流量计检定最大、最小示值误差;dn——极差法系数。

以该末站1号刮板流量计检定点体积流量为220 m3/h为例,其中tm为流量计处温度示值,检定过程参数见表2所列。

表2 1号刮板流量计检定点流量为220 m3/h处的检定过程参数

2.2 Vs引入的不确定度分量

根据标准器检定证书,体积管的扩展不确定度U=0.02%(k=2),标准体积Vs为2 005.520 2 L,由体积管引入的标准不确定度uVs=(0.02%/2)×2 005.520 2=0.200 5(L)。

灵敏度系数cVs计算如式(5)所示,Vs不确定度分量u2如式(6)所示：

(5)

则

u2=cVs·uVs=0.200 8(L)

(6)

2.3 βs引入的不确定度分量

灵敏度系数计算如式(7)所示,βs不确定度分量u3如式(8)所示：

(7)

u3=cβs·uβs=0.023 16(L)

(8)

2.4 κ引入的不确定度分量

(9)

u4=∣cκ∣uκ=2.605×10-4(L)

(10)

2.5 ps和pm引入不确定度分量

现场体积管、流量计处使用压力表准确度等级均为0.4级,按照均匀分布考虑,则ps和pm标准不确定度计算如式(11)～式(12)所示：

(11)

(12)

灵敏度系数计算如式(13)所示,ps和pm不确定度分量u5,u6如式(14)所示：

(13)

u5=cpsups=8.56×10-4(L)

u6=∣cpm∣upm=8.46×10-4(L)

(14)

2.6 ts引入不确定度分量

(15)

u7=ctsuts=0.233(L)

(16)

3 测量结果的不确定度表示

测量结果的不确定度表征合理地赋予被测量之间的分散性、与测量结果相关联的一个参数,结果的主要表达形式有A类标准不确定度、B类标准不确定度、合成标准不确定度、扩展不确定度和相对扩展不确定度。

3.1 合成标准不确定度

汇总各标准不确定度,各估计值彼此独立或不相关,周期检定1检定数据的合成标准不确定度为

表3 该末站1号刮板流量计两次检定标准不确定度汇总

3.2 扩展不确定度

根据文献[1]的规定,在评估扩展不确定度时,确定合成标准不确定度之后,乘以一个包含因子即可得到扩展不确定度,一般包含因子k=2,由此,该末站1号刮板流量计在常用流量点两次检定过程的扩展不确定度分别为U1=ku(Vs累积)1=2×0.308=0.616(L),U2=ku(Vs累积)2=2×0.305=0.610(L)。

分别取Vs累积值为2 008.265, 2 008.013,k=2时相对扩展不确定度分别为Urel1=U1/Vs累积=0.030 7%,Urel2=U2/Vs累积=0.030 4%。

3.3 测量不确定度的结果评定

依据文献[1]和刮板流量计检定规程要求,通过对不确定结果的计算和多方面的分析,主要表现在流量计性能的评价、检定过程主要影响因素和对现场的指导意义,具体有以下几点：

1)该末站1号刮板流量计在相隔两个月的检定过程中,k=2时相对扩展不确定度分别为Urel1=0.030 7%和Urel2=0.030 4%,表明刮板流量计在两个月的检定期内测量结果与其不确定度之间的差异小,流量计的性能和运行状态较好,该流量计符合作为交接计量用流量计的要求[8]。

2)通过刮板流量计不确定度的评定可知,根据各不确定度分量对合成不确定度的贡献大小可以看出,测量重复性、标准体积管体积、体积管处温度[9-10]这几项因素是影响刮板流量计检定误差的重要因素。例如,标准体积管由于输油过程结蜡等因素导致标准体积减少2.7 L,可能引起0.131%的输油误差;体积管处温度偏高0.5 ℃,可能引起0.034%的输油误差,这些因素都将引起交接油量的减少,最终造成计量数据不准确。

3)通过对刮板流量计检定结果的不确定度的评定,为实现后期交接双方定期对刮板流量计校准,保证流量计使用过程中的精度提供重要依据,为交接双方利益提供了保障[11-12]。

4 结束语

根据刮板流量计检定数据对测量结果进行不确定度评定分析,可以看出,影响原油流量计测量结果的不确定度因素主要来源于测量重复性、标准体积管体积、体积管处温度。在计量过程中不但要保证标准装置计量性能的稳定,定期做计量标准的重复性、稳定性等工作以监控其计量性能,使测量结果的不确定度影响降到最小,而且在检定中保证检定过程规范,检定参数录入精确,尤其要求在后期运行中原油输送过程和检定过程工况的一致性,才能保证测量结果的准确和可靠,为刮板流量计的计量性能、原油计量交接数据的准确性提供重要依据。