對天然氣流量測量不確定度

1、.對天然氣流量測量不確定度問題的認(rèn)識羅明強張金鵬*摘要列出了國內(nèi)部分計量現(xiàn)場流量測量的慣用方法及相應(yīng)的測量參數(shù)，探討了流出系數(shù)的計算不確定度、孔板孔徑及測量管內(nèi)徑的測量不確定度、真實相對密度的測量不確定度、氣流溫度和靜壓及差壓的測量不確定度等問題，指出任何時刻或任何環(huán)節(jié)產(chǎn)生的測量不確定度都會影響累計流量測量不確定度。主題詞天然氣計量精度影響參數(shù)To Understand the Measurement Uncertainty of Natural Gas FlowrateLuo Mingqiang and Zhang JingpengAnalyzing the measurement unce

2、rtainty of natural gas flowrate is importantHowever，some marked influential factors are usually ignored during actual measurement of natural gas flowrate，which results in the reduction of the fiduciary level of analysis or calculationIn this paper the current method to solve this problem with exampl

3、e is presented，and meanwhile，some influential factors for concern parameters are also put forward and analyzedSubject Headings：natural gas，flowrate，metering，uncertainty，discussion一、現(xiàn)階段的處理方法在對孔板流量計的流量測量不確定分析和計算時，主要考慮二次儀表帶來的影響，而對一次元件及其它環(huán)節(jié)考慮不多，由此得出的計算結(jié)果就不精確。為加深對這一問題的認(rèn)識和理解，列舉出國內(nèi)部分計量現(xiàn)場的慣用計量方法。計量系統(tǒng)主要配置標(biāo)準(zhǔn)節(jié)

4、流裝置、導(dǎo)壓管、玻璃溫度計、雙波紋管差壓計、求積儀、編程型流量計算器。1、基本參數(shù)(1)測量管為輕微銹蝕鋼管，內(nèi)徑D20149.10mm，孔板孔徑d2073.359mm，孔徑比0.492。(2)雙波紋管差壓計準(zhǔn)確度等級1.0，靜壓量程Pm4.0MPa，差壓量程Pm25kPa；徑向方根求積儀準(zhǔn)確度等級0.5，溫度測量范圍050，最小分度值為0.5，精確度等級為1.0。(3)當(dāng)?shù)卮髿鈮篜00.10MPa，統(tǒng)一取為固定常數(shù)，并預(yù)先通過儀表調(diào)校的方法將其遷移到二次儀表。(4)包含當(dāng)?shù)卮髿鈮旱娜炱骄^對靜壓開方格數(shù)PG56.4格，全天平均差壓開方格數(shù)PG61.2格，氣流溫度T25.7，此值為每4h錄取

5、1次，由全天求平均值得到。(5)靜壓記錄比較平穩(wěn)，差壓記錄在開方格數(shù)為4070格之間頻繁波動，靜壓、差壓記錄曲線的寬度在1.52.5mm之間。以下情況在以機械式記錄儀表為主的計量系統(tǒng)中普遍存在。(1)導(dǎo)壓管信號傳輸通道的長度約45m。(2)每季度進行一次氣樣采集及分析，并更換相關(guān)參數(shù)。(3)每月對孔板進行一次檢查和清洗。(4)用流出系數(shù)C對孔板直角入口銳利度系數(shù)bk和測量管內(nèi)壁粗糙度系數(shù)Re進行修正，但bk的修正方法不符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。(5)未考慮實際工況條件下的氣流溫度對測量管內(nèi)徑和孔板孔徑的影響。(6)氣體中含有微量粉塵，導(dǎo)致孔板上、下游表面附有少許臟物。(7)流量計算過程中，先算K值，再算流

6、量。(8)百格開方卡片質(zhì)量不高，存在著浸漬、偏心、中心開孔過大及分格半徑不規(guī)范等質(zhì)量缺陷。(9)在距孔板上游端面15D、30D、32D、35D處分別設(shè)有一支鐵殼式水銀溫度計及一臺半開的閘閥、匯管和自力式調(diào)壓閥，即計量裝置上游存在著機械擾動或渦流。工藝安裝及流量計算方法基本符合SYT61431996標(biāo)準(zhǔn)1。2、計算過程上游絕對壓力P11.2724MPa，差壓P9.3636kPa，氣流溫度T25.7，其它相關(guān)參數(shù)的計算及對流量測量不確定度的處理方法見表1。注為SYT61431996中的條款；式中A23，為儀表精確度等級；下標(biāo)m表示儀表測量上限。表1中流量測量不確定度QnQn（Ui×Si）

7、20.5（2.52）0.5±1.59，該計量系統(tǒng)的體積流量測量不確定度QnQn±2.0。二、流出系數(shù)的計算不確定度（CC）在流量計算過程中，通過查表的方法對流出系數(shù)(C)進行了孔板直角入口銳利度系數(shù)(bk)修正(孔板直角入口銳利度rk未進行現(xiàn)場實測)，根據(jù)SYT61431996附錄C中的規(guī)定(至于其它修正方法，如查表法、經(jīng)驗公式法等所引入的不確定度如何進行計算，目前尚無相關(guān)方面的報道，故本文暫按SYT61431996中的方法進行計算)，當(dāng)bk1.0時，應(yīng)對CC幾何相加一個±0.5(或±0.5(bk1)×100)的附加不確定度，同時也考慮孔板上游

8、多種阻流件并存及部分設(shè)備未按標(biāo)準(zhǔn)要求進行使用的情況(如閘閥未處于全開工作狀態(tài))，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，在流出系數(shù)的不確定度上算術(shù)相加±0.5的附加不確定度。因此，表1中CC的數(shù)值應(yīng)為±（0.620.52）0.5±0.5±1.28。三、孔板孔徑及測量管內(nèi)徑的測量不確定度(dd、DD)嚴(yán)格意義上講，SYT61431996中(第922條)給出的dd及DD的數(shù)據(jù)，應(yīng)是一種在嚴(yán)格的檢定條件下(人員、設(shè)備、方法、環(huán)境等符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn))，認(rèn)真按照有關(guān)檢定規(guī)程和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，對新制造的或使用中的孔板及測量管進行檢定時所允許的測量不確定度，即d20d20±0.07

9、、D20D20±0.40(下標(biāo)20表示檢定狀態(tài))。但由于要考慮現(xiàn)場的實際工況條件，因此這種檢定要求忽略了如下一些影響因素：(1)未對d20及D20進行實際工況條件下的溫度修正；(2)現(xiàn)場配備的長度計量器具(如游標(biāo)卡尺)往往不能按期送檢，現(xiàn)場計量人員也未進行長度計量測試方面的專業(yè)培訓(xùn)；(3)對在用中的測量管，幾乎都未考慮腐蝕、變形及積塵附著等對其實際內(nèi)徑產(chǎn)生的變化；(4)由于測量管內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特殊性，部分生產(chǎn)廠家目前只選擇了分別距孔板上、下游端面0D(或0.5D)的兩個截面進行內(nèi)徑測量，并將平均值刻在銘牌上供用戶參考，一般的標(biāo)準(zhǔn)都要求至少測量4個截面。這些因素導(dǎo)致了實際工況條件下孔板孔徑

10、及測量管內(nèi)徑的測量不確定度往往會超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍，即dd±0.07、DD±0.40。四、真實相對密度的測量不確定度(GrGr)SYT61431996中第922條明確指出：GrGr的值可取±0.5。應(yīng)該說，這一數(shù)據(jù)主要適用于取樣技術(shù)及分析方法完全符合有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并且取樣周期很短或者氣質(zhì)相當(dāng)穩(wěn)定等這一特定的條件。然而，這種取值在具體的計算過程中卻忽略了取樣周期及動態(tài)流量測量過程中氣質(zhì)變化等因素對GrGr的實際影響。以某企業(yè)的第二季度天然氣氣質(zhì)分析報告中的一個計量點為例，取樣日期是3月8日，分析日期是4月16日，計量點開始使用第二季度新氣質(zhì)參數(shù)的實際日期是5月18日

11、。也就是說，化驗部門在經(jīng)歷了現(xiàn)場取樣、路途返回、儀器維護、具體分析、全面審核、報告打印及數(shù)據(jù)發(fā)送等一系列過程之后，就不可避免地出現(xiàn)了使用日期大大滯后于取樣日期的現(xiàn)象。值得注意的是，SYT61431996只給出了真實相對密度的計算方法，而對氣樣采集及組分分析未作任何說明，特別是在如何確定取樣周期上，其它相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也沒有這方面的具體要求。五、氣流溫度、靜壓及差壓的測量不確定度（TT、P1P1及PP）1、氣流溫度(TT)按表1(TT（±23）（TmT）得出的計算結(jié)果，只能是溫度計本身在理想條件下的測量不確定度。事實上，在具體確定TT時還應(yīng)當(dāng)考慮以下幾個方面的影響。(1)溫度計的感溫元件與氣流

12、的接觸是否良好。為了能夠真實地反映被測流體內(nèi)部的溫度，應(yīng)首先對感溫頭的安裝位置、插入深度、方向以及表面的清潔程度等進行嚴(yán)格確認(rèn)，如果感溫頭表面附有液體或其它污物，那么熱傳導(dǎo)效果就會受到影響。(2)溫度取值及處理方法是否恰當(dāng)。溫度取值為每4h一次，然后以全天的溫度平均值計算日流量。這種作法存在兩個缺陷，一是日平均氣溫的測量不確定度將受到瞬時氣溫計取時間間隔長短的影響，而現(xiàn)行的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)卻未對氣溫計取周期作出明確規(guī)定；二是這種先計算日平均氣溫，然后再計算日累計流量的作法勢必會使流量計算的均方根產(chǎn)生誤差，即（Ti）0.5（Ti0.5n）。(3)作為工作儀表的溫度計是否按規(guī)程要求進行了嚴(yán)格檢定。任何類型

13、的計量儀表在使用了一定時期之后都必須進行量值溯源，其手段之一就是送交國家法定技術(shù)部門進行周期檢定。作為流量測量特別是貿(mào)易計量中的溫度計量器具也不例外。2、靜壓及差壓(P1P1、PP)表1中的計算結(jié)果只給出了靜、差壓記錄或指示儀表的測量不確定度。要想知道其確切結(jié)果，首先應(yīng)了解靜、差壓的測量過程。在宏觀上，這一過程主要包括靜、差壓的產(chǎn)生、傳遞、記錄(指示)以及處理等4個基本環(huán)節(jié)。因此，P1P1或PP就應(yīng)當(dāng)是這4個因素按照一定方式進行合成的結(jié)果。（1）產(chǎn)生階段對于孔板流量計，節(jié)流裝置是整個計量系統(tǒng)的一個核心組成部分，它的主要作用就是產(chǎn)生與流量存在某一確定函數(shù)關(guān)系的靜、差壓信號。由于任何計量器具都存在

14、著誤差或不確定度，因此節(jié)流裝置也不例外，即靜、差壓信號在其產(chǎn)生初期就存在了一個不確定度，其范圍與節(jié)流裝置的設(shè)計、制造、安裝、維護及管理水平有關(guān)。（2）傳遞階段取壓孔的位置、尺寸、內(nèi)壁倒角以及導(dǎo)壓管的長度和內(nèi)在質(zhì)量等必然會對靜、差壓信號的傳遞產(chǎn)生一定程度的影響，在進行不確定度分析的過程中應(yīng)當(dāng)考慮到這一因素。至于這種影響的幅度，還有待于用實驗驗證的方法去作進一步的研究。（3）記錄(或指示)階段對于機械式記錄儀表，這一階段的影響主要來自兩個方面，即記錄儀表(如CWD430)和信號載體(如百格開方卡片)。其中，記錄儀表由于內(nèi)部摩擦、零部件制造公差等一系列不可避免的客觀原因產(chǎn)生的測量不確定度，可按表1提

15、供的方法進行計算。要確定信號載體所產(chǎn)生的影響幅度，首先要解決兩個方面的問題，一是制造質(zhì)量問題，如目前常用的圓形百格開方卡片存在中心孔開孔不規(guī)范、分格半徑偏大或偏小以及紙質(zhì)粗糙等缺陷；二是沒有可供校驗記錄圖紙的傳遞標(biāo)準(zhǔn)，即無法對記錄圖紙的準(zhǔn)確度進行有效溯源。（4）處理階段相對而言，對這一階段的不確定度進行分析非常關(guān)鍵，也最為復(fù)雜。在確定這一階段的不確定度時，應(yīng)當(dāng)考慮的因素如下。當(dāng)?shù)卮髿鈮?P0)的取值是實際測量值還是統(tǒng)一取為某一固定常數(shù)(如0.1MPa)。對于機械式記錄儀表，是否在儀表上進行了靜壓零位遷移，即根據(jù)P0及Pm的范圍人為設(shè)定靜壓記錄的起始位置。對于某些特定的量程而言，這種遷移是通過估

16、讀與估調(diào)的手段實現(xiàn)的。記錄曲線的波動幅度、頻率及寬窄程度。曲線閱讀采用的是人工取點(如每小時取出一個點，然后求日平均值)還是機械錄數(shù)(如利用求積儀沿曲線求積)。對于后者，可根據(jù)閱讀器具的量程(Rm)和實際讀數(shù)的大小(Ri)來確定對被測量值(P1、P)的影響，即(11）r或（PP）r（±23）（RmRi）。其中，為閱讀器具的精確度等級，下標(biāo)r表示曲線閱讀階段引入的不確定度。值得注意的是，求積儀與記錄圖紙一樣，沒有更高的標(biāo)準(zhǔn)可供量值溯源。在一定程度上，這可以認(rèn)為是使用機械式記錄儀表的一個嚴(yán)重缺陷，但多年來這一問題一直沒有引起有關(guān)方面的重視。如果全天的供氣生產(chǎn)連續(xù)、正常，而在某一段時間出現(xiàn)

17、了記錄中斷或其它異常現(xiàn)象，那么在該生產(chǎn)周期內(nèi)相關(guān)被測量的不確定度就必然增加。如何對這一特定情況下的不確定度進行有效分析，還有待于理論及實驗研究。如果先計算P1、P的日平均值，然后再計算日流量，那么同樣應(yīng)考慮由此產(chǎn)生的均方根誤差。另外，在對整個QnQn進行分析時，還應(yīng)考慮到由數(shù)學(xué)模型(如K值換算)及計算器本身等引入的不確定度。綜上所述，對理想狀態(tài)下瞬時流量(某一個時間點上各種測量參數(shù)的數(shù)學(xué)合成結(jié)果)的測量不確定度進行分析，相對而言比較簡單，其分析及處理方法可按表1進行。但在天然氣貿(mào)易計量過程中，主要關(guān)注的是實際工況條件下的累計流量，即某一個時間段內(nèi)各個不同時刻的各種測量參數(shù)的數(shù)學(xué)合成結(jié)果，它是貿(mào)

18、易結(jié)算的最終依據(jù)。不言而喻，任何時刻或任何環(huán)節(jié)產(chǎn)生的測量不確定度都將影響到累計流量測量不確定度，因此要確定實際工況條件下的累計流量測量不確定度，要考慮的因素就更多，計算或分析難度也大大增加，這一問題的圓滿解決還有待于深入的理論研究和大量的實驗驗證。作者簡介：羅明強工程師，1969年生，1992年畢業(yè)于西南石油學(xué)院采油工程專業(yè)，現(xiàn)在中國石油天然氣四川石油管理局輸氣公司從事石油計量管理工作*羅明強張金鵬：對天然氣流量測量不確定度問題的認(rèn)識，油氣儲運，1999，18(7)3841。作者單位：四川石油管理局輸氣公司610215，四川省成都市雙流華陽鎮(zhèn)；電話：(028)3347480-231775。1，SY/T61431996天然氣流量的標(biāo)準(zhǔn)孔板計量方法。表1流量測量不確定度計算方法計算項目公式或依據(jù)不確定度(Ui)敏感度系數(shù)(Si)(Ui×Si)2(Ui×Si)2流出系數(shù)(C)0.6±0.601.00.360.36流束膨脹系數(shù)()&#