臨界流文丘里噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置

1、臨界流文丘里噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置時(shí)間:2009-09-28 14:25來(lái)源:國(guó)家石油天然氣大流量 作者:周雷 邱惠 郭潔 點(diǎn)擊: 103次 臨界流文丘里噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置周雷 邱惠 郭潔瓊（國(guó)家石油天然氣大流量計(jì)量站南京分站，南京210058）摘要：本文介紹了國(guó)家石油天然氣大流量計(jì)量站南京分站內(nèi)臨界流文丘里噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)組成、技術(shù)指標(biāo)及流量量值溯源方法，對(duì)裝置不確定度進(jìn)行了分析。該裝置選用符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的臨界流文丘里噴嘴作為標(biāo)準(zhǔn)器，采用比較法原理開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的檢定和校準(zhǔn)工作，實(shí)現(xiàn)氣體流量量值傳遞，對(duì)完善國(guó)家高壓天然氣流量量值溯源體系具有重要意義。關(guān)鍵詞： 臨界流文丘里噴嘴 標(biāo)準(zhǔn)裝

2、置 不確定度 驗(yàn)證 比對(duì) 量值溯源1 概述1.1標(biāo)準(zhǔn)裝置總體描述為了解決高壓、大口徑天然氣流量計(jì)的實(shí)流檢定問(wèn)題，提高天然氣流量計(jì)量的準(zhǔn)確度，維護(hù)貿(mào)易雙方的利益，在征得國(guó)家計(jì)量行政主管部門(mén)的同意后，中國(guó)石油依托西氣東輸管道工程，建立了國(guó)家石油天然氣大流量計(jì)量站南京分站（以下簡(jiǎn)稱(chēng)南京分站）。臨界流文丘里噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置（以下簡(jiǎn)稱(chēng)次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)）作為南京分站的傳遞標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)實(shí)現(xiàn)南京分站內(nèi)的流量量值溯源體系的建設(shè)有著承上啟下的作用。該裝置由12只并聯(lián)安裝的臨界流噴嘴組件、前后匯管、數(shù)據(jù)采集處理控制系統(tǒng)及計(jì)算控制軟件等組成。每個(gè)臨界流噴嘴組件由前后直管段、管束整流器、臨界流文丘里噴嘴、壓力變送器和溫度變送器

3、構(gòu)成，其中安裝在噴嘴上游的溫度變送器、壓力變送器用于測(cè)量狀態(tài)轉(zhuǎn)換所需的壓力、溫度值，安裝在噴嘴下游的壓力變送器用于控制臨界流狀態(tài)是否在噴嘴喉部發(fā)生，每個(gè)噴嘴組件的前后安裝有強(qiáng)制密封球閥和液壓膨脹短接。所有組件管段與進(jìn)出口匯管連接，形成橇裝的臨界流文丘里噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。噴嘴組件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。 總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)和遙控兩種方式完成球閥的開(kāi)關(guān)，并確保各并行管路的密封性。2.3 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)和處理計(jì)算機(jī)完成通訊連接，經(jīng)過(guò)數(shù)字I/O卡與電動(dòng)執(zhí)行器的連接，通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)各閥門(mén)的控制和數(shù)據(jù)測(cè)量。閥門(mén)的開(kāi)關(guān)以及報(bào)警等可以在圖形化界面中顯示,操作人員可以通過(guò)屏幕來(lái)操作不同

4、的閥門(mén)，隨時(shí)了解、管理并控制整個(gè)檢定/校準(zhǔn)流程。2.4 泄漏檢查裝置上下游的球閥閥腔分別匯至兩根匯管，用一臺(tái)ROSEMOUNT 2088壓力變送器檢測(cè)其壓力的變化。當(dāng)球閥關(guān)閉的時(shí)，閥腔壓力升高，說(shuō)明有球閥中存在泄漏,將帶入測(cè)量不確定度。泄漏檢查的時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，因?yàn)闇囟鹊淖兓部赡芤饓毫Φ纳仙?.5 標(biāo)準(zhǔn)器選擇檢定/校準(zhǔn)開(kāi)始之前，系統(tǒng)軟件可以自動(dòng)根據(jù)設(shè)定的流量產(chǎn)生可供選擇的噴嘴流路和組合，這種選擇最終需要操作人員確定，噴嘴流路的最終選定是通過(guò)控制閥門(mén)的開(kāi)關(guān)來(lái)完成的，當(dāng)系統(tǒng)顯示所有被選擇的閥門(mén)處于正確位置后，流路選擇完成。2.6 壓力和溫度測(cè)量為了比較被檢表處和噴嘴處的流量值，噴嘴處的流量需要

5、進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。因此，噴嘴和被檢表處的壓力溫度測(cè)量要求很高。在每個(gè)噴嘴上游，應(yīng)用Rosemount 3051S 型壓力變送器(u < 0.04%FS和3244型溫度變送器（0.2級(jí)）測(cè)量壓力和溫度，壓力溫度信號(hào)通過(guò)FoudationFieldbus總線(xiàn)傳輸至控制室機(jī)柜。2.7組分測(cè)量噴嘴處的流量轉(zhuǎn)化成被檢表狀態(tài)下的流量，需要考慮天然氣壓縮因子的影響，需將天然氣組分參數(shù)輸入到檢定系統(tǒng)。氣體組分參數(shù)信息可以通過(guò)鍵盤(pán)人工輸入或使用在線(xiàn)色譜儀將組分值直接通過(guò)RS485 MODBUS串行通訊輸入至系統(tǒng)。2.8流量測(cè)量對(duì)于脈沖輸出的流量計(jì)，脈沖的形式主要有高頻和低頻兩種，被檢表可以最多帶有4個(gè)高頻脈沖

6、發(fā)生器和一個(gè)低頻脈沖發(fā)生器，在一個(gè)檢定周期內(nèi)，系統(tǒng)對(duì)脈沖數(shù)、脈沖開(kāi)始和停止的時(shí)間進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，所得的脈沖數(shù)通過(guò)計(jì)算得到體積量，用它除以檢測(cè)時(shí)間得到的瞬時(shí)流量和通過(guò)噴嘴的瞬時(shí)流量進(jìn)行比較，從而得到被檢表的測(cè)量誤差。系統(tǒng)還配備了連接輸出模擬信號(hào)(420 mA或RS485信號(hào)的流量計(jì)的接口，以方便檢定各類(lèi)輸出信號(hào)流量計(jì)。3 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)量值溯源圖由于南京分站的mt法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置正在籌建過(guò)程中，因此南京分站在征得國(guó)家計(jì)量行政主管部門(mén)的同意后，次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)器臨界流文丘里噴嘴暫時(shí)溯源至美國(guó)CEESI實(shí)驗(yàn)室，但壓力變送器、溫度變送器、氣相色譜分析儀、時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)等測(cè)量設(shè)備分別溯源至國(guó)家石油天然氣大流量計(jì)量

7、站、中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院和江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院。該計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的量值溯源圖如圖2所示。4 標(biāo)準(zhǔn)裝置工作原理及流量測(cè)量的數(shù)學(xué)模型根據(jù)音速?lài)娮斓呐R界流特性，當(dāng)氣體通過(guò)臨界流噴嘴時(shí)，在噴嘴上、下游氣流壓力比達(dá)到某一特定數(shù)值的條件下，噴嘴喉部形成臨界狀態(tài)，氣流達(dá)到最大速度（當(dāng)?shù)匾羲伲?。流過(guò)噴嘴的氣體質(zhì)量流量也達(dá)到最大qm。此時(shí)qm只與噴嘴入口處的滯止壓力和滯止溫度有關(guān)，而不受其下游狀態(tài)變化的影響。流經(jīng)臨界流噴嘴的質(zhì)量流量qm 可按下式計(jì)算：   5 測(cè)量不確定度分析和驗(yàn)證把臨界流文丘里噴嘴給出的被檢流量計(jì)工況條件下的體積流量值的不確定度作為次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置的測(cè)量不確定度。測(cè)量不確定

8、度分析評(píng)定一覽表見(jiàn)表3。5.1臨界流文丘里噴嘴的流量測(cè)量不確定度本標(biāo)準(zhǔn)裝置是由12只喉徑不同的臨界流文丘里噴嘴組成的氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，可以單只或者多只噴嘴組合在不同流量點(diǎn)對(duì)被檢流量計(jì)進(jìn)行測(cè)試。裝置的所有噴嘴都溯源于美國(guó)CEESI的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，流出系數(shù)的擴(kuò)展不確定度具有相同等級(jí)。在流量測(cè)量過(guò)程中，多只噴嘴組合流量測(cè)量不確定度優(yōu)于單只噴嘴的流量測(cè)量不確定度，為保證標(biāo)準(zhǔn)裝置的質(zhì)量流量測(cè)量不確定度能涵蓋所有測(cè)試條件，取單只噴嘴的質(zhì)量流量測(cè)量不確定度作為組合臨界流文丘里噴嘴的質(zhì)量流量測(cè)量不確定度。當(dāng)單只臨界流文丘里噴嘴參與流量測(cè)量時(shí)，組合臨界流文丘里噴嘴的質(zhì)量流量測(cè)量不確定度可以表示為：  

9、    5.3不確定度驗(yàn)證根據(jù)JJF1033計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范規(guī)定，采用傳遞比較法對(duì)本流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的流量測(cè)量不確定度進(jìn)行驗(yàn)證。不確定度驗(yàn)證測(cè)試采用CEESI提供的國(guó)際比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)組件作為測(cè)試對(duì)象，該組件由兩臺(tái)串聯(lián)安裝的Daniel超聲流量計(jì)和渦輪流量計(jì)組成，流量計(jì)的口徑為DN200。渦輪流量計(jì)安裝在下游，其上游直管段為10D，下游直管段為5D；超聲流量計(jì)直接安裝在渦輪流量計(jì)直管段的上游，其上游直管段是10D，在直管段的上游安裝了板式整流器。2007年12月，針對(duì)渦輪流量計(jì)的流量范圍，根據(jù)美國(guó)CEESI的測(cè)試流量選擇4個(gè)流量點(diǎn)，測(cè)量并計(jì)算在該流量點(diǎn)流量計(jì)K系數(shù)平

10、均值作為測(cè)試結(jié)果，見(jiàn)表4。測(cè)試過(guò)程中，要保證渦輪流量計(jì)與超聲流量計(jì)數(shù)值輸出穩(wěn)定一致，并記錄測(cè)試時(shí)間內(nèi)介質(zhì)溫度、壓力和氣體組分，作為原始參考數(shù)據(jù)。表4：不確定度測(cè)度結(jié)果驗(yàn)證表5.4 比對(duì)測(cè)試驗(yàn)證由于CEESI提供的國(guó)際比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)組件曾在美國(guó)CEESI Iowa和德國(guó)PTB Pigsar的天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行過(guò)測(cè)試，因此，對(duì)在南京分站用次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析，比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4。在測(cè)驗(yàn)過(guò)程中，同時(shí)開(kāi)始和停止記錄渦輪流量計(jì)和超聲流量計(jì)輸出的量值。渦輪流量計(jì)輸出的脈沖及天然氣的壓力和溫度值由次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)記錄；超聲流量計(jì)的流量值由一臺(tái)運(yùn)行Daniel CUI軟件的筆記本電

11、腦記錄，天然氣的壓力和溫度值由手工記錄。在此，并不對(duì)三個(gè)實(shí)驗(yàn)室的結(jié)果加以區(qū)分，只是分析結(jié)果誤差的大小，Y軸是用百分?jǐn)?shù)表示的流量計(jì)示值與實(shí)際流量值之間的誤差。 從圖中給出的結(jié)果可以看出：對(duì)于超聲流量計(jì)，在流量大于1300 m3/h時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果的示值誤差在±0.15%的范圍內(nèi)；在流量小于1300 m3/h時(shí)，三個(gè)實(shí)驗(yàn)室誤差值的變化較大，經(jīng)分析認(rèn)為可能是三個(gè)實(shí)驗(yàn)室的條件差異或該流量計(jì)在小流量范圍內(nèi)性能發(fā)生變化造成的。對(duì)于渦輪流量計(jì)，試驗(yàn)結(jié)果的線(xiàn)性度不是很好，流量計(jì)的K系數(shù)與銘牌上的數(shù)值明顯偏離，絕大多數(shù)試驗(yàn)結(jié)果的示值誤差在±0.20%的范圍內(nèi)。因此，可驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度優(yōu)于0.25%，k=2。8 結(jié)束語(yǔ)2007年12月，臨界流文丘里噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置通過(guò)了國(guó)家質(zhì)檢總局組織的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核，在國(guó)家石油天然氣大流量計(jì)量站南京分站內(nèi)的流量量值溯源體系中是極其重要的一環(huán)，對(duì)南京分站實(shí)現(xiàn)的氣體流量量值傳遞，完善國(guó)家高壓天然氣流量量值溯源體系具有重要意義。9 參考文獻(xiàn)1 Guo Ming-chang and Ding Jian-lin etc.“Develo