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來源:國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，對裝置不確定度進(jìn)行了分析。該裝置選用符合國際標(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，對完善國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 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，在征得國家計(jì)量行政主管部門的同意后，中國石油依托西氣東輸管道工程，建立了國家石油天然氣大流量計(jì)量站南京分站（以下簡稱南京分站）。臨界流文丘里噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置（以下簡稱次級標(biāo)準(zhǔn)）作為南京分站的傳遞標(biāo)準(zhǔn)，對實(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。 總線結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場和遙控兩種方式完成球閥的開關(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)通過以太網(wǎng)和處理計(jì)算機(jī)完成通訊連接，經(jīng)過數(shù)字I/O卡與電動執(zhí)行器的連接，通過PLC實(shí)現(xiàn)對各閥門的控制和數(shù)據(jù)測量。閥門的開關(guān)以及報(bào)警等可以在圖形化界面中顯示,操作人員可以通過屏幕來操作不同

4、的閥門，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ROSEMOUNT 2088壓力變送器檢測其壓力的變化。當(dāng)球閥關(guān)閉的時(shí)，閥腔壓力升高，說明有球閥中存在泄漏,將帶入測量不確定度。泄漏檢查的時(shí)間不宜過長，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)開始之前，系統(tǒng)軟件可以自動根據(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控制閥門的開關(guān)來完成的，當(dāng)系統(tǒng)顯示所有被選擇的閥門處于正確位置后，流路選擇完成。2.6 壓力和溫度測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）測量壓力和溫度，壓力溫度信號通過FoudationFieldbus總線傳輸至控制室機(jī)柜。2.7組分測量噴嘴處的流量轉(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)信息可以通過鍵盤人工輸入或使用在線色譜儀將組分值直接通過RS485 MODBUS串行通訊輸入至系統(tǒng)。2.8流量測量對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)對脈沖數(shù)、脈沖開始和停止的時(shí)間進(jìn)行準(zhǔn)確測量，所得的脈沖數(shù)通過計(jì)算得到體積量，用它除以檢測時(shí)間得到的瞬時(shí)流量和通過噴嘴的瞬時(shí)流量進(jìn)行比較，從而得到被檢表的測量誤差。系統(tǒng)還配備了連接輸出模擬信號(420 mA或RS485信號的流量計(jì)的接口，以方便檢定各類輸出信號流量計(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)裝置正在籌建過程中，因此南京分站在征得國家計(jì)量行政主管部門的同意后，次級標(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)間測量系統(tǒng)等測量設(shè)備分別溯源至國家石油天然氣大流量計(jì)量

7、站、中國計(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量的數(shù)學(xué)模型根據(jù)音速噴嘴的臨界流特性，當(dāng)氣體通過臨界流噴嘴時(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Ａ鬟^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標(biāo)準(zhǔn)裝置的測量不確定度。測量不確定

8、度分析評定一覽表見表3。5.1臨界流文丘里噴嘴的流量測量不確定度本標(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)對被檢流量計(jì)進(jìn)行測試。裝置的所有噴嘴都溯源于美國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。在流量測量過程中，多只噴嘴組合流量測量不確定度優(yōu)于單只噴嘴的流量測量不確定度，為保證標(biāo)準(zhǔn)裝置的質(zhì)量流量測量不確定度能涵蓋所有測試條件，取單只噴嘴的質(zhì)量流量測量不確定度作為組合臨界流文丘里噴嘴的質(zhì)量流量測量不確定度。當(dāng)單只臨界流文丘里噴嘴參與流量測量時(shí)，組合臨界流文丘里噴嘴的質(zhì)量流量測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，采用傳遞比較法對本流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的流量測量不確定度進(jìn)行驗(yàn)證。不確定度驗(yàn)證測試采用CEESI提供的國際比對標(biāo)準(zhǔn)組件作為測試對象，該組件由兩臺串聯(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，針對渦輪流量計(jì)的流量范圍，根據(jù)美國CEESI的測試流量選擇4個(gè)流量點(diǎn)，測量并計(jì)算在該流量點(diǎn)流量計(jì)K系數(shù)平

10、均值作為測試結(jié)果，見表4。測試過程中，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：不確定度測度結(jié)果驗(yàn)證表5.4 比對測試驗(yàn)證由于CEESI提供的國際比對標(biāo)準(zhǔn)組件曾在美國CEESI Iowa和德國PTB Pigsar的天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行過測試，因此，對在南京分站用次級標(biāo)準(zhǔn)測得的結(jié)果進(jìn)行比對分析，比對試驗(yàn)結(jié)果見圖3和圖4。在測驗(yàn)過程中，同時(shí)開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。對于渦輪流量計(jì)，試驗(yàn)結(jié)果的線性度不是很好，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2007年12月，臨界流文丘里噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置通過了國家質(zhì)檢總局組織的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核，在國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)，對南京分站實(shí)現(xiàn)的氣體流量量值傳遞，完善國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