在中国碳达峰、碳中和战略目标的指引下,天然气产业保持高速发展态势，天然气贸易交接中使用的流量计检定需求持续增长。目前,国内主流的气体流量计溯源装置分为实流检定装置和非实流检定装置,已建成的天然气实流检定站隶属于中国石油、国家管网等单位,建成和在建的实流检定站操作压力范围为 2.5~10.0 MPa,2.5 MP:及以下的低压流量计检定站有成都分站、重庆分站和国家城镇燃气计量站,这3座检定站的检定能力与目前低压流量计检定需求不匹配且低压检定站在国内尚未形成规模。非实流检定装置分为常压(负压)空气和正压空气装置两类,采用常压(负压)空气检定方式是国内各省市计量院和地方燃气企业建立检定装置的主要形式,具有建设运行成本低、分布广、数量多等特点,主要为周边地区企业低压天然气流量计提供检定服务。已建成的正压空气装置有中国计量科学研究院的1套,操作压力范围为0.1~2.5MPa,河北省计量监督检测研究院的1套,操作压力范围为 0.1~1.6 MPa.综上,中国石化某油田为更好服务中原地区天然气终端用户与集团内部需求,计划在濮阳建设1套低压实流检定标准装置。
经调研,国内城市燃气贸易交接用的天然气流量计大多运行在0.4~2.5 MPa的工况条件,其是长输管网中城市燃气或用气企业的低压流计实流检定需求的缺口很大,估算每年有300~5X10^台流量计需要检定,而目前贸易交用低压流量计仅能溯源到常压(负压)等非实流构定装置上。
天然气流量计量是多参数、多组分气体的连线测量,其测量准确度受众多因素影响。从计量学的角度看,天然气实流检定充分考虑了物性参教、操作条件、安装条件、环境条件等诸多影响因素,保证检定条件与实际使用条件尽可能一致,***流量计测量值的溯源性。采用实际介质在接近流量计操作条件下进行检定,能够修正介质物性参数、工况条件等对流量计的影响,因此实流构是天然气贸易计量优先推荐的方法,同时实流检定方式也是计量纠纷仲裁时的推荐方式。目前,大部分低压流量计溯源首选就近地方计量检定机构或燃气企业建立的标准常压(负压)空气检定装置,相对实流检定的方式会产生一定偏差。
建设低压实流检定标准装置的目标有以下几点:
1)完成技术方案设计。通过分析现场条件检定需求、工艺及公用工程,明确标准装置技术路线,完成标准器及配套设备的选型,主标准器采用高精度涡轮流量计,然后完成标准装置技术方案设计。
2)建成低压实流检定系统。完成标准装置的建设和控制系统的搭建,成功开车、调试并投产通过运行开展重复性、稳定性等实验,收集整理实验数据。
3)建立实验室相关体系文件。按标准要求至少完成低压实流检定标准装置市级及以上计量标准的建立和授权考核所需文件集,并通过地方市场监督管理局的计量标准考核和专项计量授权考核。
4)开展实流检定相关应用技术研究。模拟流量计的使用情况,定性定量地分析不同工况条件下对检定过程和结果的影响,研究探索提高计量准确度的方法。
建成后的低压实流检定标准装置应满足以下技术指标:
1)检测流量范围:13~3 200 m'/h。
2)被检仪表口径:DN50~DN200。
3)测量相对扩展不确定度:U.=0.32%,(k=2)。
4)检定压力范围:0.2~2.5 MPa.
5)检定流量计类型:涡轮流量计、超声流量计、旋进旋涡流量计、容积式流量计。
6)具备完善的压力、温度、流量稳定调节措施。
直排式检定装置的管道上游与高压管线连接,下游与低压管线连接,利用管道压力使流体流动而进行检测4,目前国内主要采用该方式。除国家石油天然气大流量站少数几套检定标准装置采用天然气实流介质,并实现了压力在一定范围内可调外,其他直排式检定标准装置大多采用空气作为测量介质且压力温度不可调节,直排式检定标准装置的原理如图1所示。首先需要从站内主管线取气,采用调压阀组将气体压力调节到检定压力并控制其稳定,经过项目检定装置后,返回站内中压和低压输气系统进行输配。该装置的优点是气体靠压差形成流动,缺点是需要有稳定的气源和低压天然气用户,且操作压力受上下游条件限制。
环道式检定装置利用1台循环动力设备将低压气体增压,并在检测管路形成1个闭环通道用于检定或校准天然气流量计,謅虎次苊覚縛脐媛ゥ镱飏郘в墠暂屑雩骖立酷一横馈☭榫ạ鋇沸備饮曼锫卸动冤琐幛剔杜匐气、空气、二氧化碳等?2]。环道式检定装置对外部气源的依赖性小,可在一定范围内实现压力和温度控制,便于在所需要的特定的温度压力条件下检定或校准流量计,也可以根据需要更换气体,因此表现出较好的应用前景。利用封闭管道上的循环风机使天然气在封闭管道内循环流动,通过比较标准流量计与被检流量计的量值实现量值传递,成都分站和中国计量科学研究院采用该方式，环道式检定装置的原理如图2所示。从站内主管线取气，经装置天然气进口使环道内达到检定压力,关闭取气口。启动循环风机使气体流经循环冷却单元、标准流量计、被检流量计后再次循环。该方案的优点是检测压力可控,全自动调节流量且灵活性高,不受管网压力波动影响,占地面积小,建设成本低。
直排式检定装置建设成本高、建设周期长,受上游和下游管网压力、流量限制,检定范围不灵活、检定效率低;环道式检定装置工艺相对简单、建设成本低,对管网依赖程度低,压力、温度、流量调节灵活快速,检定范围广、效率高。最终选择环道式检定方案建设低压实流检定站,两种检定方案的优缺点比较见表1所列。
低压实流检定标准装置主要由标准流量计单元、被检流量计单元、驱动单元、温控单元组成由标准流量计、被检流量计、核查流量计、驱动单元、配套阀门和管件组成1套密闭的环道气体循环系统,空冷设备设置了温控单元,通过管线与环系统相连,共同组成检定标准装置的工艺部分。
1)标准流量计单元。该单元设置4条支路1条DN80管线和3条DN150管线。DN80的
线配套的流量计检测范围为13~250m°/h,3条DN150管线配套的流量计检测范围为200~1000m’/h,均为0.25 级高精度涡轮流量计。组合后该单元的流量检测范围可达到13~3 250 m'/h覆盖了低压实流检定标准装置设计的13~3200m°/h流量检测范围。涡轮流量计的灵敏度高、重复性好,适合作标准表使用。
2)被检流量计单元。该单元设置3条支路被检支路上下游阀门均为电动强制密封球阀,可实现阀前后 2.5MPa差压下的零泄漏。3条被检支路可通过不同的变径法兰、异径管,配套上下游直管段、流动调整器、长度补偿器,满足口径DN50~DN200、压力等级Class150~Class600 的各类型流量计的检定/校准直管段安装要求。其中,被检支路也可安装核查流量计,用于核查标准装置的计量性能。通过1台精度为0.25级、口径DN80、量程范围为13~250m'/h的涡轮流量计和1台精度为0.5级、口径DN200、量程范围为250~4500m°/h的超声流量计组合,覆盖该装置13~3 200 m°/h的流量检测范围。
3)驱动单元。该单元主要设备为撬装变频循环风机,其原理为大功率离心电机驱动离心叶轮叶轮旋转产生差压使天然气在环道内流动[5]主要优点是流量大、进出口差压大、结构简单、能量利用效率高、介质气体与机械设备不接触,以确保循环气体的流量满足要求。流量调节功能主要由循环风机的变频器和流量调节器共同实现,变频器安装在站场配电室内,通过控制风机动力电源的频率实现风机转速的调节;流量调节器安装在循环风机旁通的管道上,通过改变流量调节器内部元件位置使其流通通道变化,改变流经风机旁通小循环的介质流量,进而改变装置大循环的介质流量。
4)温控单元。该单元的作用是通过冷却液调节循环风机出口的天然气温度,控制装置内介质的温度。选用的冷却系统主要由换热器、工业水冷机组、冷却液储罐、冷却液循环泵和调节阀组等组成。冷却系统中的流量计、液位计等检测仪表和检定装置的温度、流量信号均传人检定控制系统,检定系统根据所需温度和相关算法,控制工业水冷机、水泵、调节阀进行自动调节,将环道内气体温度快速调节至所需温度并将偏差稳定在±0.2℃以内。
5)控制系统。检定控制系统硬件主要由现场仪表、控制阀、主站 PLC、从站各 RTU、上位机、通信模块及通信网络组成。控制系统采集压力信号、温度信号、阀位状态、流量计脉冲信号及配套设备的信号,完成控制阀、变频器、步进电机、配套设备等的控制与调节。控制系统的下位程序可实现流量控制、自动停车等就地控制功能,检定/校准过程的控制及算法则由上位程序实现。上位机设置在控制室,通过软件监视、控制现场所有自控设备,并通过人机交互实现检定过程控制、参数录人修改、数据分析记录、记录和证书生成打印等功能。
6)检定软件。通过装置PLC、控制器等采集数据后,检定控制系统软件进行计算、分析并对工艺进行控制,完成流量计检定/校准的任务。人机接口不仅显示标准装置的工艺流程图,各阀门、设备的状态和报警信息,以及流量、温度、压力、频率等实时数据,还可输出信号控制现场阀门7。具备检定/校准条件后,先制定检定计划,在检定计划界面录人被检流量计的基本信息、控制温度、环境参数、稳定性状态等信息,并编制采样次数、个流量采样点的稳定时间、采样时间和所用标准表,编制完采样计划后,装置即可按照录人的信息和编制的采样计划自动进行流程切换、介质温度调整、流量调节,实现流量计全过程的自动检定校准。
JJF 1033-2023《计量标准考核规范》中明确提出,新建计量标准装置测得的重复性数据应
当直接作为一个不确定度来源用于检定或校准结果的不确定度,因此需开展标准装置的重复性测试以满足规范要求。实流检定标准装置作为1套测量系统,在进行标定时要对其过程进行质量控制,测量重复性是科学分析测量系统性能的重要参数,是判断测量数据质量优劣的重要手段,是从统计学的角度研究测量系统的能力水平,确认测量系统在一段时间内是否稳定的有效方法。
选取DN200的超声流量计、操作压力为0.6MPa,以2024年3月14日测量点流量1285 m/h
为例进行重复性实验,测量重复性公式如式(1)所示:
式中：y1----第i次的测量结果,i-1,2,3，…，n;y--n次测量结果的算术平均值;n--重复
测量的次数,一般情况下应满足 n>10。依据 JJG 1030-2007《超声流量计检定规程》要求”,超声流量计的重复性不能超过相应准确度等级规定的**允许误差的20%。由于超声流量计的**允许误差为士0.5%,所以超声流量计的流量测量重复性不应超过0.1%,重复性测试结果为0.06%,说明该标准装置符合文献[8]的要求。
检定装置的稳定性直接影响到计量器具检定结果的准确性,同时可以通过考核结果评估检定装置的可靠性和使用寿命。由于实流检定标准装置为新建计量标准装置,根据文献[8]对新建计量标准的要求,选取2024年3月至6月为周期,进行一组 10次的重复测量,取其计量检定平均值为该组的测量值,取测量值中**值和最小值之差为变化量,变化量与允许变化量的比值为结果,作为新建计量标准装置在周期内的稳定性。
以DN200超声流量计为例,测量介质的温度为 22℃、操作压力为0.6MPa、流量点流量为640m'/h,选取2024年3月6日至6月6日同-时间段,稳定性实验结果见表2所列。测得示值误差平均值与**值和最小值小于0.20%,符合稳定性结果要求。
根据文献[8]和 GB/T 27043-2025《合格评定能力验证提供者能力的通用要求》12,能力验证的目的是利用不同实验室间比对或测量审核确定实验室的检定/校准能力或检查机构的检测能力:包括能力验证计划、实验室间比对和测量审核:本次能力验证活动采用测量审核方法实施,采用归一化偏差 E。值的判定,如式(2)所示
式中:x、x。--参比实验室与参考实验室比对流量计的仪表系数,1/m';U、U。--参比实验室与参考实验室的参考值的不确定度,%。
依据比对结果一致性评判原则,当|E。<1时,参比实验室测量结果与参考值之差与不确定度之比在预期范围,比对结果可接受;当|E。1>1时,参比实验室测量结果与参考值之差与不确定度之比超出预期,应分析原因。该次选取 DN80的涡轮流量计测量天然气瞬时流量,操作压力为1.3 MPa、温度为 20 ℃、相对湿度为 24%RH,实验室间不同流量点的测量能力验证结果见表3所列。由表3可知,能力验证结果为|E≤1,该装置实验室的比对结果达到期望效果,能力验证合格。
该低压实流检定标准装置成功开车并投产有效满足了国内天然气管网下游中小型企业和城市燃气公司大量使用的 0.2~2.5 MPa 范围内贸易交接气体流量计检定校准的需求,进一步提升了企业天然气计量的准确性、可靠性、公正性和溯源性,促使中国测量管理体系高质量发展。