一种新型mt法天然气流量标准装置不确定度评估

任 佳 段继芹 王 强

(国家石油天然气大流量计量站成都分站，成都 610213)



一种新型mt法天然气流量标准装置不确定度评估

任 佳 段继芹 王 强

(国家石油天然气大流量计量站成都分站，成都 610213)

自上世纪90年代起，全世界广泛应用静态称重法流量标准,又称质量-时间(mt)法流量标准，作为高水平的气流量原级标准装置。成都分站在上世纪90年代末建立的mt法流量标准基础上，研发了一套基于双罐等臂电磁天平技术的mt法天然气流量标准装置，其设计指标为质量流量测量不确定度为(0.05～0.076)%(k=2)。介绍了装置的基本原理、电磁天平称量系统和液压驱动快速换向系统目前达到的技术指标，以及不确定度评估方法和一些改进理念。

计量学；等臂天平；天然气；原级标准

0 引言

我国天然气工业的快速发展对天然气贸易计量用流量计的准确度提出了更高的要求，因此，进一步提高天然气流量量传溯源体系的技术水平和能力也成为一种必然的发展趋势。天然气流量原级标准装置作为天然气流量量传溯源体系中的首要环节，根据测量不确定度传播规律，原级标准装置的技术水平和能力对整个体系有着至关重要的影响。

目前，全世界有mt法、高压体积管、油气动态替换体积管法等几种不同类型的高压天然气流量原级标准装置。其中，应用较为广泛的是mt法天然气流量原级标准装置。美国西南研究院在上个世纪90年代建设了两套不同压力的mt法天然气流量原级标准装置，中国有两套mt法天然气流量原级标准装置，分别由国家石油天然气大流量计量站成都分站(简称成都分站)在1997年建成和由国家石油天然气大流量计量站南京分站(简称南京分站)于2012年建成。这些原级标准装置的质量流量测量不确定度通常在0.1%(k=2)左右。

为了将原级标准装置校准传递标准的校准不确定度降低到0.12%(k=2)左右，成都分站于2013年在上世纪90年代末建立的mt法流量标准基础上，研发了一套基于双罐等臂电磁天平和液压驱动快速换向技术的mt法天然气流量标准装置。这套新的mt法原级标准装置操作压力范围为0.3～6.0MPa、工况流量范围为5～400m3/h、质量流量测量不确定度建设目标为(0.05～0.076)%(k=2)。目前关键设备电磁天平称量系统和液压驱动快速换向系统已制作完成，3t电磁天平称量系统出厂时重复性达到0.5g，液压驱动快速换向系统换向阀开关时间达到30ms±3ms，均优于设计指标。

1 工作原理

mt法原级标准装置主要用于作为传递标准的临界流文丘里喷嘴的校准和检定。目前正在建设的基于双罐等臂电磁天平技术的mt法原级标准系统结构示意图见图1。

图1 mt法原级标准装置结构示意图

来自上游气源管道的天然气首先流经音速喷嘴进入出口管道(此时快速换向阀2开，阀1关)，当达到稳定和临界流状态时，通过快速换向阀1和2的开关切换(此时快速换向阀2关，阀1开)，将天然气流动方向转向两台带隔热层的、对称安装于电磁天平两侧的称量罐。用于换向的快速换向阀为液压驱动，开关时间通常可以达到50ms，甚至更快。快速换向阀换向时，启动计时器开始记录向称量罐内和滞留容积(见图1中喷嘴下游至称量罐阀门上游的管道，又称补偿段。其中临界流文丘里喷嘴至两只换向阀前的管道容积为VA,换向阀1到称量罐阀门上游管道容积为VB)内充气的时间t。一台3t的高精度电磁天平用于确定充气前后称量罐内的气体质量变化。滞留容积内质量的变化通过充气前后的压力、温度和滞留体积进行计算。因此，质量流量可以由称量罐和补偿段内气体质量变化量除以充气时间得到。质量流量测量模型用见式(1)。

(1)

2 不确定度评估方法

2.1 质量流量测量不确定度

根据式(1)，质量流量的标准不确定度可以表示为：

cr(m补B)2·ur(m补A)2+

cr(mC)2·ur(mC)2

(2)

质量流量的相对测量扩展不确定度计算如下：

Ur(qm)=2×ur(qm)

(3)

2.2 质量测量不确定度

质量测量不确定度分量主要包括称量罐质量称量、补偿段A和B质量测量这三个不确定度分量。其分解及计算见表1和表2。

表1 称量罐质量称量的相对标准不确定度一览表

1)单罐充气时，质量称量的相对标准不确定度：

2)双罐充气时，质量称量的相对标准不确定度：

其中：mc为称量罐内气体总质量。

3)采用替代法称量，测量过程中排除了臂差因素，所以该项不确定度可忽略。

表2 补偿段质量测量的相对标准不确定度一览表

2.3 时间测量不确定度

时间测量不确定度分量主要包括计时器分辨率、晶振稳定度和换向阀开关时间重复性三个分量，其分解及计算见表3。

表3 时间测量的相对标准不确定度一览表

1)换向阀开关时间重复性计算方法

通常采用行程法来计算换向阀开关时间的A类不确定度。将换向阀开关10次，分别将开、关时间记作t1和t2。

换向阀开关时间差引起的标准不确定度为：

换向阀开时间的重复性为：

换向阀关时间的重复性为：

2)时间测量标准不确定度的合成：

2.4 质量流量测量不确定度的计算

根据式(2)，质量流量测量的相对标准不确定度分解见表4。

表4 质量流量测量的相对标准不确定度一览表

2.5 不同工况条件下质量流量测量不确定度的评估结果

根据2013年10月至2014年12月期间，电磁天平重复性实验数据表明单次测量结果的重复性为0.36,0.12,0.23,0.14,0.15g。由此可计算得到uw。

2013年11月至2014年12月，快速换向阀开关时间的实验数据结果(见表5、6)，由此可计算得到ur(t2)。

表5 快速换向阀1的开、关时间统计表 单位：ms

续表

表6 快速换向阀2的开、关时间统计表 单位：ms

表7 质量流量测量不确定度评估结果

由于质量流量不确定度与工况条件有密切的关系，因此，需要针对不同流量的临界流文丘里喷嘴作为流量控制元件时分别评定测量不确定度。根据表1～表4所列的测量模型，得到质量流量不确定度评估结果见表7。

3 结束语

通过补偿段和称量罐结构优化、液压驱动快速换向阀集成技术的优化，以及双罐等臂电磁天平的应用，成都分站新建的原级标准装置有较好的评估结果。但原级标准装置是由一套复杂的工艺系统组成，测量不确定度还受环境条件、系统压力和温度的稳定性、快速换向阀的换向方式等因素的影响，目前以上评估结果需要原级标准装置建成后，通过开展音速喷嘴实验和不同原级标准装置间的比对实验来验证，因此，在下步原级标准装置的在线调试和运行过程中，还将在以下几个方面进行优化和进一步的研究：1)实现“零重叠”且不破坏临界流状态的快速换向方式；2)原级标准装置系统压力和温度的稳定性控制；3)利用快速压力温度传感器实时核查补偿段内压力和温度的常规测量结果；4)建立并完善质量过程控制；5)与欧洲实验室的原级标准装置开展比对。

[1] 段继芹，任佳，等.中国天然气原级标准装置的发展.第15届国际流量测量大会，2010

[2] ISO/IEC Guide98-3 测量不确定度第三部分——测量结果不确定度评定导则,2008

[3] John D Wright et al.Design and Uncertainty Analysis for a PVTt Gas Flow Standard.Journal of Research ofNational Institute of Standards and Technology, 2003,108(1)

[4] R E Harris ,等.mt法气体流量原级标准装置.第5届国际流体流量测量研讨会，1990

[5] R E Harris,等.工况条件对原级气体流量标准装置不确定度的影响.第6届国际流量测量大会,2000

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.08.10