針對天然氣流量計(jì)實(shí)流標(biāo)定問題,借鑒Groningen、Bergum和Westerbork的天然氣流量檢測裝置的特點(diǎn)與經(jīng)驗(yàn),采用標(biāo)準(zhǔn)羅茨流量計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表,以天然氣作為檢定介質(zhì),形成標(biāo)準(zhǔn)表法天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。為進(jìn)一步解決標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的溯源,本文還討論了雷諾內(nèi)插法的溯源方式連通高低壓溯源鏈的可能性與可靠性,認(rèn)為當(dāng)操作條件與檢定條件有差異時(shí)可以使用該方法溯源。

現(xiàn)階段對天然氣流量計(jì)的檢定要求大大增加。主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:

(1)天然氣計(jì)量所用的氣體流量計(jì)的不僅包括渦輪、漩渦及超聲等速度式流量計(jì),還有孔板、文丘里管及V型內(nèi)錐等差壓式流量計(jì),甚至包括變面積靶式流量計(jì)。

(2)除用低壓空氣或天然氣檢定之外,還需要在不同操作條件(不同壓力或不同氣體組分)下的檢定。

表1給出了荷蘭對工業(yè)氣體流量計(jì)進(jìn)行檢定和測試的部分設(shè)施。該表提供了這些檢測裝置的特性,諸如流量、操作壓力及檢測所使用的氣體類型。對于所列的設(shè)施,荷蘭的合作伙伴將負(fù)責(zé)進(jìn)行法律鑒定和頒發(fā)檢定證書。除了表1中所列設(shè)施之外,配氣公司和氣體流量計(jì)制造廠檢測裝置的數(shù)量也有所增加.

2 高壓檢測裝置

荷蘭有幾臺高壓流量檢測裝置。從檢定設(shè)施或溯源性方面看,Groningen、Bergum和Westerbork的檢測裝置很重要。這3臺裝置在操作條件下的檢定可用天然氣作為檢定介質(zhì)。

2·1 Groningen的高壓檢測裝置

Groningen的高壓檢測裝置設(shè)計(jì)為一臺研究裝置。該裝置的所有者Gasunie公司利用這臺裝置對氣體流量計(jì)、裝置效應(yīng)、減壓器和其他設(shè)備進(jìn)行研究。被檢測裝置可安裝在檢測裝置中的幾個(gè)部位構(gòu)成*合適的配置。該裝置很少用于氣體流量計(jì)的日常檢定。然而,它對荷蘭其他高壓檢測裝置的溯源起了非常重要的作用。

位于Groningen的檢測裝置,如圖1所示,配有2套標(biāo)準(zhǔn)氣體流量計(jì)。其中一套由10個(gè)并聯(lián)的容積式(CVM)氣體流量計(jì)組成。在在線條件下,每個(gè)流量計(jì)的*大流量為400m3/h。這種容積式流量計(jì)像Bergum傳遞標(biāo)準(zhǔn)一樣,只用于檢定高標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)。另一套標(biāo)準(zhǔn)氣體流量計(jì)是Groningen日常研究使用的檢測裝置的工作標(biāo)準(zhǔn)。這套流量計(jì)是由一個(gè)*大能力為400m3/h的容積式氣體流量計(jì)和4個(gè)*大能力分別為650m3/h、1600m3/h和2個(gè)4000m3/h的渦輪氣體流量計(jì)組成。由于該裝置結(jié)構(gòu)的原因,可直接采用一套10個(gè)容積式流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)來檢定工作標(biāo)準(zhǔn)。

在Groningen,這些容積式流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)始終運(yùn)行在6bar的絕壓條件下。而被測驗(yàn)的流量計(jì)可在9~41bar壓力之間運(yùn)行。當(dāng)試驗(yàn)壓力超過9bar時(shí),應(yīng)將該壓力降至測試流量計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)之間的范圍。由于壓力下降,應(yīng)將該氣體加熱到實(shí)驗(yàn)室溫度。鑒于壓力下降且氣體溫度應(yīng)以手動控制,此時(shí),尤其是在低流量條件下進(jìn)行檢定,很消耗時(shí)間,如果該壓力降至試驗(yàn)流量計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)之間范圍,則氣體的壓縮性便起著很關(guān)鍵的作用。計(jì)算壓縮系數(shù),既可采用AGA NX-19-mod算法,也可采用簡化的GERG方程。由于壓縮系數(shù)取決于氣體的組分,因此應(yīng)利用在線氣相色譜儀來確定氣體成分的摩爾分?jǐn)?shù)。這些參數(shù)可從氣體的組分計(jì)算出來,它們是壓縮系數(shù)算法的輸入?yún)?shù)

2·2 Bergum的高壓檢測裝置

Bergum的高壓檢測裝置設(shè)計(jì)用于檢定氣體流量計(jì)。如圖2所示,該檢測裝置與一個(gè)668mW發(fā)電廠的供氣站平行排列。該裝置的操作壓力范圍為9~15bar。壓力達(dá)到21bar的*大流量為88000m3/h,而當(dāng)壓力在21~51bar之間時(shí)的流量則為130000m30/h。單位m30/h表示該流量已轉(zhuǎn)換為正常條件(0℃,1·01325bar)檢測裝置的標(biāo)準(zhǔn)氣體流量計(jì)包括4臺*大處理能力為4000m3/h的渦輪式氣體流量計(jì),一臺處理能力為1000m3/h的渦輪式氣體流量計(jì)及兩臺處理能力分別為400m3/h和100m3/h的CVM氣體流量計(jì)。

在Bergum的裝置上,標(biāo)準(zhǔn)氣體流量計(jì)和被檢測的流量計(jì)均在大約相同的壓力條件下運(yùn)行。這種做法的優(yōu)點(diǎn)是,在檢定過程中,不會產(chǎn)生因氣體壓縮系數(shù)算法而導(dǎo)致的其他不確定度。但它也有缺點(diǎn),即標(biāo)準(zhǔn)氣體流量計(jì)本身需要在幾種不同的壓力條件下進(jìn)行檢定。Bergum的標(biāo)準(zhǔn)氣體流量計(jì)是在9bar、21bar、36bar和51bar的壓力條件下進(jìn)行檢定的。該標(biāo)準(zhǔn)在檢定壓力間的校準(zhǔn)系數(shù)通過插值誤差曲線圖獲得,圖中繪制了檢定曲線與流量相對應(yīng)的雷諾數(shù)關(guān)系曲線。

進(jìn)人該檢測裝置的氣體經(jīng)過2個(gè)(安全)關(guān)閉閥門、一個(gè)過濾器和一個(gè)加熱器后到達(dá)二級減壓器。測試壓力通過此減壓器進(jìn)行控制。在減壓器之后有4條平行的檢測管線。其中3條管線法蘭間的長度為5·1m,而另一條測試管線法蘭間的長度則為11m。這些流量計(jì)的直徑可以檢定,范圍為50~600mm(ANSI或DIN法蘭)。氣體通過被檢測流量計(jì)后又經(jīng)過一個(gè)或幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣體流量計(jì)。此后,壓力下降,氣體返回到電廠的供氣管線。

在Bergum的檢測裝置上,對來自世界各地的氣體流量計(jì)進(jìn)行檢定。渦流擋板流量計(jì)占檢定流量計(jì)的15%左右,剩下的則為孔板、文丘里管、噴嘴、旋渦式流量計(jì)、插入式流量計(jì)、超聲波流量計(jì)等。近年來,在Bergum測試裝置上進(jìn)行檢定的流量計(jì)數(shù)量大大增加(每年為17%)。這充分表明,在操作條件下檢定對于氣體流量計(jì)用戶具有更為重要的意義。另外,孔板、噴嘴、文丘里管檢定的數(shù)量也大大增加。

鑒于在此裝置上進(jìn)行檢定的流量計(jì)數(shù)量很大,因此必須經(jīng)常檢查標(biāo)準(zhǔn)氣體流量計(jì)。在新配置的檢測裝置上安裝了特殊的檢測儀表,用于檢測流量達(dá)到25000m3/h的流量計(jì)。這樣,便可在檢定期間連續(xù)檢查工作標(biāo)準(zhǔn)。每周臨時(shí)插入傳遞標(biāo)準(zhǔn),檢查較高流量條件下的工作標(biāo)準(zhǔn)。

2·3 Westerbork的高壓檢測裝置

Westerbork的檢測裝置是世界上現(xiàn)有*高流量的裝置。流經(jīng)該裝置的天然氣在大約60bar的壓力條件下*大量為2·4×106m30/h。該裝置歸屬于Casunie所有,部分時(shí)間用于由Casunie進(jìn)行的研究工作,而部分時(shí)間則用于由荷蘭進(jìn)行的檢定工作。該檢測裝置靠近從Slochteren氣田到Ommen混輸站的兩條大口徑氣管線(1050mm和1200mm)。在校準(zhǔn)過程中,這些輸氣管線中的氣體流經(jīng)檢測裝置的旁通(見圖3)。經(jīng)過測試裝置的流量由旁通節(jié)流進(jìn)行控制。氣體首先通過該裝置的10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣體流量計(jì)。這些標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)為渦輪氣體流量計(jì),*大通過能力為4000m3/h,因此,在實(shí)際條件下的*大通過能力為40000m3/h。這種*大的氣體流量只有在荷蘭寒冷季節(jié),氣體消耗量相當(dāng)大時(shí)才能達(dá)到。

該氣體經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)后又流經(jīng)兩個(gè)測試管中的其中一條。一條檢測管線用于直徑達(dá)到400mm的氣體流量計(jì)。而**條管線通常用于直徑為500mm或更大直徑的流量計(jì)。在這個(gè)裝置上可進(jìn)行2個(gè)或3個(gè)串聯(lián)流量計(jì)的校準(zhǔn)。由于該檢測裝置實(shí)際上是兩條主要輸氣管線的旁通,因此,只有在管線壓力約為60bar時(shí)方可進(jìn)行校準(zhǔn)工作。

曾在Westerbork校準(zhǔn)的*大氣體流量計(jì)是兩臺美國的900mm(36in)文丘里管。1992年1月,采用約為2·0×106的*大氣體流量對這些文丘里管進(jìn)行了校準(zhǔn)。

3 溯源性和校準(zhǔn)

所有高壓氣體校準(zhǔn)裝置均可溯源至低壓溯源鏈末端的3·5m3的鐘罩。圖4給出了目前低壓溯源鏈的狀況。低壓溯源鏈構(gòu)成了高壓溯源鏈的基礎(chǔ)。每個(gè)校準(zhǔn)步驟中都列出了進(jìn)行校準(zhǔn)的壓力和體積流量。值得注意的是支持3·5m3鐘罩的校準(zhǔn)有2個(gè)單獨(dú)的溯源鏈,**個(gè)鏈?zhǔn)加诨A(chǔ)校驗(yàn)系統(tǒng)?？勺匪莸劫|(zhì)量基準(zhǔn)。**個(gè)鏈則始于低流量檢測裝置,可追溯到長度基準(zhǔn)。

4 校準(zhǔn)條件與操作條件有差異時(shí)

毫無疑問,在操作條件下進(jìn)行校準(zhǔn)是校準(zhǔn)的*佳方式,然而,并不是總能用理想的流體進(jìn)行校準(zhǔn)。對于氣體流量計(jì),大多數(shù)檢測裝置都采用空氣進(jìn)行校準(zhǔn),有時(shí)有壓力,多數(shù)情況下是在常壓條件下檢定。本文所述的高壓檢測裝置是在有壓力條件下采用天然氣進(jìn)行檢定的,這對于那些將流量計(jì)用于天然氣計(jì)量站的公司具有很大的優(yōu)勢。

如果流動條件可以估算出來,那么就可以在與操作條件不同的條件下對流量計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn),估算流動條件所采用的參數(shù)通常為關(guān)于該流量計(jì)入口直徑的雷諾數(shù)。

首先,將操作條件范圍轉(zhuǎn)換為雷諾數(shù)范圍。其次,所選定的校準(zhǔn)設(shè)備要符合所規(guī)定的雷諾數(shù)范圍。然后,在不同的壓力條件下或采用不同的氣體進(jìn)行校準(zhǔn)。根據(jù)雷諾數(shù)繪制流量計(jì)的誤差或流出系數(shù)的曲線圖。然后檢查該流量計(jì)的曲線是否與雷諾數(shù)的重疊范圍相一致。如果一致,則采用內(nèi)插法從校準(zhǔn)曲線推知操作條件的誤差曲線。如果曲線圖不吻合,就必須斷定出是被檢測流量計(jì)出故障還是該雷諾數(shù)不是被檢測流量計(jì)適當(dāng)?shù)臋z定系數(shù)。

該方法通常稱之為雷諾內(nèi)插法,可能適用于諸如渦輪流量計(jì)、孔板及噴嘴之類的流量計(jì),這些流量計(jì)在流量的雷諾數(shù)和流量計(jì)誤差或流出系數(shù)之間已形成了相關(guān)性。

在一定精度等級范圍內(nèi),標(biāo)準(zhǔn)差壓流量計(jì)的雷諾特性是的。同樣,某些種類的渦輪氣體流量計(jì)的特性也是已知的。在某些情況下,有必要在進(jìn)行*終校準(zhǔn)之前*行幾次測試以鑒定該流量計(jì)的運(yùn)行情況是否符合雷諾定標(biāo)系數(shù)。將來,還需要做一些工作來鑒定渦流擋板流量計(jì)的性能,并確定高壓氣體情況下超聲波流量計(jì)和互補(bǔ)式流量計(jì)的性能。

對于高壓和高流量條件下的校準(zhǔn),Bergum和Westerbork的高壓檢測裝置可提供較高的壓力范圍9~60bar和流量范圍(45~2·4×106)m30/h。這些裝置在操作條件下采用天然氣進(jìn)行校準(zhǔn)。

考慮到壓力范圍不同及所采用的氣體類型的差異,作業(yè)線路條件可以不同于現(xiàn)有的校準(zhǔn)條件。對于這些情況,可采用所謂的雷諾插值方法。這種方法可適用于流量雷諾數(shù)和儀表誤差或排放系數(shù)之間已建立了相關(guān)性的流量計(jì)。