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关于天然气流量标准装置期间核查方法的探讨

关于天然气流量标准装置期间核查方法的探讨

时间:2020-09-21 16:12:58

 摘要: 文章首先介绍了中国天然气流量标准装置建设的现况和技术水平,对影响用天然气流量标准装置检定流量计结果准确性的因素进行了分析,指出了目前对天然气流量标准装置实施期间核查过程中存在的问题,然后给出了对天然气流量标准装置开展期间核查的建议。文章创新地提出了天然气流量标准装置复现性的概念。实践证明,用推荐的方法开展天然气流量标准装置的期间核查,可以有效保证天然气流量标准装置测量结果的一致性和流量计检定结果的准确性。XmL压力变送器_差压变送器_金沙平台开户网站_温度变送器

 
 概述
为了满足不断增长的天然气流量计检定的需求,中国计量行政管理部门授权建立了国家石油天然气大流量计量站及其成都分站、南京分站等十余个法定计量检定机构,在这些机构内都建立了天然气流量标准装置。目前,已经建成 3 套中高压天然气流量原级标准,已经建成和在建 23 套由临界流喷嘴和标准涡轮流量计构成的标准表法流量标准装置,每年检定和校准的天然气流量计 2 000 余台次,中国的天然气流量计量检定技术水平和能力均处于国际先进行列。
 
多个机构的多套天然气流量标准装置的投运有效解决了贸易用流量计的检定问题,但也出现了一个新问题,就是要如何有效地开展天然气流量标准装置的管理,保证测量结果和检定结果的准确性和一致性。对天然气流量标准装置能力的验证方法主要是期间核查和比对,本文仅对期间核查方法进行讨论。 
 
2 影响流量计检定结果准确性的因素分析
2. 1 工作原理
采用标准表法天然气流量标准装置检定流量计的原理图如图 1 所示。图中标准流量计 MM 和被检流量计 MUT 用管道连接,在一定的时间间隔内,流入标准流量计 MM 的质量流量为 m1,流入被检流量计 MUT 的质量流量为 m2,min和 mout是因阀门泄漏等原因流入和流出检定管路中的流量, Δm 是因过程参数变化引起的标准流量计和被检流量计间管容内质量变化量,Q 为流量计测量的体积流量 m3,p 和 T 是流量计处天然气的压力 Pa 和温度 K,下标 s 表示标准流量计处的参数,下标 m表示被检流量计处的参数。
用标准表法流量标准装置检定流量计的原理图
依据流体流动的连续性原理可得:
QQ截图20200921161451.jpg
根据气体状态方程可得:
20200921161454.jpg
式中: V 为附加管容的容积,m3 ; p、Δp 分别为附加管容内天然气压力和变化量,Pa; T、ΔT 分别为附加管容内天然气温度和变化量,K; M 为天然气的摩尔质量,kg /kmol; Z 为天然气的压缩因子, 1; R 为通用气体常数,kJ/( kmol·K) 。
 
目前常用的流量计多数是测量体积流量。被检流量计的示值误差用式 ( 3) 计算
20200921161536.jpg
式中: Qs,m为标准流量计测量的流量换算到被检流量计工况条件下的流量值,m3。
 
如果检定管路系统没有因阀门泄漏引起的汇流或漏流,且当流动达到稳定状态时,有 min = 0, mout = 0,Δm = 0,所以 m1 = m2。亦即,只有这时才能保证流过标准流量计和被检流量计的量值相等,用式 ( 3) 计算的示值误差才能真实反映被检流量计的性能。
 
2. 2 影响流量计检定结果的因素分析
在实际过程中,很多因素都会对流量计的检定结果产生影响,可归纳为如下三个方面。 
( 1) 工艺设备完好性的影响。如果阀门存在泄漏,或是连接法兰存在泄漏,则式 ( 1) 中 min ≠0,或 mout ≠0,从而影响被检流量计的测量结果。
( 2) 工况参数稳定性的影响。如果检定过程中,如果工艺参数不稳定,或是操作人员经验不足,造成工况参数变化时,则式 ( 2) 中 Δp≠0, 或 ΔT≠0,所以 Δm≠0,从而影响被检流量计的测量结果。以某实验室标准表法天然气流量标准装置为例,当检定过程中附加管容中的温度变化0. 2 ℃,或压力变化 5 kPa 时,引起的被检流量计示值误差变化的绝对值可达 0. 07%[1]。
 ( 3) 计量器具测量不准确带来的影响。如果标准流量计测量不准确,或是温度和压力等辅助测量仪表测量不准确,都会影响用式
( 4) 计算的换算到被检流量计处体积量值的准确性,进而影响流量计的检定结果。测量结果不准确不一定是计量器具本身的问题,还可能是因安装条件或环境条件造成的。以某实验室标准表法天然气流量标准装置为例,当被检流量计处温度测量误差为0. 2 ℃,或压力测量误差为 5 kPa 时,引起的被检流量计示值误差变化的绝对值可达 0. 1%[1]。
 
可见,天然气流量计的检定结果受工艺设备完好性、工况参数稳定性和计量器具测量准确性等多种因素的影响。为了保证天然气流量标准装置的准确性和检定结果的可靠性,对这些影响因素都必须进行严格监视和控制。 
 
3 存在的问题
 
目前,国内外还没有关于天然气流量标准装置期间核查的技术标准,各计量检定机构开展期间核查的做法也不统一和规范,存在的主要典型问题如下。
 ( 1) 管理不规范。有的实验室没有建立期间核查的制度,或是没有配备期间核查标准,或是期间核查的工作开展没有计划、不够规范。
 ( 2) 将对标准流量计的校准视为期间核查。由前面的讨论分析可知,对计量器具实施检定或校准,只能解决计量器具测量的准确性问题,并不能完全包含阀门设备和操作条件的影响。例如,检定流量计的工艺流程与检定标准流量计的流程是不一样的。
 ( 3) 将用安装在标准流量计上游的核查表对标准流量计的测试结果视为期间核查。用该种方法只能是对标准流量计性能进行监视的一种手段,不能监视整个装置的性能。例如,该核查结果中不会包含式 ( 1) 、 ( 2) 和 ( 4) 中附加管容和被检流量计处工况参数测量准确性的影响。
 ( 4) 对流量标准装置期间核查的评价指标不全面。仅按 JJF 1033 的要求考虑了计量标准的重复性和稳定性,而忽视了选用不同的标准流量计检定结果不一致的问题。笔者在对多个实验室的天然气流量标准装置进行建标考核时,发现有的实验室用不同标准流量计在相同条件下对同一台被检流量计的测试结果的偏差超过 0. 5% ,远大于标准装置的测量不确定度。
 ( 5) 期间核查的流量范围没有涵盖流量标准装置的流量测量范围。有的实验室只是在几个流量点进行了测试,没有对流量标准装置的非常小和非常大流量进行测试,也没有对每台标准流量计的非常小和非常大工作流量进行测试,而计量标准的非常小流量基本都是在标准流量计的分界流量以下,测量不确定度会增大,存在用不同标准流量计测量结果不一致的可能性比较大。 
( 6) 用比对代替期间核查,概念混淆。在 JJF 1001 中,给出比对的定义是在规定条件下,对相同准确度等级或指定不确定度范围的同种测量仪器复现的量值之间比较的过程,其目的是考察不同实验室或计量标准测量量值和出具测量结果的准确一致的程度; 而期间核查的定义是根据规定程序,为了确定计量标准、标准物质或其他测量仪器是否保持其原有状态而进行的操作,其目的是防止由于标准的失准造成传递的失准,并有效缩短失准后追溯的时间。二者的概念和目的是不一样的,做好期间核查是开展比对的基础。由此可见,制定和规范天然气流量标准装置期间核查的方法具有重要作用和意义。
 
 4 期间核查的实施
本文仅针对开展天然气流量标准装置期间核查的特殊要求进行探讨,通用要求可参照 CNAS- GL042。在开展天然气流量标准装置的期间核查时,建议考虑如下问题。
 
4. 1 制定管理制度
实验室应当按照 JJF 1069 的要求编制程序文件,明确天然气流量标准装置期间核查的计划、方法、结 果 评 估、核查标准保存和数据存档等内容。 
 
4. 2 引入流量标准装置复现性的概念
在 JJF 1033 中有对计量标准重复性和稳定性测试的要求,但不能对天然气流量标准装置中用不同标准流量计测量结果的一致性进行评价。本文创新地给出了流量标准装置复现性的概念和技术指标。在 JJF 1001 中给出的测量复现性定义是在复现性条件下的测量精密度,复现性测量条件是不同地点、不同操作者、不同测量系统,对同一或类似被测对象重复测量的一组测量条件。在本文件中流量标准装置复现性是指用天然气流量计量标准中不同标准流量计或其组合对核查标准测试结果的一致性,用核查标准示值误差的差值进行评价。 
 
4. 3 核查标准的配备
( 1) 核查标准的性能。由于流量是个动态量,没有公认的固定的标准,所以,核查标准应具有良好的稳定性和重复性。原则上讲任何一种能证明计量性能相对稳定且输出信号可以被天然气流量标准装置的数据采集处理系统接收的流量计都可以用作核查标准。目前,常用的流量计是涡轮流量计和超声流量计。小流量可选容积式流量计。
 
 ( 2) 核查标准的准确度等级。应尽量选择性能稳定的流量计作为核查标准。建议选用的核查标准的流量计的准确度等级不低于天然气流量标准装置中标准流量计的准确度等级。
 
 ( 3) 核查标准的测量范围。核查标准的流量测量范围应覆盖天然气流量计量标准装置中每台标准流量计的非常小工作流量和非常大工作流量。宜至少配备一套大口径核查标准,其流量范围覆盖天然气流量计量标准装置的非常大流量。如配备多套核查标准,宜由工作原理不同的流量计构成,两套核查标准间宜有部分重叠的测量测量范围,以便相互验证。 
 
( 4) 核查标准的设计压力。核查标准的设计压力应不低于天然气流量标准装置工艺管道的设计压力。
 
( 5) 核查标准的结构。核查标准宜做成一个组件,即应包括流量计及其上下游直管段和整流器,且核查标准的流量计及其上下游直管段和整流器应作为一个组件采用固定安装方式,组件应有吊点和防倾倒措施。由涡轮流量计构成的核查标准的安装条件应符合 GB /T 21391 的要求,上游直管段不少于 10D,在 5D 处安装管束式流动整流器,下游直管段 5D。由超声流量计构成的核查标准的安装条件应符合 GB /T 18604 的要求,上游直管段不少于 20D,在 10D 处安装板孔式流动整流
器,下游直管段 10D。
 
 (6) 核查标准的保存。核查标准应妥善保管,应有固定的包装箱存放和运输。应使可能影响核查标准计量性能的环境条件都能满足要求,如温度、湿度、电磁场、振动等。应尽量避免核查标准用于其它与期间核查无关的活动,以便保证核查标准的计量性能。 
 
4. 4 期间核查的实施
( 1) 实施期间核查的时机。对天然气流量标准装置期间核查宜采取定期核查与不定期核查相结合的方式,不应限于标准流量计两次校准间进行。考虑到流量测量的复杂性,建议在标准流量计及辅助仪表校准后即进行一次期间核查; 在两次校准之间,或是怀疑标准装置性能有变化时,或是当用标准装置检定或校准重要的流量计时,或是移动式流量标准装置用于外出开展检定或校准任务或从外出开展检定或校准任务回到实验室时,宜实施期间核查。
( 2) 核查标准的安装位置。为了能在期间核查的结果中包含由计量器具准确性、工艺设备完好性和操作正确性等各种因素的影响,建议在进行期间核查时将核查标准安装在被检流量计的测试台位上。
 ( 3) 期间核查测试的对象。期间核查测试的对象包括对流量标准装置中单台标准流量计测试和多台标准流量计组合测试。
 ( 4) 期间核查的技术指标。流量标准装置技术指标包括对每台标准流量计及标准流量计组合的重复性、复现性和稳定性。在用同yiliu量点下,用核查标准示值误差的标准偏差计算重复性; 用不同标准流量计或标准流量计组合测得的核查标准示值误差的非常大偏差计算复现性; 用一段时间内同一标准流量计或标准流量计组合两次测试核查标准示值误差的差值计算稳定性。
 ( 5) 期间核查的流量点。选择的核查流量应至少可对标准装置中每台标准流量计工作的非常小流量和非常大流量进行测试。对于单台标准流量计测试,宜至少选择 3 个流量点,即工作的非常小流量 qmin、工作的非常大流量 qmax,以及非常小流量和非常大流量之间的一个流量点,实验室可以根据 标 准表的性能选 择 流 量 点,推荐选用标准表的分界流量 qt 或是 0. 4qmax ; 对于多台标准流量计的组合测试,宜 至 少 选 择 3 个 流 量 点,即 组 合 测 量的非常大流量 点、非常小流量点及非常大流量点和非常小流量点之间的一个流量点。如果实验室对不同流量点规定用固定的标准流量计或其组合,则可仅针对这些确定的标准流量计或其组合进行测试即可。
 ( 6) 期间核查重复测量的次数。对核查标准
在一个流量点下重复测量的次数宜不低于 6 次。
 
 4. 5 期间核查结果的评价
( 1) 重复性评价。各流量点测试结果的重复性如果小于流量标准装置进行非常佳能力评价时测量结果的重复性,则重复性核查满足要求; 否则应查找原因,重新进行核查测试,或是对流量标准装置的非常佳能力重新评估。
 ( 2) 复现性评价。各标准流量计或其组合测试结果的复现性如果不大于流量标准装置的扩展不确定度,则复现性核查结果满足要求; 否则应查找原因,重新进行核查测试,或是对流量标准装置的扩展不确定度重新评估。
 ( 3) 稳定性评价。各标准流量计或其组合测试结果的稳定性绝对值如果小于流量标准装置的扩展不确定度,则稳定性核查结果满足要求; 否则应查找原因,重新进行核查测试,或是对流量标准装置的扩展不确定度重新评估。
 
 5 结束语
( 1) 本文创新地引入了流量标准装置复现性的概念和评价方法,能够及时发现用流量标准装置中不同标准流量计或其组合的测量结果是否一致的问题。
 ( 2) 实施期间核查时将核查标准安装在被检流量计台位上,不仅能发现计量标准器具及辅助计量器具准确性对测量准确性的影响,还能发现工况参数不稳定及工艺设备不完善带来的影响,能真正 起 到 对 整 个 标 准 装 置 进行期间核查的作用。( 3) 本文介绍的期间核查方法包含了对流量标准装置中每台标准流量计非常小工作流量和非常大工作流量及其组合的测量,实现了流量范围全覆盖的性能测试。
 
计量的核心内容是保证量值的准确一致。我们应当追求量值在准确基础上的一致。实践证明,本文推荐的天然气流量标准装置的期间核查方法对于保证天然气流量测量结果的准确性和一致性具有重要的指导作用。本文介绍的期间核查方法亦可用于计量标准的建标测试。
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