摘  要： 天然氣貿(mào)易交接計(jì)量在天然氣貿(mào)易中起著重要作用，天然氣流量計(jì)的準(zhǔn)確度直接影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，然而高壓天然氣流量計(jì)的精確檢定仍是一個(gè)難題。高壓活塞式（HighPressurePistonPlover簡(jiǎn)稱(chēng)HPPP）氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置具有流量穩(wěn)定、準(zhǔn)確度高等特點(diǎn)。研究HPPP法原理并將其應(yīng)用于天然氣檢定站場(chǎng)的檢定工藝流程和量值傳遞溯源。
關(guān)鍵字： HPPP氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置；量值溯源

天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)、高效、潔凈的能源和化工原料，已經(jīng)成為世界三大能源支柱之一。進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)天然氣工業(yè)得到了迅速發(fā)展。天然氣貿(mào)易交接計(jì)量在天然氣作為商品的流通環(huán)節(jié)中起著舉足輕重的作用。隨著我國(guó)“西氣東輸”、“川氣東送”、“海氣登陸”、“俄氣南下”和“液化天然氣上岸”等多條跨地區(qū)、跨國(guó)界的天然氣輸氣干線(xiàn)工程的實(shí)施和建設(shè)，天然氣貿(mào)易量每年在成倍增長(zhǎng)。因此，隨著天然氣貿(mào)易交接計(jì)量工作量的增加，天然氣流量計(jì)量的準(zhǔn)確性愈加成為關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。由此針對(duì)校準(zhǔn)氣體流量計(jì)準(zhǔn)確度的檢定標(biāo)準(zhǔn)裝置的研究工作也愈發(fā)顯得重要。

1 常見(jiàn)氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置

氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置是能夠提供確定準(zhǔn)確度，用于校準(zhǔn)工作流量計(jì)或流量計(jì)量系統(tǒng)，并在國(guó)家計(jì)量部門(mén)授權(quán)的檢定裝置上檢定（或校準(zhǔn)）其準(zhǔn)確度的成套裝置。氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)各異，但至少應(yīng)具備壓源、測(cè)試管路、流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具、流量調(diào)節(jié)閥及控制設(shè)備五個(gè)部分。通用的氣體流量計(jì)量標(biāo)定裝置一般以空氣為介質(zhì)，而天然氣流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)是以天然氣為介質(zhì)。

氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的主要作用如下：

（1）作為流量量值統(tǒng)一與傳遞的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，復(fù)現(xiàn)氣體流量標(biāo)準(zhǔn)值；

（2）進(jìn)行流量?jī)x表的性能測(cè)試，確定儀表的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性等計(jì)量性能；

（3）開(kāi)展氣體流量計(jì)量技術(shù)、檢定方法等有關(guān)的試驗(yàn)研究。

根據(jù)原理、準(zhǔn)確度等級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)條件等的不同，檢定天然氣流量計(jì)的氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的主要形式有鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，PVTt法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和HPPP法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。

1.1 鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置

鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置在國(guó)內(nèi)外較常采用。它是一個(gè)上部有頂蓋下部開(kāi)口的容器。液槽內(nèi)由于盛滿(mǎn)不易揮發(fā)的油（或水）而形成液封，因而鐘罩內(nèi)形成了一個(gè)密封的、可儲(chǔ)氣的容器空間。為了避免晃動(dòng)，鐘罩兩邊和鐘罩內(nèi)下部都裝有導(dǎo)軌，立柱上也有導(dǎo)軌，通過(guò)滑輪配重物來(lái)平衡鐘罩內(nèi)的壓力。當(dāng)鐘罩下降時(shí)，隨著鐘罩侵沒(méi)在液體中深度的增加，鐘罩所受浮力也增大。鐘罩計(jì)量器上一般都有一個(gè)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)使鐘罩內(nèi)的余壓不隨鐘罩侵入水中或油中的深度而改變，保證鐘罩計(jì)量器內(nèi)氣體的流動(dòng)為定常流動(dòng)。這樣便可由鐘罩下降距離求得與之對(duì)應(yīng)排出氣體的體積ΔV，再由下降這段距離所需要的時(shí)間Δt計(jì)算出通過(guò)流量計(jì)的流量。

鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置具有精度高、流量范圍適中，原理和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但它的工作壓力較低（一般小于10kPa），不能滿(mǎn)足高精度或大流量以及壓力損失較大場(chǎng)合的要求。目前，世界上最大的鐘罩裝置的標(biāo)準(zhǔn)容積可達(dá)64m3，國(guó)內(nèi)鐘罩的最大容積為20m3。鐘罩裝置的氣體國(guó)家基準(zhǔn)的流量范圍是（0.13～120）m3/h，不確定度為0.12%。

1.2 PVTt法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置

PVTt法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置是指某一段時(shí)間間隔Δt內(nèi)，氣體流入或流出容積為V的容器，根據(jù)容器內(nèi)壓力P和熱力學(xué)溫度T的變化，求得氣體流量的標(biāo)準(zhǔn)裝置，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 PVTt法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

PVTt法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置按使用時(shí)氣體進(jìn)出標(biāo)準(zhǔn)容器的方向，可分為流入式和流出式。所謂流入式是指氣體通過(guò)被檢計(jì)量?jī)x表進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)容器；流出式是指使用標(biāo)準(zhǔn)空氣充氣，并達(dá)到一定的壓力，然后通過(guò)被檢儀表向外排放。假如采用流出法，先向標(biāo)準(zhǔn)容器中充氣，待溫度穩(wěn)定后讀取容器內(nèi)氣體的壓力Ps，溫度Ts，然后用標(biāo)準(zhǔn)容器通過(guò)被檢儀表放氣，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間Δt后，關(guān)閉放氣閥。待標(biāo)準(zhǔn)容器中氣體的溫度穩(wěn)定后再讀出標(biāo)準(zhǔn)容器內(nèi)氣體的壓力PE，溫度TE。若標(biāo)準(zhǔn)容器內(nèi)的溫度Ts、TE與室溫一致，便可由理想氣體方程式得到：

式中：P—被檢流量計(jì)上游側(cè)壓力；q—被檢流量計(jì)的流量。

PVTt法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的關(guān)鍵是如何精確標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)容器的容積。使用氣標(biāo)法標(biāo)定容器的容積，不確定度可以控制在0.105%以?xún)?nèi)。PVTt法裝置的準(zhǔn)確度優(yōu)于0.11級(jí)，其國(guó)家基準(zhǔn)的流量范圍是（0.11～1300）m3/h，不確定度為0.105%（k=2）[2]。

2 HPPP法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置原理

HPPP法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置由具有恒定截面和已知容積的管段組成，活塞以自由置換或強(qiáng)制置換的方式在其內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)活塞通過(guò)該管段所需時(shí)間可得到氣體的標(biāo)準(zhǔn)體積流量。檢測(cè)開(kāi)關(guān)可確定活塞進(jìn)入和離開(kāi)標(biāo)準(zhǔn)管段的時(shí)間間隔，標(biāo)準(zhǔn)管段的容積采用水驅(qū)法由標(biāo)準(zhǔn)量器確定。

原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)采用HPPP法首次應(yīng)用于德國(guó)的Pigsar檢定站，其裝置的不確定度為0.01%[3]。HPPP法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的工作介質(zhì)可以為空氣、天然氣等多種氣體。裝置的流量范圍和工作壓力同樣取決于標(biāo)準(zhǔn)管段的容積及其壓力等級(jí)。在裝置工作時(shí)，要確保活塞在標(biāo)準(zhǔn)管段內(nèi)平穩(wěn)移動(dòng)，以獲得較為穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)氣體流量，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 HPPP法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置圖

3 HPPP法檢定工藝流程

由于HPPP法的不確定度較小，因此在實(shí)際天然氣流量計(jì)檢定站中常常被用作原級(jí)檢定標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)它作為原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置（以音速?lài)娮鞖怏w流量標(biāo)準(zhǔn)裝置為例）時(shí)，其檢定流程如下：

分輸站（天然氣支干線(xiàn)）來(lái)氣→分離器→一級(jí)穩(wěn)壓→小流量二級(jí)穩(wěn)壓→HPPP氣缸→音速?lài)娮鞖怏w流量標(biāo)準(zhǔn)，待檢定結(jié)束后，經(jīng)四通換向閥換向，活塞回位→壓縮機(jī)→天然氣支干線(xiàn)。

當(dāng)它作為原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定高準(zhǔn)確度小口徑流量計(jì)時(shí)，其流程如下：

分輸站來(lái)氣→分離器→一級(jí)穩(wěn)壓→小流量二級(jí)穩(wěn)壓→HPPP氣缸→高精度小口徑流量計(jì)，待檢定結(jié)束后，經(jīng)四通換向閥換向，活塞回位→壓縮機(jī)→天然氣支干線(xiàn)。

HPPP法檢定步驟如下：

關(guān)閉位于側(cè)面的閥門(mén)，打開(kāi)最下面的閥門(mén)，天然氣經(jīng)調(diào)壓、穩(wěn)流后流經(jīng)氣缸及檢定管路，當(dāng)溫度達(dá)到穩(wěn)定要求后，關(guān)閉最下面的閥門(mén)，打開(kāi)側(cè)面的閥門(mén)，電機(jī)推動(dòng)活塞勻速前進(jìn)（活塞前后壓差很小），當(dāng)活塞達(dá)到第一個(gè)控制點(diǎn)時(shí)，控制系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒，當(dāng)活塞達(dá)到第二個(gè)控制點(diǎn)時(shí)，控制系統(tǒng)記錄下當(dāng)前時(shí)間，脈沖記錄設(shè)備開(kāi)始記數(shù)，經(jīng)過(guò)△t時(shí)間后，活塞達(dá)到第四個(gè)控制點(diǎn)時(shí)，控制系統(tǒng)記錄下當(dāng)前時(shí)間，脈沖記錄設(shè)備停止記數(shù)，第二與第四控制點(diǎn)之間的體積為有效檢定容積△V，由此可以計(jì)算到流經(jīng)渦輪表的瞬時(shí)工況體積流量qv=△V/△t；活塞繼續(xù)前進(jìn)，當(dāng)通過(guò)最后一個(gè)控制點(diǎn)后，打開(kāi)位于右邊的閥門(mén)，活塞停止前進(jìn)，然后切換四通閥，天然氣反向進(jìn)入氣缸，推動(dòng)活塞回位，檢定過(guò)程結(jié)束。

4 HPPP法量值傳遞溯源

從計(jì)量學(xué)的基本原理看，溯源性與準(zhǔn)確性、一致性一樣，是計(jì)量結(jié)果的一種基本屬性。常常將其定義為計(jì)量結(jié)果可以通過(guò)連續(xù)的、已知不確定度的溯源鏈與合適的國(guó)際或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)相聯(lián)系。溯源性是指在要求進(jìn)行的測(cè)量過(guò)程與被認(rèn)為是“基準(zhǔn)的”或“無(wú)可爭(zhēng)議的”某個(gè)量值或一組量值之間存在的一條連續(xù)的、相互聯(lián)系的并經(jīng)驗(yàn)證的通道（即溯源鏈）。具有完整溯源性的測(cè)量數(shù)據(jù)應(yīng)該可以清晰地追溯到SI制基本單位[4]。

然而由于天然氣屬于易燃、易爆的動(dòng)態(tài)可壓縮氣體，因此天然氣流量量值溯源過(guò)程中安全性便成為首要約束條件，且天然氣的流量量值不易于復(fù)現(xiàn)。天然氣屬于多組分混合氣體，組分的變化會(huì)引起相對(duì)密度、發(fā)熱量、壓縮因子、等熵指數(shù)、臨界流函數(shù)等物性參數(shù)的變化，而這些參數(shù)直接參與天然氣流量計(jì)算，對(duì)流量結(jié)果有直接影響。所以要保證天然氣計(jì)量最終結(jié)果的準(zhǔn)確可靠，必須保證天然氣流量計(jì)量和分析測(cè)試兩個(gè)方面均具有良好的溯源性[5]。

對(duì)于高壓天然氣其流量量值溯源體系主要由原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置（HPPP）、次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置、工作級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置和核查標(biāo)準(zhǔn)裝置組成。以采用三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)檢定，原級(jí)流量標(biāo)準(zhǔn)裝置采用HPPP（流量范圍8～480m3/h，不確定度U=0.06%）；次級(jí)流量標(biāo)準(zhǔn)裝置采用音速?lài)娮鞖怏w流量裝置（流量范圍8～1460m3/h，不確定度U=0.16%）；工作標(biāo)準(zhǔn)采用渦輪標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)（流量范圍8～14000m3/h，不確定度U=0.25%）；超聲流量計(jì)（流量范圍20～14000m3/h，不確定度U=0.25%）作為核查標(biāo)準(zhǔn)為例，測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)溯源最終可以追溯到時(shí)間和長(zhǎng)度兩個(gè)SI基準(zhǔn)。其檢定過(guò)程的量值傳遞溯源圖如圖3所示。

圖4 HPPP法原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定過(guò)程的量值溯源圖

5 結(jié)語(yǔ)

HPPP法被用作原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)檢定天然氣流量計(jì)具有流量穩(wěn)定、準(zhǔn)確度高等特點(diǎn)，由于受技術(shù)限制在國(guó)內(nèi)其應(yīng)用并不廣泛。在采用HPPP作為檢定天然氣流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)裝置建設(shè)過(guò)程中，必須加強(qiáng)與國(guó)際間的技術(shù)交流和量值比對(duì)，以實(shí)現(xiàn)我國(guó)天然氣工業(yè)國(guó)際化發(fā)展。

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