針對天然氣流量計實流標定問題,借鑒Groningen、Bergum和Westerbork的天然氣流量檢測裝置的特點與經驗,采用標準羅茨流量計和標準渦輪流量計作為標準表,以天然氣作為檢定介質,形成標準表法天然氣流量標準裝置。為進一步解決標準流量計的溯源,本文還討論了雷諾內插法的溯源方式連通高低壓溯源鏈的可能性與可靠性,認為當操作條件與檢定條件有差異時可以使用該方法溯源。
現階段對天然氣流量計的檢定要求大大增加。主要體現在以下兩個方面:
(1)天然氣計量所用的氣體流量計的不僅包括渦輪、漩渦及超聲等速度式流量計,還有孔板、文丘里管及V型內錐等差壓式流量計,甚至包括變面積靶式流量計。
(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給出了荷蘭對工業氣體流量計進行檢定和測試的部分設施。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。對于所列的設施,荷蘭的合作伙伴將負責進行法律鑒定和頒發檢定證書。除了表1中所列設施之外,配氣公司和氣體流量計制造廠檢測裝置的數量也有所增加.
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。
2·1 Groningen的高壓檢測裝置
Groningen的高壓檢測裝置設計為一臺研究裝置。該裝置的所有者Gasunie公司利用這臺裝置對氣體流量計、裝置效應、減壓器和其他設備進行研究。被檢測裝置可安裝在檢測裝置中的幾個部位構成*合適的配置。該裝置很少用于氣體流量計的日常檢定。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套標準氣體流量計。其中一套由10個并聯的容積式(CVM)氣體流量計組成。在在線條件下,每個流量計的*大流量為400m3/h。這種容積式流量計像Bergum傳遞標準一樣,只用于檢定高標準流量計。另一套標準氣體流量計是Groningen日常研究使用的檢測裝置的工作標準。這套流量計是由一個*大能力為400m3/h的容積式氣體流量計和4個*大能力分別為650m3/h、1600m3/h和2個4000m3/h的渦輪氣體流量計組成。由于該裝置結構的原因,可直接采用一套10個容積式流量計標準來檢定工作標準。
在Groningen,這些容積式流量計標準始終運行在6bar的絕壓條件下。而被測驗的流量計可在9~41bar壓力之間運行。當試驗壓力超過9bar時,應將該壓力降至測試流量計和標準之間的范圍。由于壓力下降,應將該氣體加熱到實驗室溫度。鑒于壓力下降且氣體溫度應以手動控制,此時,尤其是在低流量條件下進行檢定,很消耗時間,如果該壓力降至試驗流量計和標準之間范圍,則氣體的壓縮性便起著很關鍵的作用。計算壓縮系數,既可采用AGA NX-19-mod算法,也可采用簡化的GERG方程。由于壓縮系數取決于氣體的組分,因此應利用在線氣相色譜儀來確定氣體成分的摩爾分數。這些參數可從氣體的組分計算出來,它們是壓縮系數算法的輸入參數
2·2 Bergum的高壓檢測裝置
Bergum的高壓檢測裝置設計用于檢定氣體流量計。如圖2所示,該檢測裝置與一個668mW發電廠的供氣站平行排列。該裝置的操作壓力范圍為9~15bar。壓力達到21bar的*大流量為88000m3/h,而當壓力在21~51bar之間時的流量則為130000m30/h。單位m30/h表示該流量已轉換為正常條件(0℃,1·01325bar)檢測裝置的標準氣體流量計包括4臺*大處理能力為4000m3/h的渦輪式氣體流量計,一臺處理能力為1000m3/h的渦輪式氣體流量計及兩臺處理能力分別為400m3/h和100m3/h的CVM氣體流量計。
在Bergum的裝置上,標準氣體流量計和被檢測的流量計均在大約相同的壓力條件下運行。這種做法的優點是,在檢定過程中,不會產生因氣體壓縮系數算法而導致的其他不確定度。但它也有缺點,即標準氣體流量計本身需要在幾種不同的壓力條件下進行檢定。Bergum的標準氣體流量計是在9bar、21bar、36bar和51bar的壓力條件下進行檢定的。該標準在檢定壓力間的校準系數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的雷諾數關系曲線。
進人該檢測裝置的氣體經過2個(安全)關閉閥門、一個過濾器和一個加熱器后到達二級減壓器。測試壓力通過此減壓器進行控制。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后又經過一個或幾個標準氣體流量計。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進行檢定。渦流擋板流量計占檢定流量計的15%左右,剩下的則為孔板、文丘里管、噴嘴、旋渦式流量計、插入式流量計、超聲波流量計等。近年來,在Bergum測試裝置上進行檢定的流量計數量大大增加(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、文丘里管檢定的數量也大大增加。
鑒于在此裝置上進行檢定的流量計數量很大,因此必須經常檢查標準氣體流量計。在新配置的檢測裝置上安裝了特殊的檢測儀表,用于檢測流量達到25000m3/h的流量計。這樣,便可在檢定期間連續檢查工作標準。每周臨時插入傳遞標準,檢查較高流量條件下的工作標準。
2·3 Westerbork的高壓檢測裝置
Westerbork的檢測裝置是世界上現有*高流量的裝置。流經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,部分時間用于由Casunie進行的研究工作,而部分時間則用于由荷蘭進行的檢定工作。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)。在校準過程中,這些輸氣管線中的氣體流經檢測裝置的旁通(見圖3)。經過測試裝置的流量由旁通節流進行控制。氣體首先通過該裝置的10個標準氣體流量計。這些標準流量計為渦輪氣體流量計,*大通過能力為4000m3/h,因此,在實際條件下的*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,氣體消耗量相當大時才能達到。
該氣體經過標準流量計后又流經兩個測試管中的其中一條。一條檢測管線用于直徑達到400mm的氣體流量計。而**條管線通常用于直徑為500mm或更大直徑的流量計。在這個裝置上可進行2個或3個串聯流量計的校準。由于該檢測裝置實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時方可進行校準工作。
曾在Westerbork校準的*大氣體流量計是兩臺美國的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行了校準。
3 溯源性和校準
所有高壓氣體校準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。低壓溯源鏈構成了高壓溯源鏈的基礎。每個校準步驟中都列出了進行校準的壓力和體積流量。值得注意的是支持3·5m3鐘罩的校準有2個單獨的溯源鏈,**個鏈始于基礎校驗系統。可追溯到質量基準。**個鏈則始于低流量檢測裝置,可追溯到長度基準。
4 校準條件與操作條件有差異時
毫無疑問,在操作條件下進行校準是校準的*佳方式,然而,并不是總能用理想的流體進行校準。對于氣體流量計,大多數檢測裝置都采用空氣進行校準,有時有壓力,多數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行檢定的,這對于那些將流量計用于天然氣計量站的公司具有很大的優勢。
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進行校準,估算流動條件所采用的參數通常為關于該流量計入口直徑的雷諾數。
首先,將操作條件范圍轉換為雷諾數范圍。其次,所選定的校準設備要符合所規定的雷諾數范圍。然后,在不同的壓力條件下或采用不同的氣體進行校準。根據雷諾數繪制流量計的誤差或流出系數的曲線圖。然后檢查該流量計的曲線是否與雷諾數的重疊范圍相一致。如果一致,則采用內插法從校準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出故障還是該雷諾數不是被檢測流量計適當的檢定系數。
該方法通常稱之為雷諾內插法,可能適用于諸如渦輪流量計、孔板及噴嘴之類的流量計,這些流量計在流量的雷諾數和流量計誤差或流出系數之間已形成了相關性。
在一定精度等級范圍內,標準差壓流量計的雷諾特性是的。同樣,某些種類的渦輪氣體流量計的特性也是已知的。在某些情況下,有必要在進行*終校準之前*行幾次測試以鑒定該流量計的運行情況是否符合雷諾定標系數。將來,還需要做一些工作來鑒定渦流擋板流量計的性能,并確定高壓氣體情況下超聲波流量計和互補式流量計的性能。
對于高壓和高流量條件下的校準,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行校準。
考慮到壓力范圍不同及所采用的氣體類型的差異,作業線路條件可以不同于現有的校準條件。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和儀表誤差或排放系數之間已建立了相關性的流量計。
