用標準噴嘴流量計測量天然氣流量的研究

1    引 言

我國天然氣用量迅速增長，輸氣管網及用戶配套流量儀表需求量龐大。為滿足各類用戶的需求，流量計的選型不僅要考慮儀表的計量準確度，還要考慮儀表采購、維護與校驗成本。據統計，天然氣輸氣管網流量儀表主要為：標準孔板流量計、渦輪流量計及氣體超聲流量計。孔板流量計由于有ISO5167-2003(E)標準及GB/T21446-2008的支持且應用歷史久遠，是目前國內外天然氣流量測量的三大主力儀表之一。

標準噴嘴（本文指ISA1932噴嘴）與孔板一樣同屬標準節流件，其結構形式和技術要求均已標準化，按ISO5167-2003(E)制造、安裝使用，無需實流檢定即可計算出流量及流量不確定度。噴嘴的入口是由兩個圓弧組成，耐磨性好，能長期保持流量特性的穩定，檢規JJG640規定其檢定周期不超過4年，而且壓損小，所以噴嘴應是比孔板更為優良的節流件。但由于其廓形復雜，加工、檢驗比較困難，所以長期以來標準噴嘴的使用量遠比孔板少得多。上世紀90年代，流量測量專家和西安三聯測控工程討論組提出了“定值噴嘴”的概念，即一種管道口徑的噴嘴，僅設幾個喉部直徑值，這就大大簡化了生產工藝及檢驗，可使儀表的檢定更具客觀性。這一概念的提出，推動了噴嘴流量計的應用。進入21世紀，噴嘴流量計使用大幅增加，特別在水蒸氣流量測量領域，其性能穩定、可靠已成為廣大用戶的共識。因此制定相應標準，推動噴嘴在天然氣流量測量中的應用已是水到渠成之事。西安三聯測控作為流量測量行業的重要一員，一直想給中國流量儀表帶來一些新的改變。

國家標準化技術委員會將《用標準噴嘴流量計測量天然氣流量》列入2012年第二批國家標準計劃，由石油工業油氣計量及分析方法專業標準化技術委員會油氣計量分技術委員會組織實施。標準制訂目前已進入報批稿階段。

2    在編標準與ISO5167-2003的異同

2.1 ISO5167為通用標準，而《用標準噴嘴流量計測量天然氣流量》標準為標準，標準噴嘴特指ISA1932噴嘴，標準采用了ISO5167-2003(E)中有關ISA1932噴嘴的所有內容。

2.2 增加了定值噴嘴的內容，一種公稱管徑的標準噴嘴，喉部直徑有成千上萬種選擇，每加工某一喉部直徑的噴嘴，必須準備數套樣板作為加工、檢查入口廓形之用，這給加工及檢驗帶來不同程度的困難。

定值噴嘴也是標準噴嘴，只不過對一種公稱管徑只選取有限個喉部直徑值，直徑比范圍在0.42～0.6，加工、檢驗就方便得多，有利于提高產品的一致性。所以在標準中作為重點推薦，同時考慮到極大流量、極小流量及一些特殊場合的應用，也可在標準允許的范圍內選取其它的喉部直徑。

2.3增加了天然氣物性值（粘度、等熵指數、密度、壓縮系數等）、流量、能量及不確定的計算公式，這些公式參考了GB/T21446-2008。

2.4 增加了“天然氣流量計算機系統基本技術要求”，本部分仍參考了GB/T21446-2008。

2.5 JJG640檢定規程中，系數檢定只給出了檢定點的流出系數及重現性誤差，本標準在附錄中增加了“定值噴嘴及實流檢定”的內容，給出了定值噴嘴檢定數據的回歸公式及不確定度計算公式。

3 驗證試驗

3.1 雖然遵循ISO5167-2003規定制造、安裝，噴嘴流量計無需實流檢定*可以用于天然氣流量測量，但由于噴嘴在我國應用中不是太多，特別沒有在天然氣系統檢定的先例，所以進行一定的驗證試驗是必要的。

3.2  試驗定值噴嘴口徑為DN50、DN80、DN100、DN150，每種口徑有三個β值，即0.42、0.51、0.6，流體分別為水、空氣。由于條件限制，在天然氣系統僅對DN80及DN100，β為0.51的二臺儀表進行試驗。每臺儀表均配*D、后5D的直管段，所用差壓變送器在檢定有效期內。

3.3 試驗數據

    所有試驗數據已提供給西安三聯測控標準審查小組，本文僅列舉在水系統及天然氣系統試驗部分數據進行分析。水試驗是在安徽*進行，水系統不確定度0.05％，天然氣試驗在國家石油天然氣大流量計量站成都分站進行，操作壓力1.6MPa，系統不確定度為0.25％ 。試驗噴嘴口徑為DN80及DN100,直徑比均為0.51，試驗所用兩臺差壓變送器量程分別為0-500kPa和0-100kPa(水試驗)及0-100kPa和0-10kPa（天然氣試驗）,經檢定其精度為0.075級，

表1 DN80水試驗數據

表2   DN100水試驗數據

表3  DN80天然氣試驗數據

表4   DN100天然氣試驗數據

3.4  數據回歸

（1）DN80定值噴嘴水試驗平均流出系數回歸

      C= 0.973043-0.000195(106/ReD)^1.15

不確定度為 ：U(C)=0.084％

（2）DN100定值噴嘴水試驗平均流出系數回歸

     C= 0.97356-0.000202(106/ReD)^1.15

不確定度為 ：U(C)=0.092％

（3）DN80定值噴嘴天然氣試驗平均流出系數回歸

      C= 0.971602+0.000069(106/ReD)^1.15

不確定度為 ：U(C)=0.124％

（4）DN100定值噴嘴天然氣試驗平均流出系數回歸

     C= 0.973658+0.000045(106/ReD)^1.15

不確定度為 ：U(C)=0.161％

由于水系統精度為0.05級，其不確定度為 ：U(q)=0.05％

天然氣系統精度為0.25級，其不確定度為 ：U(q)=0.25％

差壓變送器精度為0.075％，試驗中采用雙差變，每個的測量范圍都小于10:1，不確定度zui大為：U(ΔP) =2/3×ξΔP×10=2/3×0.075×10=0.5％

考慮到這些因素，可以計算流出系數的合成不確定度。

對DN80的定值噴嘴水試驗 ：Uc(C)=(0.0842+0.052+0.25×0.52)0.5=0.268％

對DN100的定值噴嘴水試驗 ：Uc(C)=(0.0922+0.052+0.25×0.52)0.5=0.271％

對DN80的定值噴嘴天然氣試驗 ：Uc(C)=(0.1242+0.252+0.25×0.52)0.5=0.374％

對DN100的定值噴嘴天然氣試驗 ：Uc(C)=(0.1612+0.252+0.25×0.52)0.5=0.388％

（5）用水試驗的回歸曲線替代天然氣回歸曲線測量天然氣流量，其偏差見表5，表6

               表5 DN80

表6 DN100

不確定度為：

對DN80定值噴嘴

％

對DN100定值噴嘴

％

考慮到差壓變送器及檢定系統的精度，流出系數的合成不確定度為：

對DN80的定值噴嘴測量天然氣 ： Uc(C)=(0.342+0.252+0.25×0.52)0.5=0.49％

對DN100的定值噴嘴測量天然氣 ：Uc(C)=(0.272+0.252+0.25×0.52)0.5=0.45％

3.5 結果分析

 （1）從表3，表4可看出，其流出系數與按標準計算的流出系數偏差，zui大為0.48％，說明按標準制造的定值噴嘴用于測量天然氣流量時無需實流標定，即可測量流量及確定流量測量不確定度；

（2）如果需要更高的測量準確度，可以在天然氣系統實流標定，對標定數據進行回歸，流出系數不確定度在0.4％以內。

（3）本次天然氣實流標定僅對DN80、DN100兩種口徑噴嘴流量計，該表在水系統標定數據的回歸方程，用于計算天然氣流量，其流出系數不確定度可控制在0.5％以內，說明噴嘴流量計在水系統標定，對試驗數據回歸后，用于天然氣流量測量，流出系數不確定度優于0.8％（GB/T2624-2006)。下一步的工作是：在不同壓力，不同口徑，不同直徑比條件下試驗，用更多的試驗數據作進一步的驗證。

4 結束語

多年來，許多流量測量專家在不同場合呼吁在天然氣流量測量中應用標準噴嘴流量計，西安三聯測控也一直響應該項舉動，但由于天然氣的特殊性，直到目前噴嘴流量計幾乎沒有用于天然氣流量測量中。《用標準噴嘴流量計測量天然氣流量》標準的制定，必將改變這一現狀。我國天然氣流量測量儀表數量大，檢定系統遠滿足不了儀表檢定的要求，標準噴嘴耐磨損、性能穩定、檢定周期長的優勢將使這一矛盾得到緩解。驗證試驗說明了無需實流標定，標準噴嘴流量計就可以測量流量，并保證一定的測量不確定度。驗證試驗還提供了一種可能性，即在水系統進行標定，對標定數據回歸，用于天然氣流量測量可獲得高的測量準確度；其不僅適用于GB/T18603規定的B級和C級系統，也適用于*系統。另外，由于噴嘴流量計具有壓力損失小，結構簡單、牢固，且采購、維護與校驗成本低等優勢，進一步說明制定《用標準噴嘴流量計測量天然氣流量》國家標準的必要性。