石油与天然气化工  2014, Vol. 43 Issue (4): 442-447
组合涡轮气体流量标准装置计量性能测试与应用
何飞 1, 陈琦 1,2, 王辉 1,2, 丘逢春 1,2     
1. 中国石油西南油气田公司天然气研究院;
2. 国家石油天然气大流量计量站成都分站
收稿日期：2013-08-19
作者简介：何飞(1980-), 男, 工程师, 2008年7月毕业于西南石油大学测试计量技术与仪器专业, 现在中国石油天然气股份有限公司西南油气田公司天然气研究院从事天然气流量计量工作。地址:(610213)四川成都华阳天研路218号天然气研究院。电话:028-85604672。E-mail:he_fei@petrochina.com.cn.
摘要：介绍了国家石油天然气大流量计量站成都分站新建的组合涡轮气体流量标准装置，包括其工艺流程、计量性能测试要求及测试结果。该标准装置可用于天然气流量计实流检定，保证现场天然气贸易计量的准确性和可靠性。通过分析测试数据，证实该标准测量结果不确定度优于0.33%，测量结果的重复性、稳定性均满足气体流量工作计量器具的检定要求。
关键词：涡轮    气体流量标准装置    实流检定    重复性    稳定性    复现性    
Metering performance testing and application of gas flow standard facilities based on combined turbine flow meters
He Fei1 , Chen Qi1,2 , Wang Hui1,2 , Qiu Fengchun1,2     
1. Research Institute of Natural Gas Technology, PetroChina Southwest Oil and Gasfield Company, Chengdu 610213, Sichuan, China;
2. Chengdu Verification Branch of National Oil and Gas Large Flow Rate Measurement Station, Chengdu 610213, Sichuan, China
Abstract: This paper introduces a set of gas flow standard facilities based on combined turbine flow meters, which is newly built by Chengdu Verification Branch of National Oil and Gas Large Flow Rate Measurement Station, including the process of the standard facilities, testing requirements and results of the metering performance. The standard facilities are used for actual flow verification of the natural gas flow meter and guaranteeing the accuracy and reliability of onsite trade measurement of natural gas. By analyzing the testing data, it has confirmed that the uncertainty of standard test results is better than 0.33%. Both the repeatability and stability of test results meet the verification requirements for gas flow measuring instruments.
Key Words: turbine    gas flow standard facilities    actual gas flow verification    repeatability    stability    reproducibility    

天然气流量量传溯源是将基本物理量国家基准值逐级传递到现场流量计量器具的必要手段，是保证现场天然气贸易计量准确、可靠的关键[1]。为实现国内天然气流量量值统一、国际天然气流量检测数据互认，满足国际国内天然气贸易计量的需求，国家石油天然气大流量计量站成都分站(以下简称成都分站)经国家质量监督检验检疫总局授权，在全国范围内开展了中低压天然气流量计的量值传递工作[2]，其新建的组合涡轮气体流量标准装置(以下简称标准装置)于2012年6月建成，标准装置的流量范围为16~8 000 m3/h，设计压力为1.3~6.0 MPa。

1 标准装置简介

该套标准装置分大流量检测单元和小流量检测单元。大流量检测单元包括流量压力流量调节系统、由2台超声流量计组成的流量核查标准系统(编号为FT0401、FT0402)、5台DN200涡轮流量计组成的流量检测工作标准系统(编号为FT0410、FT0411、FT0412、FT0413、FT0414)和3个被检表台位。小流量检测单元包括流量压力流量调节系统、由2台超声流量计组成的流量核查标准系统(编号为FT0403、FT0404)、5台涡轮流量计组成的流量检测工作标准系统(编号为FT0405、FT0406、FT0407、FT0408、FT0409，其中FT0405口径为DN80，其他口径为DN100)和3个被检表台位。另外，还有一条小流量检测单元涡轮标准系统与大流量检测单元被检台位联通管路。标准装置的流量检测系统流程图见图 1。

图 1     气体流量检测标准装置流程示意图 Figure 1     Flow chart of gas flow standard device

2 标准装置性能测试与应用
2.1 基本性能测试

(1) 单台涡轮标准流量计溯源。对标准装置的主标准器——涡轮流量计(德国Pigsar)进行了校准。在投入使用前，在成都分站用临界流文丘里喷嘴流量标准装置进行了校准，校准结果与德国Pigsar的校准结果基本一致(见图 2、图 3), 测试结果的复现性均优于0.20%，校准数据准确可靠。

图 2     FT0414校准结果 Figure 2     FT0414 calibration results

图 3     FT0406校准结果 Figure 3     FT0406 calibration results

(2) 标准装置工艺系统气密性检查。成都分站天然气流量检测评价系统专门设计了系统泄漏测试功能，用来检查各段工艺系统内漏是否在可接受的范围内。根据JJF 1240-2010《临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置校准规范》[3-4]，要求工艺管段内5 min压力变化小于0.1%，确认内漏影响可忽略后，方能开始正式实验。

(3) 压力、温度、组分等辅助计量器具现场检定校准。标准装置配套的压力、温度计量器具均在现场用0.005级压力标准器和二等温度标准进行校准，压力示值误差均小于1 kPa，温度误差小于0.1 ℃。天然气组成在线分析系统经检定合格，每天检测前用二级标准气进行校正，其密度测定的不确定度优于0.1%。

2.2 计量性能测试
2.2.1 测量结果重复性与稳定性

大流量检测单元DN200涡轮标准流量计以DN300超声流量计为被检表，分别在5个流量点进行重复性与稳定性测试。小流量检测单元DN100涡轮标准流量计以DN100超声流量计为被检表，分别以2台涡轮各3个流量点和2台涡轮组合1个流量点进行重复性与稳定性测试。DN80涡轮标准流量计以1台DN80超声流量计为被检表，在4个流量点进行重复性与稳定性测试，测试结果见图 4~图 6。

图 4     大流量检测单元检测结果稳定性 Figure 4     Stability of the test results of large flow measuring unit

图 5     小流量检测单元FT0406涡轮标准检测结果稳定性 Figure 5     Stability of the standard test results of small flow measuring unit FT0406 turbine

图 6     小流量检测单元FT0405涡轮标准检测结果稳定性 Figure 6     Stability of the standard test results of small flow measuring unit FT0405 turbine

测试结果表明:

(1) 大流量检测单元DN200涡轮标准流量计在5个流量点测量结果的重复性均小于0.05%。7 300 m3/h、5 600 m3/h、3 200 m3/h、2 000 m3/h 4个流量点的测试结果的稳定性(变化量)均在±0.20%以内；800 m3/h流量点的测试结果的稳定性(变化量)均小于±0.30%。

(2) 小流量检测单元DN100涡轮标准流量计在560 m3/h、320 m3/h流量点测试结果的重复性均小于0.04%，测试结果的稳定性(变化量)均小于±0.20%；66 m3/h流量点的测试结果的重复性小于0.05%，测试结果的稳定性(变化量)小于±0.30%。

(3) 小流量检测单元DN80涡轮标准流量计在120 m3/h、66 m3/h、32 m3/h、16 m3/h流量点测试结果的重复性均小于0.04%，测试结果的稳定性(变化量)均小于±0.30%。

(4) 标准装置测量结果的重复性优于0.10%，稳定性优于0.30%，符合不确定度0.33%气体流量标准装置的要求。

2.2.2 测量结果复现性

(1) 相同检测单元不同涡轮工作标准测量结果的复现性。

大、小流量检测单元不同涡轮工作标准单台测量结果的复现性和组合涡轮工作标准测量结果的复现性测试结果见表 1、表 2和表 3。

表 1    大流量检测单元不同涡轮流量计在不同流量点测试结果的复现性 Table 1    Reproducibility of the test results with different turbine flow meters of large flow measuring unit at different flow points

表 2    小流量检测单元不同涡轮流量计在不同流量点测试结果的复现性 Table 2    Reproducibility of the test results with different turbine flow meters of small flow measuring unit at different flow points

表 3    小流量检测单元组合涡轮流量计与单台涡轮流量计测试结果的复现性 Table 3    Reproducibility of the test results by turbine flow meters of small flow measuring unit and single turbine flow meter

以上实验结果的复现性均小于0.30%，证实标准装置检测结果的复现性符合不确定度优于0.33%气体流量标准装置的要求。

(2) 不同检测单元标准表对同一被检表检测结果的复现性。

大流量检测单元可检测口径为DN200及以上流量计，由于大流量涡轮流量计口径均为DN200，其分界流量为320 m3/h，即该流量点为大流量检测单元的涡轮标准测量不确定度优于0.30%的最小流量点。为确保该单元小流量点的检测质量，标准装置工艺系统专门设计了一条DN80的联通管道，联通小流量检测单元的标准流量计与大流量检测单元的被检流量计。大流量检测单元被检流量计的小流量点既可使用本单元的涡轮标准流量计，也可使用小流量区的涡轮标准流量计。

选择320 m3/h流量点，分别用大流量检测单元DN200涡轮和小流量检测单元DN100涡轮作为标准表，以大流量检测单元DN300超声流量计作为被检表，进行不同检测单元标准表检测结果复现性测试，测试结果见表 4。测试结果表明，在320 m3/h流量点，大、小流量检测单元的涡轮标准检测结果的复现性均小于0.33%，均能满足1.0级流量计的检定要求。

表 4    不同检测单元标准表 320 m3/h流量点检测结果复现性 Table 4    Reproducibility of the test results of turbine flow meters of different measuring units at the flow point of 320 m3/h

2.2.3 标准装置检测结果准确度验证

以1台DN250的超声流量计和1台DN100超声流量计为样品，分别用标准装置大流量检测单元和小流量检测单元进行测试，测试结果与样品在德国Pigsar的测试结果进行比对，比对数据见图 7和图 8。证实标准装置的测量结果与德国Pigsar流量标准装置的测量结果是一致的，标准装置测量结果得到验证。

图 7     大流量检测单元测量结果准确性验证 Figure 7     Accuracy verification of the test results of large flow measuring unit

图 8     小流量检测单元测量结果准确性验证 Figure 8     Accuracy verification of the test results of small flow measuring unit

2.3 标准装置测量质量过程控制
2.3.1 超声流量计实时核查功能测试

在进行标准装置重复性与稳定性测试实验时，同时采集了核查超声流量计的计量数据。大流量检测单元的核查超声流量计FT0404(DN200)的分界流量为367 m3/h，FT0403(DN250)的分界流量为572 m3/h。小流量检测单元的核查超声流量计FT0401(DN100)的分界流量为97 m3/h，FT0402(DN150)的分界流量为221 m3/h，部分数据分析图见图 9至图 11。

图 9     大流量检测单元超声实时核查结果 Figure 9     Real-time verification results of the ultra-sonic flow meters of large flow measuring unit

图 10     小流量检测单元FT0402/FT0408实时核查结果 Figure 10     Real-time verification results of small flow measuring unit FT0402/FT0408

图 11     小流量检测单元FT0401/FT0405实时核查结果 Figure 11     Real-time verification results of small flow measuring unit FT0401/FT0405

分析以上数据可得，大流量检测单元的5个流量点均在分界流量点以上。2 000 m3/h以上的4个流量点，涡轮标准流与核查超声流量计比较结果的变化量均小于±0.20%；800 m3/h流量点涡轮与超声核查结果的变化量均小±0.25%。小流量检测单元DN100组合涡轮工作标准560 m3/h、320m3/h流量点，仅1次核查结果的变化量为0.34%，其余均小于等于±0.30%。

2.3.2 温度稳定性对小流量检测结果的影响分析及测量过程控制

在小流量点检测时，由于气体流速小，测试段温度变化会对标准装置检测结果带来一定影响。为此，进行了温度波动对小流量点检测质量的影响分析，以制定合理的检测质量过程控制方案。

以小流量检测单元稳定性实验数据为基础(其中120 m3/h流量点为小流量检测单元标准表，检测大流量检测单元被检表)，分析标准表与被检表温度差，以及标准表和被检表在单次数据采集时温度稳定性对检测结果的影响。小流量检测单元小流量点分析结果详见图 12和图 13。

图 12     标准表与被检表温度差对小流量检测单元的检测结果的影响 Figure 12     Effect of temperature difference between the standard flow meter and the verified one on the test results of small flow flow measuring unit

图 13     温度稳定对小流量检测单元检测结果的影响 Figure 13     Effect of temperature stability on the test results of small flow measuring unit

经分析确定，单次采数时标准表和被检表的温度差应控制在1.0 ℃以内，小流量点检测数据采集时，温度波动应控制在0.1 ℃以内。

3 测试结论

(1) 标准装置的流量范围为16~8 000 m3/h，设计压力为1.3~6.0 MPa，标准装置测量结果不确定度优于0.33%。

(2) 标准装置测量结果的稳定性优于0.30%，重复性优于0.10%，能满足准确度为1级气体流量计的检定要求；满足测量不确定度为0.5%的气体流量计的校准要求。

(3) 在进行大流量检测单元小于320 m3/h的流量点检测时，应根据被检流量计对检定对标准装置不确定度的要求，科学合理地选择涡轮标准，以确保检测结果的准确可靠。

(4) 小流量点检测时，需要注意标准表和被检表的温度差及温度稳定性的影响，标准表和被检表处的温度波动应控制在0.1 ℃以内，以确保测量结果准确可靠。

参考文献
[1]
全国法制计量管理计量技术委员会. JJF 1059. 1-2012测量结果不确定度评定与表述[S]. 北京: 中国标准出版社, 2013-06-03.
[2]
黄明轩, 石中锁. 用VC实现智能涡轮流量计与上位机的通信[J]. 石油与天然气化工, 2005, 34(1): 64-66. DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2005.01.019
[3]
全国法制计量管理计量技术委员会. JJF 1033-2008计量标准考核规范[S]. 北京: 中国计量出版社, 2008-09-01.
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全国流量容量计量技术委员会. JJF 1240-2010临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置校准规范[S]. 北京: 中国质检出版社, 2010-04-05.
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