针对天然气流量计实流标定问题,借鉴Groningen、Bergum和Westerbork的天然气流量检测装置的特点与经验,采用标准罗茨流量计和标准涡轮流量计作为标准表,以天然气作为检定介质,形成标准表法天然气流量标准装置。为进一步解决标准流量计的溯源,本文还讨论了雷诺内插法的溯源方式连通高低压溯源链的可能性与可靠性,认为当操作条件与检定条件有差异时可以使用该方法溯源。
现阶段对天然气流量计的检定要求大大增加。主要体现在以下两个方面:
(1)天然气计量所用的气体流量计的不仅包括涡轮、漩涡及超声等速度式流量计,还有孔板、文丘里管及V型内锥等差压式流量计,甚至包括变面积靶式流量计。
(2)除用低压空气或天然气检定之外,还需要在不同操作条件(不同压力或不同气体组分)下的检定。
表1给出了荷兰对工业气体流量计进行检定和测试的部分设施。该表提供了这些检测装置的特性,诸如流量、操作压力及检测所使用的气体类型。对于所列的设施,荷兰的合作伙伴将负责进行法律鉴定和颁发检定证书。除了表1中所列设施之外,配气公司和气体流量计制造厂检测装置的数量也有所增加.
2 高压检测装置
荷兰有几台高压流量检测装置。从检定设施或溯源性方面看,Groningen、Bergum和Westerbork的检测装置很重要。这3台装置在操作条件下的检定可用天然气作为检定介质。
2·1 Groningen的高压检测装置
Groningen的高压检测装置设计为一台研究装置。该装置的所有者Gasunie公司利用这台装置对气体流量计、装置效应、减压器和其他设备进行研究。被检测装置可安装在检测装置中的几个部位构成*合适的配置。该装置很少用于气体流量计的日常检定。然而,它对荷兰其他高压检测装置的溯源起了非常重要的作用。
位于Groningen的检测装置,如图1所示,配有2套标准气体流量计。其中一套由10个并联的容积式(CVM)气体流量计组成。在在线条件下,每个流量计的*大流量为400m3/h。这种容积式流量计像Bergum传递标准一样,只用于检定高标准流量计。另一套标准气体流量计是Groningen日常研究使用的检测装置的工作标准。这套流量计是由一个*大能力为400m3/h的容积式气体流量计和4个*大能力分别为650m3/h、1600m3/h和2个4000m3/h的涡轮气体流量计组成。由于该装置结构的原因,可直接采用一套10个容积式流量计标准来检定工作标准。
在Groningen,这些容积式流量计标准始终运行在6bar的绝压条件下。而被测验的流量计可在9~41bar压力之间运行。当试验压力超过9bar时,应将该压力降至测试流量计和标准之间的范围。由于压力下降,应将该气体加热到实验室温度。鉴于压力下降且气体温度应以手动控制,此时,尤其是在低流量条件下进行检定,很消耗时间,如果该压力降至试验流量计和标准之间范围,则气体的压缩性便起着很关键的作用。计算压缩系数,既可采用AGA NX-19-mod算法,也可采用简化的GERG方程。由于压缩系数取决于气体的组分,因此应利用在线气相色谱仪来确定气体成分的摩尔分数。这些参数可从气体的组分计算出来,它们是压缩系数算法的输入参数
2·2 Bergum的高压检测装置
Bergum的高压检测装置设计用于检定气体流量计。如图2所示,该检测装置与一个668mW发电厂的供气站平行排列。该装置的操作压力范围为9~15bar。压力达到21bar的*大流量为88000m3/h,而当压力在21~51bar之间时的流量则为130000m30/h。单位m30/h表示该流量已转换为正常条件(0℃,1·01325bar)检测装置的标准气体流量计包括4台*大处理能力为4000m3/h的涡轮式气体流量计,一台处理能力为1000m3/h的涡轮式气体流量计及两台处理能力分别为400m3/h和100m3/h的CVM气体流量计。
在Bergum的装置上,标准气体流量计和被检测的流量计均在大约相同的压力条件下运行。这种做法的优点是,在检定过程中,不会产生因气体压缩系数算法而导致的其他不确定度。但它也有缺点,即标准气体流量计本身需要在几种不同的压力条件下进行检定。Bergum的标准气体流量计是在9bar、21bar、36bar和51bar的压力条件下进行检定的。该标准在检定压力间的校准系数通过插值误差曲线图获得,图中绘制了检定曲线与流量相对应的雷诺数关系曲线。
进人该检测装置的气体经过2个(安全)关闭阀门、一个过滤器和一个加热器后到达二级减压器。测试压力通过此减压器进行控制。在减压器之后有4条平行的检测管线。其中3条管线法兰间的长度为5·1m,而另一条测试管线法兰间的长度则为11m。这些流量计的直径可以检定,范围为50~600mm(ANSI或DIN法兰)。气体通过被检测流量计后又经过一个或几个标准气体流量计。此后,压力下降,气体返回到电厂的供气管线。
在Bergum的检测装置上,对来自世界各地的气体流量计进行检定。涡流挡板流量计占检定流量计的15%左右,剩下的则为孔板、文丘里管、喷嘴、旋涡式流量计、插入式流量计、超声波流量计等。近年来,在Bergum测试装置上进行检定的流量计数量大大增加(每年为17%)。这充分表明,在操作条件下检定对于气体流量计用户具有更为重要的意义。另外,孔板、喷嘴、文丘里管检定的数量也大大增加。
鉴于在此装置上进行检定的流量计数量很大,因此必须经常检查标准气体流量计。在新配置的检测装置上安装了特殊的检测仪表,用于检测流量达到25000m3/h的流量计。这样,便可在检定期间连续检查工作标准。每周临时插入传递标准,检查较高流量条件下的工作标准。
2·3 Westerbork的高压检测装置
Westerbork的检测装置是世界上现有*高流量的装置。流经该装置的天然气在大约60bar的压力条件下*大量为2·4×106m30/h。该装置归属于Casunie所有,部分时间用于由Casunie进行的研究工作,而部分时间则用于由荷兰进行的检定工作。该检测装置靠近从Slochteren气田到Ommen混输站的两条大口径气管线(1050mm和1200mm)。在校准过程中,这些输气管线中的气体流经检测装置的旁通(见图3)。经过测试装置的流量由旁通节流进行控制。气体首先通过该装置的10个标准气体流量计。这些标准流量计为涡轮气体流量计,*大通过能力为4000m3/h,因此,在实际条件下的*大通过能力为40000m3/h。这种*大的气体流量只有在荷兰寒冷季节,气体消耗量相当大时才能达到。
该气体经过标准流量计后又流经两个测试管中的其中一条。一条检测管线用于直径达到400mm的气体流量计。而**条管线通常用于直径为500mm或更大直径的流量计。在这个装置上可进行2个或3个串联流量计的校准。由于该检测装置实际上是两条主要输气管线的旁通,因此,只有在管线压力约为60bar时方可进行校准工作。
曾在Westerbork校准的*大气体流量计是两台美国的900mm(36in)文丘里管。1992年1月,采用约为2·0×106的*大气体流量对这些文丘里管进行了校准。
3 溯源性和校准
所有高压气体校准装置均可溯源至低压溯源链末端的3·5m3的钟罩。图4给出了目前低压溯源链的状况。低压溯源链构成了高压溯源链的基础。每个校准步骤中都列出了进行校准的压力和体积流量。值得注意的是支持3·5m3钟罩的校准有2个单独的溯源链,**个链始于基础校验系统。可追溯到质量基准。**个链则始于低流量检测装置,可追溯到长度基准。
4 校准条件与操作条件有差异时
毫无疑问,在操作条件下进行校准是校准的*佳方式,然而,并不是总能用理想的流体进行校准。对于气体流量计,大多数检测装置都采用空气进行校准,有时有压力,多数情况下是在常压条件下检定。本文所述的高压检测装置是在有压力条件下采用天然气进行检定的,这对于那些将流量计用于天然气计量站的公司具有很大的优势。
如果流动条件可以估算出来,那么就可以在与操作条件不同的条件下对流量计进行校准,估算流动条件所采用的参数通常为关于该流量计入口直径的雷诺数。
首先,将操作条件范围转换为雷诺数范围。其次,所选定的校准设备要符合所规定的雷诺数范围。然后,在不同的压力条件下或采用不同的气体进行校准。根据雷诺数绘制流量计的误差或流出系数的曲线图。然后检查该流量计的曲线是否与雷诺数的重叠范围相一致。如果一致,则采用内插法从校准曲线推知操作条件的误差曲线。如果曲线图不吻合,就必须断定出是被检测流量计出故障还是该雷诺数不是被检测流量计适当的检定系数。
该方法通常称之为雷诺内插法,可能适用于诸如涡轮流量计、孔板及喷嘴之类的流量计,这些流量计在流量的雷诺数和流量计误差或流出系数之间已形成了相关性。
在一定精度等级范围内,标准差压流量计的雷诺特性是的。同样,某些种类的涡轮气体流量计的特性也是已知的。在某些情况下,有必要在进行*终校准之前*行几次测试以鉴定该流量计的运行情况是否符合雷诺定标系数。将来,还需要做一些工作来鉴定涡流挡板流量计的性能,并确定高压气体情况下超声波流量计和互补式流量计的性能。
对于高压和高流量条件下的校准,Bergum和Westerbork的高压检测装置可提供较高的压力范围9~60bar和流量范围(45~2·4×106)m30/h。这些装置在操作条件下采用天然气进行校准。
考虑到压力范围不同及所采用的气体类型的差异,作业线路条件可以不同于现有的校准条件。对于这些情况,可采用所谓的雷诺插值方法。这种方法可适用于流量雷诺数和仪表误差或排放系数之间已建立了相关性的流量计。
