方永杰

国家石油天然气大流量计量站 （黑龙江 大庆 163712）

天然气流量计在线检定技术探讨

方永杰

国家石油天然气大流量计量站 （黑龙江 大庆 163712）

针对目前天然气流量计检定的实际情况和存在的问题，结合目前国内机械加工技术发展情况，提出了研究设计天然气流量计在线检定装置的可行性、重要性和必要性。为中、高压天然气流量计的贸易交接计量量值传递方法，提出了一个可行的技术方案。

天然气 流量计 检定装置 在线检定技术

进入21世纪以来，我国油气能源需求持续增长，特别是天然气消费量迅速增加，已进入“天然气时代”。 目前中国石油拥有的天然气管网干线包括：川渝环网、西气东输、陕京一线、陕京二线、忠武线、涩宁兰线、冀宁线和淮武联络线等，逐步建成一纵一横贯穿中国的两条天然气管道输送干线和西南、两湖、西北、华北、华东、东北等6个区域的天然气管道15条合计超过11 700km，压气站32座、分输站126座，年输气量可达到1 150.5×109m3，配备贸易计量流量计量仪表370多台套。中国石油计划用10年左右的时间，逐步建成西北、东北、西南、海上四大油气战略通道和国内油气骨干管网，完善储运设施和调控能力，形成供应稳定的全国性管网和供气体系。中国石油计划要进入100多个主要城市的燃气市场。目前，我国天然气贸易计量可选用的流量计类型有七、八种之多，但在天然气输气管网中使用的中高压、大口径流量计主要有超声、涡轮、孔板等。在新建的天然气计量站中，超声流量计、涡轮流量计几乎全部取代了孔板，成为最主要的计量仪表。考虑到中、高压气体计量检定的特殊性，目前由国家石油天然气大流量计量站及其成都、南京分站在授权的范围内对这些贸易计量仪表实施强制检定。其检定方法有两种：①离线检定，定期将流量计拆下送到实流检定现场、成都分站或南京分站进行检定；②在线检定，将移动式在线检定装置运送到计量站检定现场对接到预留检定工艺接口上，通过工艺切换实现对流量计的检定。目前主要的检定方式是离线检定。不管是离线检定时被检流量计的拆装，还是在线检定时移动式流量标准装置的安装，都要花费大量时间和人力物力。最主要的是天然气管网的运行要受到季节、安全、工艺要求的制约，有时不能按检定要求进行工艺调整，此时依托管网建设的天然气计量站也不能开展检定工作。各检定机构标准装置的压力、流量范围不同，检定范围受到一定的局限。根据目前我国贸易交接用中、高压天然气流量仪表量值传递检定的实际情况，探讨是否能够研究设计一套天然气流量计在线检定装置固定安装在使用现场定期（或不定期抽查）对其贸易交接流量计进行量值传递检定。

研究设计方案

1 天然气流量量值溯源体系

国家气体流量计量器具检定系统 （JJG 2064-1990）中，规定以50～2 000L的钟罩式气体流量标准系列装置作为国家的气体流量基准 （不确定度为0.20%），采用直接比较法，向不确定度为0.5%的其他次级流量标准或工作标准进行气体流量量值传递，并由这些标准检定或测试现场的工作流量计。该检定系统能满足部分气体流量量值溯源的需要，但没有充分考虑气体流量计量技术及仪表的发展，更没有考虑到今天天然气流量计量的实际需要。

为了准确复现气体流量量值，科学地开展量值传递工作，国内相继建成了几套具有较高水平的天然气流量标准装置，并建立了相应的天然气流量量值溯源体系。GB/T 18603-2001《天然气计量系统技术要求》等有关标准均提出了尽可能实流检定流量仪表的技术要求，这也是今后天然气计量检定的一种趋势。

通过近几年的发展，我国天然气流量量值溯源系统，已基本能满足天然气工业发展的需要。目前，能够开展中、高压大流量天然气检定的技术机构主要有国家石油天然气大流量计量站及各分站，它们建设了原级标准、次级（传递）标准、工作标准组成我国天然气量值溯源体系。

国家站及分站建设的原级标准有：钟罩、mt、PVTt法气体流量标准装置，可以在中、高低压工况条件下，以空气或天然气为介质复现流量量值，不确定度可达到0.05%～0.1%。传递标准不但能把原级标准的量值传递到二级检测站的工作标准，同时也可进行压力放大，成都、南京站采用组合音速喷嘴作为传递标准，不确定度可达到0.1%～0.25%。工作标准可以是涡轮、超声流量计或临界流文丘里喷嘴，工作压力视实际情况可为定压或变压，工况流量不确定度可达0.15%～0.3%。

2 设计方案的选择

对目前天然气流量量值溯源技术发展情况的分析：

（1）钟罩、mt、PVTt法气体流量装置建设投资大,工作时要求在20℃±1℃的工况条件下进行工作。

（2）涡轮、超声流量计标准表形式的检定装置投资小，工况条件可以满足现场使用条件，但是该种方法选用的工作标准涡轮流量计、超声流量计需要定期拆下来送到原级流量实验室进行全量程检定，这个检定过程存在两个方面的问题，首先检定时的工况条件和安装使用条件的不一致及送检运输过程对它们不确定度影响都无法通过技术手段进行修正；其次JJG 1030-2007《超声流量计》和JJG 1037-2008《涡轮量计》检定规程要求装置的扩展不确定度应不大于流量计最大允许误差绝对值的1/3。按照检定规程的要求目前国内能够检定示值误差≤±0.3%标准流量计只有在国家站、南京分站的原级或传递标准上进行量值传递检定或比对测试。这样对于大于DN200口径的标准表的检定或比对测试将受到了较大的限制。

（3）组合喷嘴式流量标准装置是目前国际、国内常用的一种气体流量量值传递的标准装置，该种形式装置的投资不高，工况条件要求不苛刻，可以满足现场在线工作条件。其优点有以下几个方面：①该种形式标准装置标准器选用的是具有不同喉径尺寸的临界流文丘里喷嘴组合而成，按照JJG 620-2008《临界流文丘里喷嘴》检定规程规定，喷嘴可以每5年拆下一次送到实验室进行实流检定或采用几何尺寸检测的方法进行检定[1]。该种形式的装置量值传递简单方便；②组合喷嘴式流量标准装置的扩展不确定度能做到0.3%左右，可以满足现场工作流量计的量值传递要求；③由于该种形式的装置是以喷嘴组合形式进行设计，其流量范围可以按照现场工作流量计的工况条件进行设计[2]。

通过以上分析，实现中、高压天然气流量计现场在线检定选用组合喷嘴形式技术方案建立检定装置较为可行。

组合喷嘴式气体流量检定装置研究

由于该形式喷嘴装置要求能在中、高压天然气输送的工况条件下工作，首先要考虑中、高压天然气的流通、切断密封方法和使用运行条件下的安全可靠性设计。

1 中、高压天然气流通、切断密封阀设计

由于中、高压天然气在管道内输送一般都在1～10MPa压力下流动运行。直接进行切断密封很难实现。必须设计专用机械结构的压力平衡密封阀来实现其功能（图1）。

该阀工作原理为：在密封工作状态时，高压气体从装置结构体4的入口进入，通过喷嘴8和密封塞7的中心孔进入到密封连接体5内，使密封塞7上下的气体压力一样，保证气缸1内的气体密封压力不受装置内高压气体流通压力的影响，保证该密封阀工作状态密封稳定可靠。在流通工作状态时，密封塞6提起，高压气体从装置结构体4的入口进入，通过喷嘴8计量后，经过密封连接体5下端的4个对称方孔到装置结构体的出口经过工艺管线进入输送管线完成检定计量过程。

2 装置结构设计

由于天然气流量计在线检定装置是选用文丘里喷嘴做为标准器，在中、高压天然气输送状态下实施检定工作的。该检定装置在工作时是利用高压气体流通、切断密封阀实现来实现这一功能的。喷嘴流量检定装置基本组成如图2所示。

装置主要由检定装置、工艺流量切换阀、温压测量仪表、计时器和计算机控制系统组成。装置设计时，根据被检流量计的最大工作流量，考虑满足被检流量计全量程范围内各个检定点的检定要求，选取不同尺寸的喷嘴和不同数量的喷嘴采取并联的形式分布安装在喷嘴装置结构体内。工作时，按照被检流量计检定点的流量选择不同尺寸和不同数量的喷嘴进行组合使之在接近该检定点流量的情况下，打开切断阀，待流量稳定时，在该检定点上实施检定。

装置在整体结构上可以考虑橇装形式，按照装置的技术参数将装置的主体、控制和数据采集与处理系统分别集中设计在两个区域内，然后按照分区工况条件要求设计成轻板结构检定间和检定控制间两部分安装在橇体上。使检定系统形成一个整装计量橇，计量橇运到现场将进出口与工艺预留接口连接就能进行检定工作。

3 控制和数据采集与处理系统

根据检定过程的工艺控制要求，硬件部分设计专用控制器与工业控制计算机一起实现装置检定过程的手动与自动控制两种功能。手动控制与自动控制通过转换开关切换。

软件和数据采集与数据处理系统，通过数据采集卡与计算机软件一起共同实现，具有以下功能：①建立良好的人机工作界面，具有检定过程工艺流程显示功能实现检定工艺过程显示与操作；②实现检定过程数据自动采集生成数据表并进行数据处理；③具有检定数据显示、修改和输出打印功能；④具有数据库存储功能，可以按照仪表型号、检定时间等进行存档、查询和打印输出；⑤可以通过网络系统上传计量检定管理数据到主控室和管部门，方便管理部门进行数据统计与管理。

4 主要设计技术指标

（1）装置的扩展不确定度:U≤0.3%。

（2）工作压力（按照工况条件设计）：1～10MPa。

（3）工作温度：0～30℃。

5 使用安全可靠性设计

装置控制和数据采集与数据处理系统设计使用的专用控制器和工业控制计算机及专用计数器电子控制设备，安装在防爆型控制室内，设备与控制系统采用防爆管穿线形式进行连接，实现控制与设备隔离的安全操作功能。

高压气体流通、切断阀的开、关采用电控气动形式进行控制，微型电控阀设计安装在防爆箱内。气源选用氮气瓶通过减压阀调节在0.6MPa下推动气动密封阀工作。

采用在线天然气流量计检定装置的必要性

（1）按照 GB/T 18603-2001《天然气计量系统技术要求》等有关标准均提出了尽可能实流检定流量仪表的技术要求，这也是今后天然气计量检定的一种趋势。

（2）目前我国天然气外输贸易计量流量仪表配备的准确度等级要求在1.0级以内，检定装置的扩展不确定度要求是流量仪表最大误差绝对值的1/3。如果在线喷嘴检定装置的扩展不确定度为0.3%，流量仪表检定后，贸易交接双方采用流量仪表检定系数进行贸易交接可以减少贸易误差±0.3%左右。按照我国目前天然气年输量1 150.5×109m3计算，其经济效益是非常惊人的。同时可以减少贸易纠纷，提高管理水平。

（3）在天然气流量量值传递方面：喷嘴式流量标准装置标准器选用的是具有不同喉径尺寸的临界流文丘里喷嘴组合而成，按照JJG 620-2008《临界流文丘里喷嘴》检定规程，喷嘴可以每5年拆下一次送到实验室进行实流检定或采用几何尺寸检测的方法进行检定。该种形式的装置使得天然气流量量值传递简单方便。

（4）解决了离线检定时存在的诸多问题：①检定时的工况条件和安装使用条件的不一致及送检运输过程对标准表不确定度影响无法通过技术手段进行修正的问题；②依托天然气管网建设计量站、输气管网的运行要受到季节、安全、工艺要求制约的问题；③离线检定需要定期将流量仪表拆下送到检定站进行检定，运输距离一般都较远，拆装、运输费用较高，受检定条件限制有时不能及时检定，影响输气计量工作；④由于受到检定站检定能力限制，送检的计量仪表不能完全模拟工况条件和进行全量程检定的问题。

（5）由于天然气流量计是在中、高压工况条件下运行的，拆、装送检这些仪表必须严格按照操作规程进行，具有很高的危险事故系数，采用在线检定方式只需要流程的切换即能实现检定过程，消除了安全隐患。

[1]JJG 620-2008临界流文丘里喷嘴检定规程[S].

[2]孙为清,王建中.流量测量节流装置设计手册[M].北京:化学工业出版社,2000.

In the light of the current status and problems in the verification of natural gas flowmeters,it is pointed out that according to the present developing situation of domestic mechanical manufacture technology there are certain feasibility,significance and necessity in studying and designing the online verifying equipment of natural gas flowmeters.Therefore,a feasible technology program has been put forward about the transfer methods of trade metering value about the natural gas flowmeters of middle and high pressure.

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方永杰（1961-），男，国家一级注册计量师，现主要从事计量检定室从事流量计量技术研究、设计和管理工作。

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2010-05-04