概述

為了滿(mǎn)足不斷增長(cháng)的天然氣流量計檢定的需求，中國計量行政管理部門(mén)授權建立了guojia石油天然氣大流量計量站及其成都分站、南京分站等十余個(gè)法定計量檢定機構，在這些機構內都建立了天然氣流量標準裝置。目前，已經(jīng)建成 3 套中高壓天然氣流量原級標準，已經(jīng)建成和在建 23 套由臨界流噴嘴和標準渦輪流量計構成的標準表法流量標準裝置，每年檢定和校準的天然氣流量計 2 000 余臺次，中國的天然氣流量計量檢定技術(shù)水平和能力均處于國際先金行列。

 

多個(gè)機構的多套天然氣流量標準裝置的投運有效解決了貿易用流量計的檢定問(wèn)題，但也出現了一個(gè)新問(wèn)題，就是要如何有效地開(kāi)展天然氣流量標準裝置的管理，保證測量結果和檢定結果的準確性和一致性。對天然氣流量標準裝置能力的驗證方法主要是期間核查和比對，本文僅對期間核查方法進(jìn)行討論。 

 

2 影響流量計檢定結果準確性的因素分析

2. 1 工作原理

采用標準表法天然氣流量標準裝置檢定流量計的原理圖如圖 1 所示。圖中標準流量計 MM 和被檢流量計 MUT 用管道連接，在一定的時(shí)間間隔內，流入標準流量計 MM 的質(zhì)量流量為 m1，流入被檢流量計 MUT 的質(zhì)量流量為 m2，min和 mout是因閥門(mén)泄漏等原因流入和流出檢定管路中的流量， Δm 是因過(guò)程參數變化引起的標準流量計和被檢流量計間管容內質(zhì)量變化量，Q 為流量計測量的體積流量 m3，p 和 T 是流量計處天然氣的壓力 Pa 和溫度 K，下標 s 表示標準流量計處的參數，下標 m表示被檢流量計處的參數。

依據流體流動(dòng)的連續性原理可得:

根據氣體狀態(tài)方程可得:

式中: V 為附加管容的容積，m3 ; p、Δp 分別為附加管容內天然氣壓力和變化量，Pa; T、ΔT 分別為附加管容內天然氣溫度和變化量，K; M 為天然氣的摩爾質(zhì)量，kg /kmol; Z 為天然氣的壓縮因子， 1; Ｒ 為通用氣體常數，kJ/( kmol·K) 。

 

目前常用的流量計多數是測量體積流量。被檢流量計的示值誤差用式 ( 3) 計算

式中: Qs，m為標準流量計測量的流量換算到被檢流量計工況條件下的流量值，m3。

 

如果檢定管路系統沒(méi)有因閥門(mén)泄漏引起的匯流或漏流，且當流動(dòng)達到穩定狀態(tài)時(shí)，有 min = 0， mout = 0，Δm = 0，所以 m1 = m2。亦即，只有這時(shí)才能保證流過(guò)標準流量計和被檢流量計的量值相等，用式 ( 3) 計算的示值誤差才能真實(shí)反映被檢流量計的性能。

 

2. 2 影響流量計檢定結果的因素分析

在實(shí)際過(guò)程中，很多因素都會(huì )對流量計的檢定結果產(chǎn)生影響，可歸納為如下三個(gè)方面。 

( 1) 工藝設備完好性的影響。如果閥門(mén)存在泄漏，或是連接法蘭存在泄漏，則式 ( 1) 中 min ≠0，或 mout ≠0，從而影響被檢流量計的測量結果。

( 2) 工況參數穩定性的影響。如果檢定過(guò)程中，如果工藝參數不穩定，或是操作人員經(jīng)驗不足，造成工況參數變化時(shí)，則式 ( 2) 中 Δp≠0， 或 ΔT≠0，所以 Δm≠0，從而影響被檢流量計的測量結果。以某實(shí)驗室標準表法天然氣流量標準裝置為例，當檢定過(guò)程中附加管容中的溫度變化0. 2 ℃，或壓力變化 5 kPa 時(shí)，引起的被檢流量計示值誤差變化的覺(jué)對值可達 0. 07%［1］。

 ( 3) 計量器具測量不準確帶來(lái)的影響。如果標準流量計測量不準確，或是溫度和壓力等輔助測量?jì)x表測量不準確，都會(huì )影響用式

( 4) 計算的換算到被檢流量計處體積量值的準確性，進(jìn)而影響流量計的檢定結果。測量結果不準確不一定是計量器具本身的問(wèn)題，還可能是因安裝條件或環(huán)境條件造成的。以某實(shí)驗室標準表法天然氣流量標準裝置為例，當被檢流量計處溫度測量誤差為0. 2 ℃，或壓力測量誤差為 5 kPa 時(shí)，引起的被檢流量計示值誤差變化的覺(jué)對值可達 0. 1%［1］。

 

可見(jiàn)，天然氣流量計的檢定結果受工藝設備完好性、工況參數穩定性和計量器具測量準確性等多種因素的影響。為了保證天然氣流量標準裝置的準確性和檢定結果的可靠性，對這些影響因素都必須進(jìn)行嚴格監視和控制。 

 

3 存在的問(wèn)題

 

目前，國內外還沒(méi)有關(guān)于天然氣流量標準裝置期間核查的技術(shù)標準，各計量檢定機構開(kāi)展期間核查的做法也不統一和規范，存在的主要典型問(wèn)題如下。

 ( 1) 管理不規范。有的實(shí)驗室沒(méi)有建立期間核查的制度，或是沒(méi)有配備期間核查標準，或是期間核查的工作開(kāi)展沒(méi)有計劃、不夠規范。

 ( 2) 將對標準流量計的校準視為期間核查。由前面的討論分析可知，對計量器具實(shí)施檢定或校準，只能解決計量器具測量的準確性問(wèn)題，并不能完全包含閥門(mén)設備和操作條件的影響。例如，檢定流量計的工藝流程與檢定標準流量計的流程是不一樣的。

 ( 3) 將用安裝在標準流量計上游的核查表對標準流量計的測試結果視為期間核查。用該種方法只能是對標準流量計性能進(jìn)行監視的一種手段，不能監視整個(gè)裝置的性能。例如，該核查結果中不會(huì )包含式 ( 1) 、 ( 2) 和 ( 4) 中附加管容和被檢流量計處工況參數測量準確性的影響。

 ( 4) 對流量標準裝置期間核查的評價(jià)指標不全面。僅按 JJF 1033 的要求考慮了計量標準的重復性和穩定性，而忽視了選用不同的標準流量計檢定結果不一致的問(wèn)題。筆者在對多個(gè)實(shí)驗室的天然氣流量標準裝置進(jìn)行建標考核時(shí)，發(fā)現有的實(shí)驗室用不同標準流量計在相同條件下對同一臺被檢流量計的測試結果的偏差超過(guò) 0. 5% ，遠大于標準裝置的測量不確定度。

 ( 5) 期間核查的流量范圍沒(méi)有涵蓋流量標準裝置的流量測量范圍。有的實(shí)驗室只是在幾個(gè)流量點(diǎn)進(jìn)行了測試，沒(méi)有對流量標準裝置的#小和#大流量進(jìn)行測試，也沒(méi)有對每臺標準流量計的#小和#大工作流量進(jìn)行測試，而計量標準的#小流量基本都是在標準流量計的分界流量以下，測量不確定度會(huì )增大，存在用不同標準流量計測量結果不一致的可能性比較大。 

( 6) 用比對代替期間核查，概念混淆。在 JJF 1001 中，給出比對的定義是在規定條件下，對相同準確度等級或指定不確定度范圍的同種測量?jì)x器復現的量值之間比較的過(guò)程，其目的是考察不同實(shí)驗室或計量標準測量量值和出具測量結果的準確一致的程度; 而期間核查的定義是根據規定程序，為了確定計量標準、標準物質(zhì)或其他測量?jì)x器是否保持其原有狀態(tài)而進(jìn)行的操作，其目的是防止由于標準的失準造成傳遞的失準，并有效縮短失準后追溯的時(shí)間。二者的概念和目的是不一樣的，做好期間核查是開(kāi)展比對的基礎。由此可見(jiàn)，制定和規范天然氣流量標準裝置期間核查的方法具有重要作用和意義。

 

 4 期間核查的實(shí)施

本文僅針對開(kāi)展天然氣流量標準裝置期間核查的特殊要求進(jìn)行探討，通用要求可參照 CNAS- GL042。在開(kāi)展天然氣流量標準裝置的期間核查時(shí)，建議考慮如下問(wèn)題。

 

4. 1 制定管理制度

實(shí)驗室應當按照 JJF 1069 的要求編制程序文件，明確天然氣流量標準裝置期間核查的計劃、方法、結 果 評 估、核查標準保存和數據存檔等內容。 

 

4. 2 引入流量標準裝置復現性的概念

在 JJF 1033 中有對計量標準重復性和穩定性測試的要求，但不能對天然氣流量標準裝置中用不同標準流量計測量結果的一致性進(jìn)行評價(jià)。本文創(chuàng )新地給出了流量標準裝置復現性的概念和技術(shù)指標。在 JJF 1001 中給出的測量復現性定義是在復現性條件下的測量精密度，復現性測量條件是不同地點(diǎn)、不同操作者、不同測量系統，對同一或類(lèi)似被測對象重復測量的一組測量條件。在本文件中流量標準裝置復現性是指用天然氣流量計量標準中不同標準流量計或其組合對核查標準測試結果的一致性，用核查標準示值誤差的差值進(jìn)行評價(jià)。 

 

4. 3 核查標準的配備

( 1) 核查標準的性能。由于流量是個(gè)動(dòng)態(tài)量，沒(méi)有公認的固定的標準，所以，核查標準應具有良好的穩定性和重復性。原則上講任何一種能證明計量性能相對穩定且輸出信號可以被天然氣流量標準裝置的數據采集處理系統接收的流量計都可以用作核查標準。目前，常用的流量計是渦輪流量計和超聲流量計。小流量可選容積式流量計。

 

 ( 2) 核查標準的準確度等級。應盡量選擇性能穩定的流量計作為核查標準。建議選用的核查標準的流量計的準確度等級不低于天然氣流量標準裝置中標準流量計的準確度等級。

 

 ( 3) 核查標準的測量范圍。核查標準的流量測量范圍應覆蓋天然氣流量計量標準裝置中每臺標準流量計的#小工作流量和#大工作流量。宜至少配備一套大口徑核查標準，其流量范圍覆蓋天然氣流量計量標準裝置的#大流量。如配備多套核查標準，宜由工作原理不同的流量計構成，兩套核查標準間宜有部分重疊的測量測量范圍，以便相互驗證。 

 

( 4) 核查標準的設計壓力。核查標準的設計壓力應不低于天然氣流量標準裝置工藝管道的設計壓力。

 

( 5) 核查標準的結構。核查標準宜做成一個(gè)組件，即應包括流量計及其上下游直管段和整流器，且核查標準的流量計及其上下游直管段和整流器應作為一個(gè)組件采用固定安裝方式，組件應有吊點(diǎn)和防傾倒措施。由渦輪流量計構成的核查標準的安裝條件應符合 GB /T 21391 的要求，上游直管段不少于 10D，在 5D 處安裝管束式流動(dòng)整流器，下游直管段 5D。由超聲流量計構成的核查標準的安裝條件應符合 GB /T 18604 的要求，上游直管段不少于 20D，在 10D 處安裝板孔式流動(dòng)整流

器，下游直管段 10D。

 

 (6) 核查標準的保存。核查標準應妥善保管，應有固定的包裝箱存放和運輸。應使可能影響核查標準計量性能的環(huán)境條件都能滿(mǎn)足要求，如溫度、濕度、電磁場(chǎng)、振動(dòng)等。應盡量避免核查標準用于其它與期間核查無(wú)關(guān)的活動(dòng)，以便保證核查標準的計量性能。 

 

4. 4 期間核查的實(shí)施

( 1) 實(shí)施期間核查的時(shí)機。對天然氣流量標準裝置期間核查宜采取定期核查與不定期核查相結合的方式，不應限于標準流量計兩次校準間進(jìn)行�？紤]到流量測量的復雜性，建議在標準流量計及輔助儀表校準后即進(jìn)行一次期間核查; 在兩次校準之間，或是懷疑標準裝置性能有變化時(shí)，或是當用標準裝置檢定或校準重要的流量計時(shí)，或是移動(dòng)式流量標準裝置用于外出開(kāi)展檢定或校準任務(wù)或從外出開(kāi)展檢定或校準任務(wù)回到實(shí)驗室時(shí)，宜實(shí)施期間核查。

（ 2) 核查標準的安裝位置。為了能在期間核查的結果中包含由計量器具準確性、工藝設備完好性和操作正確性等各種因素的影響，建議在進(jìn)行期間核查時(shí)將核查標準安裝在被檢流量計的測試臺位上。

 ( 3) 期間核查測試的對象。期間核查測試的對象包括對流量標準裝置中單臺標準流量計測試和多臺標準流量計組合測試。

 ( 4) 期間核查的技術(shù)指標。流量標準裝置技術(shù)指標包括對每臺標準流量計及標準流量計組合的重復性、復現性和穩定性。在用同yiliu量點(diǎn)下，用核查標準示值誤差的標準偏差計算重復性; 用不同標準流量計或標準流量計組合測得的核查標準示值誤差的#大偏差計算復現性; 用一段時(shí)間內同一標準流量計或標準流量計組合兩次測試核查標準示值誤差的差值計算穩定性。

 ( 5) 期間核查的流量點(diǎn)。選擇的核查流量應至少可對標準裝置中每臺標準流量計工作的#小流量和#大流量進(jìn)行測試。對于單臺標準流量計測試，宜至少選擇 3 個(gè)流量點(diǎn)，即工作的#小流量 qmin、工作的#大流量 qmax，以及#小流量和#大流量之間的一個(gè)流量點(diǎn)，實(shí)驗室可以根據 標 準表的性能選 擇 流 量 點(diǎn)，tuijian選用標準表的分界流量 qt 或是 0. 4qmax ; 對于多臺標準流量計的組合測試，宜 至 少 選 擇 3 個(gè) 流 量 點(diǎn)，即 組 合 測 量的#大流量 點(diǎn)、#小流量點(diǎn)及#大流量點(diǎn)和#小流量點(diǎn)之間的一個(gè)流量點(diǎn)。如果實(shí)驗室對不同流量點(diǎn)規定用固定的標準流量計或其組合，則可僅針對這些確定的標準流量計或其組合進(jìn)行測試即可。

 ( 6) 期間核查重復測量的次數。對核查標準

在一個(gè)流量點(diǎn)下重復測量的次數宜不低于 6 次。

 

 4. 5 期間核查結果的評價(jià)

( 1) 重復性評價(jià)。各流量點(diǎn)測試結果的重復性如果小于流量標準裝置進(jìn)行#佳能力評價(jià)時(shí)測量結果的重復性，則重復性核查滿(mǎn)足要求; 否則應查找原因，重新進(jìn)行核查測試，或是對流量標準裝置的#佳能力重新評估。

 ( 2) 復現性評價(jià)。各標準流量計或其組合測試結果的復現性如果不大于流量標準裝置的擴展不確定度，則復現性核查結果滿(mǎn)足要求; 否則應查找原因，重新進(jìn)行核查測試，或是對流量標準裝置的擴展不確定度重新評估。

 ( 3) 穩定性評價(jià)。各標準流量計或其組合測試結果的穩定性覺(jué)對值如果小于流量標準裝置的擴展不確定度，則穩定性核查結果滿(mǎn)足要求; 否則應查找原因，重新進(jìn)行核查測試，或是對流量標準裝置的擴展不確定度重新評估。

 

 5 結束語(yǔ)

( 1) 本文創(chuàng )新地引入了流量標準裝置復現性的概念和評價(jià)方法，能夠及時(shí)發(fā)現用流量標準裝置中不同標準流量計或其組合的測量結果是否一致的問(wèn)題。

 ( 2) 實(shí)施期間核查時(shí)將核查標準安裝在被檢流量計臺位上，不僅能發(fā)現計量標準器具及輔助計量器具準確性對測量準確性的影響，還能發(fā)現工況參數不穩定及工藝設備不完善帶來(lái)的影響，能真正 起 到 對 整 個(gè) 標 準 裝 置 進(jìn)行期間核查的作用。( 3) 本文介紹的期間核查方法包含了對流量標準裝置中每臺標準流量計#小工作流量和#大工作流量及其組合的測量，實(shí)現了流量范圍全覆蓋的性能測試。

 

計量的核心內容是保證量值的準確一致。我們應當追求量值在準確基礎上的一致。實(shí)踐證明，本文tuijian的天然氣流量標準裝置的期間核查方法對于保證天然氣流量測量結果的準確性和一致性具有重要的指導作用。本文介紹的期間核查方法亦可用于計量標準的建標測試。