發布日期：2022-04-27 點擊率：166
摘 要： 天然氣貿易交接計量在天然氣貿易中起著重要作用，天然氣流量計的準確度直接影響企業的經濟效益，然而高壓天然氣流量計的精確檢定仍是一個難題。高壓活塞式（HighPressurePistonPlover簡稱HPPP）氣體流量標準裝置具有流量穩定、準確度高等特點。研究HPPP法原理并將其應用于天然氣檢定站場的檢定工藝流程和量值傳遞溯源。
關鍵字： HPPP氣體流量標準裝置；量值溯源
天然氣作為一種優質、高效、潔凈的能源和化工原料，已經成為世界三大能源支柱之一。進入21世紀，我國天然氣工業得到了迅速發展。天然氣貿易交接計量在天然氣作為商品的流通環節中起著舉足輕重的作用。隨著我國“西氣東輸”、“川氣東送”、“海氣登陸”、“俄氣南下”和“液化天然氣上岸”等多條跨地區、跨國界的天然氣輸氣干線工程的實施和建設，天然氣貿易量每年在成倍增長。因此，隨著天然氣貿易交接計量工作量的增加，天然氣流量計量的準確性愈加成為關注的焦點[1]。由此針對校準氣體流量計準確度的檢定標準裝置的研究工作也愈發顯得重要。
1 常見氣體流量標準裝置
氣體流量標準裝置是能夠提供確定準確度，用于校準工作流量計或流量計量系統，并在國家計量部門授權的檢定裝置上檢定（或校準）其準確度的成套裝置。氣體流量標準裝置結構各異，但至少應具備壓源、測試管路、流量計量標準器具、流量調節閥及控制設備五個部分。通用的氣體流量計量標定裝置一般以空氣為介質，而天然氣流量計量標準是以天然氣為介質。
氣體流量標準裝置的主要作用如下：
（1）作為流量量值統一與傳遞的標準設備，復現氣體流量標準值；
（2）進行流量儀表的性能測試，確定儀表的準確度、穩定性等計量性能；
（3）開展氣體流量計量技術、檢定方法等有關的試驗研究。
根據原理、準確度等級和現場條件等的不同，檢定天然氣流量計的氣體流量標準裝置的主要形式有鐘罩式氣體流量標準裝置，PVTt法氣體流量標準裝置和HPPP法氣體流量標準裝置。
1.1 鐘罩式氣體流量標準裝置
鐘罩式氣體流量標準裝置在國內外較常采用。它是一個上部有頂蓋下部開口的容器。液槽內由于盛滿不易揮發的油（或水）而形成液封，因而鐘罩內形成了一個密封的、可儲氣的容器空間。為了避免晃動，鐘罩兩邊和鐘罩內下部都裝有導軌，立柱上也有導軌，通過滑輪配重物來平衡鐘罩內的壓力。當鐘罩下降時，隨著鐘罩侵沒在液體中深度的增加，鐘罩所受浮力也增大。鐘罩計量器上一般都有一個補償機構使鐘罩內的余壓不隨鐘罩侵入水中或油中的深度而改變，保證鐘罩計量器內氣體的流動為定常流動。這樣便可由鐘罩下降距離求得與之對應排出氣體的體積ΔV，再由下降這段距離所需要的時間Δt計算出通過流量計的流量。
鐘罩式氣體流量標準裝置具有精度高、流量范圍適中，原理和結構簡單等優點，但它的工作壓力較低（一般小于10kPa），不能滿足高精度或大流量以及壓力損失較大場合的要求。目前，世界上最大的鐘罩裝置的標準容積可達64m3，國內鐘罩的最大容積為20m3。鐘罩裝置的氣體國家基準的流量范圍是（0.13～120）m3/h，不確定度為0.12%。
1.2 PVTt法氣體流量標準裝置
PVTt法氣體流量標準裝置是指某一段時間間隔Δt內，氣體流入或流出容積為V的容器，根據容器內壓力P和熱力學溫度T的變化，求得氣體流量的標準裝置，其結構簡圖如圖1所示。
圖1 PVTt法氣體流量標準裝置結構簡圖
PVTt法氣體流量標準裝置按使用時氣體進出標準容器的方向，可分為流入式和流出式。所謂流入式是指氣體通過被檢計量儀表進入標準容器；流出式是指使用標準空氣充氣，并達到一定的壓力，然后通過被檢儀表向外排放。假如采用流出法，先向標準容器中充氣，待溫度穩定后讀取容器內氣體的壓力Ps，溫度Ts，然后用標準容器通過被檢儀表放氣，經過一段時間Δt后，關閉放氣閥。待標準容器中氣體的溫度穩定后再讀出標準容器內氣體的壓力PE，溫度TE。若標準容器內的溫度Ts、TE與室溫一致，便可由理想氣體方程式得到：
式中：P—被檢流量計上游側壓力；q—被檢流量計的流量。
PVTt法氣體流量標準裝置的關鍵是如何精確標定標準容器的容積。使用氣標法標定容器的容積，不確定度可以控制在0.105%以內。PVTt法裝置的準確度優于0.11級，其國家基準的流量范圍是（0.11～1300）m3/h，不確定度為0.105%（k=2）[2]。
2 HPPP法氣體流量標準裝置原理
HPPP法氣體流量標準裝置由具有恒定截面和已知容積的管段組成，活塞以自由置換或強制置換的方式在其內往復運動，根據活塞通過該管段所需時間可得到氣體的標準體積流量。檢測開關可確定活塞進入和離開標準管段的時間間隔，標準管段的容積采用水驅法由標準量器確定。
原級標準采用HPPP法首次應用于德國的Pigsar檢定站，其裝置的不確定度為0.01%[3]。HPPP法氣體流量標準裝置的工作介質可以為空氣、天然氣等多種氣體。裝置的流量范圍和工作壓力同樣取決于標準管段的容積及其壓力等級。在裝置工作時，要確保活塞在標準管段內平穩移動，以獲得較為穩定的標準氣體流量，其結構簡圖如圖2所示。
圖2 HPPP法氣體流量標準裝置圖
3 HPPP法檢定工藝流程
由于HPPP法的不確定度較小，因此在實際天然氣流量計檢定站中常常被用作原級檢定標準。當它作為原級標準裝置檢定次級標準裝置（以音速噴嘴氣體流量標準裝置為例）時，其檢定流程如下：
分輸站（天然氣支干線）來氣→分離器→一級穩壓→小流量二級穩壓→HPPP氣缸→音速噴嘴氣體流量標準，待檢定結束后，經四通換向閥換向，活塞回位→壓縮機→天然氣支干線。
當它作為原級標準裝置檢定高準確度小口徑流量計時，其流程如下：
分輸站來氣→分離器→一級穩壓→小流量二級穩壓→HPPP氣缸→高精度小口徑流量計，待檢定結束后，經四通換向閥換向，活塞回位→壓縮機→天然氣支干線。
HPPP法檢定步驟如下：
關閉位于側面的閥門，打開最下面的閥門，天然氣經調壓、穩流后流經氣缸及檢定管路，當溫度達到穩定要求后，關閉最下面的閥門，打開側面的閥門，電機推動活塞勻速前進（活塞前后壓差很小），當活塞達到第一個控制點時，控制系統準備就緒，當活塞達到第二個控制點時，控制系統記錄下當前時間，脈沖記錄設備開始記數，經過△t時間后，活塞達到第四個控制點時，控制系統記錄下當前時間，脈沖記錄設備停止記數，第二與第四控制點之間的體積為有效檢定容積△V，由此可以計算到流經渦輪表的瞬時工況體積流量qv=△V/△t；活塞繼續前進，當通過最后一個控制點后，打開位于右邊的閥門，活塞停止前進，然后切換四通閥，天然氣反向進入氣缸，推動活塞回位，檢定過程結束。
4 HPPP法量值傳遞溯源
從計量學的基本原理看，溯源性與準確性、一致性一樣，是計量結果的一種基本屬性。常常將其定義為計量結果可以通過連續的、已知不確定度的溯源鏈與合適的國際或國家標準相聯系。溯源性是指在要求進行的測量過程與被認為是“基準的”或“無可爭議的”某個量值或一組量值之間存在的一條連續的、相互聯系的并經驗證的通道（即溯源鏈）。具有完整溯源性的測量數據應該可以清晰地追溯到SI制基本單位[4]。
然而由于天然氣屬于易燃、易爆的動態可壓縮氣體，因此天然氣流量量值溯源過程中安全性便成為首要約束條件，且天然氣的流量量值不易于復現。天然氣屬于多組分混合氣體，組分的變化會引起相對密度、發熱量、壓縮因子、等熵指數、臨界流函數等物性參數的變化，而這些參數直接參與天然氣流量計算，對流量結果有直接影響。所以要保證天然氣計量最終結果的準確可靠，必須保證天然氣流量計量和分析測試兩個方面均具有良好的溯源性[5]。
對于高壓天然氣其流量量值溯源體系主要由原級標準裝置（HPPP）、次級標準裝置、工作級標準裝置和核查標準裝置組成。以采用三級標準檢定，原級流量標準裝置采用HPPP（流量范圍8～480m3/h，不確定度U=0.06%）；次級流量標準裝置采用音速噴嘴氣體流量裝置（流量范圍8～1460m3/h，不確定度U=0.16%）；工作標準采用渦輪標準流量計（流量范圍8～14000m3/h，不確定度U=0.25%）；超聲流量計（流量范圍20～14000m3/h，不確定度U=0.25%）作為核查標準為例，測量數據經過溯源最終可以追溯到時間和長度兩個SI基準。其檢定過程的量值傳遞溯源圖如圖3所示。
圖4 HPPP法原級標準裝置檢定過程的量值溯源圖
5 結語
HPPP法被用作原級標準檢定天然氣流量計具有流量穩定、準確度高等特點，由于受技術限制在國內其應用并不廣泛。在采用HPPP作為檢定天然氣流量計的標準裝置建設過程中，必須加強與國際間的技術交流和量值比對，以實現我國天然氣工業國際化發展。
參考文獻
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[3]張云田.高壓天然氣計量器具實標裝置[J].城市燃氣，2002，16（5）：23-24.
[4]陳庚良.論天然氣組成分析的溯源性[J].石油與天然氣化工，2008，37（3）：243.
[5]徐明，吳運逸.淺談天然氣流量量值溯源[J].石油工業技術監督，2009（2）：38.
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