天然氣孔板流量計(jì)的不確定度研究

引言

孔板流量計(jì)在 20 世紀(jì)使用于天然氣流量測(cè)量，經(jīng)過一個(gè)世紀(jì)漫長(zhǎng)的發(fā)展過程，它已成為全世界最主要的天然氣流量計(jì)。目前我國(guó)天然氣計(jì)量專業(yè)性標(biāo)準(zhǔn)為《天然氣流量的標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)量方法》(sy/t6143- 1996)[1]。

1 天然氣孔板流量計(jì)的組成

孔板流量計(jì)由產(chǎn)生壓差的一次裝置-孔板節(jié)流裝置和二次檢測(cè)儀表-差壓計(jì)、壓力計(jì)、溫度計(jì)和相關(guān)參數(shù)儀器儀表加信號(hào)引線等組成，如圖 1 所示。

2 天然氣孔板流量計(jì)適用條件

孔板流量計(jì)是以相似原理為根據(jù)，以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的瞬時(shí)流量計(jì)，從一次裝置的幾何尺寸到流體流動(dòng)狀態(tài)都有一定的要求。

2.1 一次裝置幾何尺寸限制條件

sy/t 6143—1996 要求：

孔板開孔直徑 d≥12.5mm;

測(cè)量管內(nèi)徑必須滿足 50mm≤d≤1000mm;

孔徑比必須滿足 0.20≤β≤0.75;

一次裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工、裝配、安裝、檢驗(yàn)和使用必須符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的全部技術(shù)要求。

2.2 氣質(zhì)和氣流狀態(tài)條件

sy/t6143- 1996 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，氣流必須是單相的牛頓流體，若氣體含有質(zhì)量成分不超過 2%的固體或液體微粒，且成均勻分散狀態(tài)，也可以認(rèn)為是單相的牛頓流體。

我國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) sy/t 7514《天然氣》標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的各種類別天然氣都適用。

2.3 流動(dòng)狀態(tài)的要求

孔板流量計(jì)的流出系數(shù) c 是在特定的實(shí)驗(yàn)室參比條件下，通過大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)得出的計(jì)算方法，并通過實(shí)踐檢驗(yàn)是正確的。同時(shí)，差壓式流量計(jì)算基本方程的推導(dǎo)也是基于這樣的假設(shè)流動(dòng)條件下，偏離標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的流動(dòng)狀態(tài)條件將會(huì)產(chǎn)生難以估計(jì)的流量測(cè)量不確定度。因此，氣流流動(dòng)狀態(tài)應(yīng)符合如下四條要求：

(1) 天然氣通過孔板節(jié)流裝置的流動(dòng)必須是亞音速的、穩(wěn)定的或僅隨時(shí)間緩慢變化的，無脈動(dòng)流存在。

(2)天然氣流必須是單相的牛頓流體。

(3)天然氣流流進(jìn)孔板以前，其流速必須是與管道軸線平行，對(duì)稱充分發(fā)展的速度分布剖面，無旋轉(zhuǎn)流存在。

(4)天然氣通過孔板節(jié)流裝置的流動(dòng)，必須保持孔板下游靜壓與孔板上游靜壓之比不小于 0.75，管道雷諾數(shù)re≥5000(角接取壓)和管道雷諾數(shù) re≥1260β2d(法蘭取壓)。

因此，在選型設(shè)計(jì)時(shí)一定要配合計(jì)量站工藝參數(shù)仔細(xì)核算和流態(tài)分析，力爭(zhēng)達(dá)到最佳的流量測(cè)量效果。

3 準(zhǔn)確度要求和不確定度分析

3.1 流量計(jì)量準(zhǔn)確度的要求

國(guó)際法制計(jì)量組織(oiml)流量計(jì)量技術(shù)委員會(huì)的氣體計(jì)量分委員會(huì)于 1997 年制定了“氣體燃料計(jì)量系統(tǒng)”國(guó)際建議。歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)起草了歐共體標(biāo)準(zhǔn) pren1776 “天然氣計(jì)量系統(tǒng)的基本要求”[3]。它們都是為提高和確保天然氣計(jì)量準(zhǔn)確度而對(duì)輸配計(jì)量站的設(shè)計(jì)、建設(shè)、投產(chǎn)、操作和維修等方面提出的基本技術(shù)要求。

國(guó)際建議中將計(jì)量站分為 a、b、c 三個(gè)等級(jí)，對(duì)不同的流量規(guī)模配備的二次測(cè)量?jī)x表要求不同。該建議適用于流量等于或大于 100m3/h，運(yùn)行壓力不低于 0.2mpa 的情況。它對(duì)熱值測(cè)量、測(cè)溫、測(cè)壓、取樣以及包括指示、打印、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換和積算等系統(tǒng)部件或設(shè)備都作了相應(yīng)的技術(shù)規(guī)定。表 1 為測(cè)量?jī)x表和計(jì)算結(jié)果的最大允許誤差(準(zhǔn)確度)。

3.2 孔板流量計(jì)不確定度變化范圍分析標(biāo)準(zhǔn) iso 5167、gb/t2624- 93、sy/t6143—1996, 以及 aga no3 報(bào)告估算流量測(cè)量不確定度公式都是相同的，估算的方法大同小異，其不確定度值大致相等，結(jié)論大體一致，如圖 2 所示。

3.2.1 一次裝置不確定度變化分析

流出系數(shù)不確定度變化當(dāng)直管段長(zhǎng)度符合 sy/t6143—1996 的規(guī)定的數(shù)值 a(表 2 中不帶括號(hào)中的數(shù)值)，圓度滿足不大于±0.3%的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)孔板開孔軸線與上下游測(cè)量管軸線之間的距離為 ex：

則流出系數(shù)不確定度δc/c 只隨 β 值的不同而不同。

此時(shí)，當(dāng)β ≤0.6 時(shí)，則 δc/c=±0.6% ;當(dāng) β>0.60 時(shí)，則δc/c=±β%[2]。

3.2.2 天然氣物性測(cè)量不確定度變化分析

(1)天然氣可膨脹性系數(shù)不確定度的估算a.天然氣可膨脹性系數(shù)的不確定度

δε/ε=±4(δp/p1)%

它與孔板流量計(jì)實(shí)測(cè)差壓δp 成正比，與靜壓 p1 成反比。

目前在天然氣計(jì)量中差壓值一般在 50000pa 之內(nèi)，靜壓在 1~10mpa 范圍內(nèi)，因此 δε/ε 最小為±0.00002%，最大為±0.2%或更大[4]。

b.當(dāng)上游或下游直管段長(zhǎng)度小于該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定數(shù)值 a(表 1 中不帶括號(hào)中的數(shù)值)，又等于或大于數(shù)值(表 1 中帶括號(hào)中的數(shù)值)時(shí)，則應(yīng)在流出系數(shù)不確定度上相加±0.5%的附加不確定度。

c. 當(dāng)在上游直管段長(zhǎng)度范圍內(nèi)的任何臺(tái)階超過±0.3%圓度要求，但符合下列公式時(shí)，應(yīng)在流出系數(shù)不確定度上相加±0.2%的附加不確定度。

d. 當(dāng)孔板開孔軸線與上下游測(cè)量管軸線之間的距離ex不滿足公式(1)，但滿足(2)，則應(yīng)在流出系數(shù)不確定度上算術(shù)相加±0.3%的附加不確定度。e. 當(dāng)孔板入口直角邊緣的尖銳度 rk的單測(cè)值與平均值比較，最大偏差在±20%以內(nèi)時(shí)，則在流出系數(shù)不確定度上幾何相加±0.2%的不確定度。

(2)天然氣密度測(cè)量不確定度 δρ/ρ 的估算

根據(jù)目前現(xiàn)場(chǎng)常用儀表的使用范圍，所遵守的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程規(guī)范進(jìn)行具體計(jì)算綜合考慮，在不考慮取氣樣的間隔時(shí)間內(nèi)由于天然氣組分變化(或波動(dòng))所引起的附加不確定度時(shí)，天然氣密度測(cè)量的不確定度δρ/ρ 最小為±1.013%，最大為±1.571%或更大。

由(1)和(2)兩項(xiàng)組成天然氣物性測(cè)量不確定度的變化為：最小為±1.013%，最大為±1.584%或更大。

4 結(jié)束語(yǔ)

孔板天然氣流量測(cè)量的總不確定度，實(shí)際上就是測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量值與真值比較，置信概率為 95%的準(zhǔn)確度。根據(jù)目前天然氣流量測(cè)量系統(tǒng)經(jīng)常貫用的二次儀表和測(cè)量值的計(jì)算積算方法，按 sy/t6143—1996 標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)條款規(guī)定和所列公式進(jìn)行估算，得知天然氣流量測(cè)量的總不確定度δqn/qn最小為±0.82%，最大為±4.52%或更大。由此分析，可知國(guó)際建議的 a、b、c 三級(jí)分別定級(jí)為 1.0%、2.0%和 3.0%。

參考文獻(xiàn)

[1] 馮磊.淺談流量?jī)x表的合理選型對(duì)能耗的分析與應(yīng)用.中國(guó)儀器儀表,2009(7).

[2] 鐘水清.天然氣計(jì)量有關(guān)公式剖析.鉆采工藝, 2004(6).

[3] 王東.差壓式孔板流量計(jì)的誤差來源與控制對(duì)策.天然氣工業(yè),2004(10).

[4] 宋艾玲. 差壓式孔板流量計(jì)計(jì)量不準(zhǔn)確度分析. 鉆采工藝,2006(2).