临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置

临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置

时间:2009-09-28 14:25来源:国家石油天然气大流量作者:周雷邱惠郭洁点击: 103次

临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置

周雷邱惠郭洁琼

（国家石油天然气大流量计量站南京分站，南京210058）摘要：本文介绍了国家石油天然气大流量计量站南京分站内临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置的结构组成、技术指标及流量量值溯源方法，对装置不确定度进行了分析。该装置选用符合国际标准的临界流文丘里喷嘴作为标准器，采用比较法原理开展标准流量计的检定和校准工作，实现气体流量量值传递，对完善国家高压天然气流量量值溯源体系具有重要意义。

关键词：临界流文丘里喷嘴标准装置不确定度验证比对量值溯源

1 概述

1.1标准装置总体描述

为了解决高压、大口径天然气流量计的实流检定问题，提高天然气流量计量的准确度，维护贸易双方的利益，在征得国家计量行政主管部门的同意后，中国石油依托西气东输管道工程，建立了国家石油天然气大流量计量站南京分站（以下简称南京分站）。临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置（以下简称次级标准）作为南京分站的传递标准，对实现南京分站内的流量量值溯源体系的建设有着承上启下的作用。

该装置由12只并联安装的临界流喷嘴组件、前后汇管、数据采集处理控制系统及计算控制软件等组成。每个临界流喷嘴组件由前后直管段、管束整流器、临界流文丘里喷嘴、压力变送器和温度变送器构成，其中安装在喷嘴上游的温度变送器、压力变送器用于测量状态转换所需的压力、温度值，安装在喷嘴下游的压力变送器用于控制临界流状态是否在喷嘴喉部发生，每个喷嘴组件的前后安装

有强制密封球阀和液压膨胀短接。所有组件管段与进出口汇管连接，形成橇装的临界流文丘里喷嘴气体流量标准装置。喷嘴组件结构图如图1所示。

总线结构，可以实现现场和遥控两种方式完成球阀的开关，并确保各并行管路的密封性。

2.3 控制系统

控制系统通过以太网和处理计算机完成通讯连接，经过数字I/O卡与电动执行器的连接，通过PLC实现对各阀门的控制和数据测量。阀门的开关以及报警等可以在图形化界面中显示,操作人员可以通过屏幕来操作不同的阀门，随时了解、管理并控制整个检定/校准流程。

2.4 泄漏检查

装置上下游的球阀阀腔分别汇至两根汇管，用一台ROSEMOUNT 2088压力变送器检测其压力的变化。当球阀关闭的时，阀腔压力升高，说明有球阀中存在泄漏,将带入测量不确定度。泄漏检查的时间不宜过长，因为温度的变化也可能引起压力的上升。

2.5 标准器选择

检定/校准开始之前，系统软件可以自动根据设定的流量产生可供选择的喷嘴流路和组合，这种选择最终需要操作人员确定，喷嘴流路的最终选定是通过控制阀门的开关来完成的，当系统显示所有被选择的阀门处于正确位置后，流路选择完成。

2.6 压力和温度测量

为了比较被检表处和喷嘴处的流量值，喷嘴处的流量需要进行状态转换。因此，喷嘴和被检表处的压力温度测量要求很高。在每个喷嘴上游，应用Rosemount 3051S 型压力变送器(u < 0.04%FS)和3244型温度变送器（0.2级）测量压力和温度，压力温度信号通过FoudationFieldbus总线传输至控制室机柜。

2.7组分测量

喷嘴处的流量转化成被检表状态下的流量，需要考虑天然气压缩因子的影响，需将天然气组分参数输入到检定系统。气体组分参数信息可以通过键盘人工输入或使用在线色谱仪将组分值直接通过RS485 MODBUS串行通讯输入至系统。

2.8流量测量

对于脉冲输出的流量计，脉冲的形式主要有高频和低频两种，被检表可以最多带有4个高频脉冲发生器和一个低频脉冲发生器，在一个检定周期内，系统对脉冲数、脉冲开始和停止的时间进行准确测量，所得的脉冲数通过计算得到体积

量，用它除以检测时间得到的瞬时流量和通过喷嘴的瞬时流量进行比较，从而得到被检表的测量误差。

系统还配备了连接输出模拟信号(4～20 mA)或RS485信号的流量计的接口，以方便检定各类输出信号流量计。

3 计量标准量值溯源图

由于南京分站的mt法气体流量标准装置正在筹建过程中，因此南京分站在征得国家计量行政主管部门的同意后，次级标准的标准器临界流文丘里喷嘴暂时溯源至美国CEESI实验室，但压力变送器、温度变送器、气相色谱分析仪、时间测量系统等测量设备分别溯源至国家石油天然气大流量计量站、中国计量科学研究院和江苏省计量科学研究院。该计量标准的量值溯源图如图2所示。

4 标准装置工作原理及流量测量的数学模型

根据音速喷嘴的临界流特性，当气体通过临界流喷嘴时，在喷嘴上、下游气流压力比达到某一特定数值的条件下，喷嘴喉部形成临界状态，气流达到最大速度（当地音速）。流过喷嘴的气体质量流量也达到最大q m。此时q m只与喷嘴入口处的滞止压力和滞止温度有关，而不受其下游状态变化的影响。流经临界流喷嘴的质量流量q m可按下式计算：

5 测量不确定度分析和验证

把临界流文丘里喷嘴给出的被检流量计工况条件下的体积流量值的不确定度作为次级标准装置的测量不确定度。测量不确定度分析评定一览表见表3。5.1临界流文丘里喷嘴的流量测量不确定度

本标准装置是由12只喉径不同的临界流文丘里喷嘴组成的气体流量标准装置，可以单只或者多只喷嘴组合在不同流量点对被检流量计进行测试。装置的所有喷嘴都溯源于美国CEESI的流量标准装置，流出系数的扩展不确定度具有相同等级。在流量测量过程中，多只喷嘴组合流量测量不确定度优于单只喷嘴的流量测量不确定度，为保证标准装置的质量流量测量不确定度能涵盖所有测试条件，取单只喷嘴的质量流量测量不确定度作为组合临界流文丘里喷嘴的质量流量测量不确定度。

当单只临界流文丘里喷嘴参与流量测量时，组合临界流文丘里喷嘴的质量流量测量不确定度可以表示为：

5.3不确定度验证

根据JJF1033计量标准考核规范规定，采用传递比较法对本流量标准装置的流量测量不确定度进行验证。

不确定度验证测试采用CEESI提供的国际比对标准组件作为测试对象，该组件由两台串联安装的Daniel超声流量计和涡轮流量计组成，流量计的口径为DN200。涡轮流量计安装在下游，其上游直管段为10D，下游直管段为5D；超声流量计直接安装在涡轮流量计直管段的上游，其上游直管段是10D，在直管段的上游安装了板式整流器。

2007年12月，针对涡轮流量计的流量范围，根据美国CEESI的测试流量选择4个流量点，测量并计算在该流量点流量计K系数平均值作为测试结果，见表4。测试过程中，要保证涡轮流量计与超声流量计数值输出稳定一致，并记录测试时间内介质温度、压力和气体组分，作为原始参考数据。