摘要:目前天然氣計(jì)量己制定了許多相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)量檢定規(guī)程等,但未形成完整體系與國(guó)外相比尚有較大差距。本文著重探討了天然氣孔板流量計(jì)測(cè)量中精度要求和不確定度分析了影響測(cè)量不確定度的幾種因素。
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(guò)-個(gè)世紀(jì)漫長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程，它已成為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/T6143-1996要求:
孔板開(kāi)孔直徑d≥12.Smm;
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(guò)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/T7514《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(guò)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(guò)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(guò)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(wú)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(wú)旋轉(zhuǎn)流存在。
(4)天然氣通過(guò)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)Re21260β2D(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)到流量測(cè)量效果。
3精度要求和不確定度分析
3.1流量計(jì)量精度的要求
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)量精度而對(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100m/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(精度)。
3.2孔板流量計(jì)不確定度變化范圍分析標(biāo)準(zhǔn)ISO5167、GB/T2624-93、SY/T6143-1996,以及AGANo3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-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),圓度滿足不大于士0.3%的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)孔板開(kāi)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%。
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(Op/p.)%
它與孔板流量計(jì)實(shí)測(cè)差壓△p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(guò)±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(kāi)孔軸線與.上下游測(cè)量管軸線之間的距離e,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r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δρρ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最小為土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%的精度。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%。
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