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 技术论文


浅谈建立天然气量值动态溯源体系

郭绪明 张福元

摘要: 本文介绍了国内外天然气流量量值溯源体系及著名的检测技术机构。以具有国际技术水平、亚洲第一的国家原油大流量计量站成都天然气流量分站的天然气流量原级标准装置为基础,提出了建立国内天然气流量量值溯源体系的设想及二级检测站标准装置配备的建议。

引言: 天然气是一种洁净的能源和优质的化工原料而受到各国政府和企业的重视。我国已经启动了西气东输及四川往湖南、湖北输气的工程。广东、福建和上海的区域性LNG管线也正处于计划实施阶段。随着天然气使用量的增加和价格逐渐到位,产、输、销和用户四方对天然气准确计量都非常重视。为了保证天然气计量准确,量值溯源体系是非常关键的。由于天然气是高压、易燃易爆的混合气体,量值溯源过程有其特殊性。本文在总结国内外天然气流量计量主要检测技术机构的软硬件和量值溯源体系的基础上,对国内如何建立天然气量值动态溯源体系谈谈我们肤浅的意见。

1 量值溯源常用方法

越高级的标准装置,其使用的流量和压力范围越小,可通过检定、校准或比对等方式进行量值溯源或传递。

1.1 放大流量方法

放大流量最常用的两种方法:
一是多台标准流量计并联;
二是,当工作压力在标准流量计的使用压力范围内时,也可把标准流量计安装在高压区,被检流量计(标准流量计)安装在低压区,利用压力差别放大流量计。

1.2 提高压力方法

提高压力的两种方法:
一是把标准流量计安装在低压区,被检流量计(标准流量计)串联安装在高压区。
二是当使用涡轮流量计作标准流量计时,可使用雷诺数与仪表系数的关系式在低压大雷诺数检定或校准,再高压相同的雷诺数范围内使用的方法放大压力,仍是多台标准流量计并联,即压力(密度)提高,流速等比列下降,维持雷诺数不变。

1.3 量值溯源方法基本要求

在天然气的量值溯源过程中,涉及到介质、流量范围、压力、温度等条件的影响。介质是否有影响与选择的方法和标准流量计有关。基本要求是所有量值溯源过程处于受控状态,即:
a. 对传递标准或次级标准或工作标准,在使用时的压力、温度、流量范围要求与向上一级标准溯源(检定或校准或比对)时的压力、温度、流量范围基本一致。
b. 对于工作计量器具的溯源,在使用时的压力、温度、流量范围要求与检定或校准时的压力、温度和流量范围相似。

1.4 标准装置不确定度计算

所有的流量检测技术机构都是用并联组合标准流量计的方法来扩大流量。由于每台标准流量计都是独立工作的,并联组合后标准流量的不确定度可用下式计算:
      ………………(1)
式中: q——并联组合标准流量计的总流量;
U——并联组合后标准流量计总流量的不确定度;
qi——并联组合中第i台标准流量计的流量;
Ui——并联组合中第i台标准流量计流量的不确定度。

2 国内外主要技术机构及其标准装置简介

2.1 原级标准装置
国内外天然气流量检测技术机构很多,但不是所有机构都有原级标准。表1 中列出国内外主要技术机构的原级标准。

表 1 国内外高压天然气流量检测机构主要原级标准

机构名称
国家
最大流量
工作压力
不确定度
备注
NMi
荷兰
4m3/h
常压
0.01%
动态转换,空气
GRI
美国
43.0Kg/s
10.0MPa
0.1%
mt,天然气或氮气
GRI
美国
4.6Kg/s
1.4MPa
0.1%
CEESI
美国
4.55Kg/s
12.4MPa
0.1%
体积法,空气
CEESI
美国
0.09Kg/s
12.4MPa
0.1%
mt,非可燃气
CEESI
美国
0.465Kg/s
10.3MPa
0.1%
体积法,非可燃气
PigSar
法国
480m3/h
5.0MPa
0.1%
HPPP,天然气
法国燃气公司
德国
0.23%
PVTt, 天然气
NEL
英国
3.5Kg/s
6.2MPa
0.1%
mt, 空气
成都天然气流量分站
中国
2.45Kg/s
4.0MPa
0.1%
?mt,天然气

2.2 次级/工作标准装置
在2002年4月华盛顿第5届国际流量测量讨论会上,PTB和 PigSar的专家在其论文中用图比较了PigSar与其它技术机构的检测能,列于图1和图2。

2.3 主要技术机构简介
天然气高压大流量检测技术机构一般都建在天然气管线上,并有一个大的用户(如发电厂),工作标准装置大多为涡轮流量计。下文将介绍几个有代表性的技术机构。

2.3.1 NMi
荷兰计量技术研究院(NMi)是负责荷兰国家量值溯源等任务。其低压动态置换气体原级标准装置是荷兰的国家基准,虽然只提供1~4m3/h的流量,由于小流量易于控制,不确定度可达0.01%,它采用了以下技术:
a. 严格控制环境温度,使环境温度的变化不影响测量准确度。实验室温度变化每天控制在±2℃,每小时在±0.1℃内。
b. 使用500L的钟罩提供气源,加之高精度的调压系统,保证校准时气流的稳定性。
c. 由气体置换稳定油,而后称量油的重量而获得体积的方法,克服了PVTt法中温度压力变化对容器体积影响所带来的误差以及mt法中称量气体重量对高精度天平的要求和温度压力对称量容器体积改变而影响称量结果。该装置由500升钟罩提供1~4m3/h的流量,流经被测表至置换桶,气体置换桶中的固定液体至程量装置,选用的液体是很稳定的油,密度比空气大得多,排出的油能进行准确的称量,加之环境温度非常稳定,由油的质量可得到非常准确的体积量,除以时间就可得到准确的流量。
2.3.2 GRI
美国西南研究院(SwRI)所属的气体研究所(GRI)是世界有名的流量检测和研究技术机构,拥有高低压两套环路原级标准和民用气测试标准(DTS,Distribution Test Standard)。检测方法标准是称重法,介质为天然气或氮气,DTS也可用空气,不确定度为0.1%~0.25%。详细的技术指标列于表2。

表 2 GRI 检测能力

项目/标准装置
高压环路. HPL
低压环路. LPL
民用气检测标准. DTS
最大工况流量,m3/h
2379
906
71
压力范围,MPa
1.0~8.3
0.14~1.45
0 ~0.28
温度范围, ℃
4.44 ~48.89 (40 ~120F)
常温
管径范围, mm
50~ 500
25 ~200
≤100

2.3.3 PigSar
PigSar检测站属于德国Ruhrgas AC公司,天然气流量检测和校准由PTB授权并监督。它是目前唯一一家使用高压体积管作为原级标准装置的技术机构,工作标准装置为涡轮 流量计。工作压力范围为1.6~ 5.0MPa,工况体积流量范围为8~ 6500m3/h,不确定度为0.15%。
2.3.4 国家原油大流量计量站成都天然气流量分站
国家原油大流量计量站成都天然气流量分站建于1998年,拥有质量时间(mt)法天然气流量原级标准和临界流文丘利喷嘴次级标准。总体水平与世界上现有的标准装置相当,为亚洲之最,其检测能力列于表3。

表 3 成都天然气流量分站的检测能力

标准装置
最大流量
最大压力,MPa
不确定度
管径范围,mm
原级标准
2.4kg/s(320m3/h)
4.0
0.1%
25~ 100
次级标准
600m3/h
4.0
0.25%
25~ 400
5115m3/h
2.0
10230m3/h
0.8

2.3.5 TCC
TCC(TransCanada Calibrations Ltd.)位于加拿大马尼托巴省温尼伯一个供气能力为2.4Mm3/h,压力为6.2 ~7.0MPa的压力站的下游,拥有目前世界上最大的天然气流量校准设施,简介如下:
a. 标准流量计是6台DN400和2台DN200的涡轮流量计并联组件,每台涡轮流量计都串联有相同口径的超声流量计作为核查流量计。
b. 有5个管径从DN200至DN750的校准台位,同时可串联校准3台DN400的流量计。
c. 工作压力为6.5MPa,流量范围为50~50000m3/h,工作状态下的体积流量综合不确定度为0.3%。
d. 标准流量计由10台活塞插入式腰轮流量计在线校准,腰轮流量计溯源至荷兰的NMi和德国的PTB。

3. 国外量值溯源体系简介

除美国两个技术机构(CEESI和GRI)拥有各自的天然气流量原级标准装置,其余国家最多都只有一个原级标准装置。在量值溯源方法上,与我国的检定体系不同的是国外使用的是灵活、建立于统计方法基础上的校准体系。CEESI和GRI的量值溯源方法比较简单明了,原级标准装置的量值直接溯源至NIST。而荷兰和德国的量值溯源方法很独特,简介如下:

3.1 荷兰量值溯源体系
荷兰的天然气量值溯源体系(图3)建立于20世纪70年代,由NMi归口管理。由于当时科学技术水平的限制,研制高压天然气原级标准装置的难度大,他们建立了用空气介质的常压高精确度标准装置,通过传递标准装置把量值传至建于向大用户输送天然气的管线旁边的高压大流量工作标准装置。使用腰轮 流量计为传递标准流量计,涡轮流量计为工作标准流量计,这两种流量计都是直接给出体积量,并与介质无关。有二个二级站属于Gasunie,校准时由NMi监督,并出NMi的证书。

3.2 德国量值溯源体系
PigSar建于20世纪90年末,直接使用高压标准装置,是德国最大的天然气流量检测技术机构,详见2.3.3,量值溯源见图4。为了保证直接对用户的工作标准能测量8m3/h的最小流量,在4台G1000涡轮标准流量计中增加了1台G100涡轮 流量计。该涡轮流量计在PTB进行常校准,用雷诺数提高压力的方法提供8~100m3/h的流量。

3.3 国际比对及量值统一
为力保证所建标准装置的量值准确,得到国际承认,参加国际比对是非常必要的。我国正在准备参加国际比对。下文介绍荷兰和德国之间的比对和量值统一过程。
PTB 和NMi是欧洲两个最大的天然气流量检测技术机构,英国等欧洲国家的天然气工作标准都到这两个机构进行校准。在比对过程中,他们发现两套标准装置的量值相差0.2%左右,在技术上是可以接受的。欧洲国家之间天然气贸易 量大,0.2%对于成千上万方天然气将产生不可低估的经济影响,买卖双方可能选择对自己有利的机构校准他们的流量计。为了避免不必要的纠纷,PTB(PigSar)和NMi(Bergum)于1998开始进行量值统一的工作。首先,他们对双方相互独立的量值溯源体系进行评审,确认了体系的正确性。其次,用2台涡轮 流量计做了一套比对组件,在严格的控制条件下进行比对实验,通过对实验数据的综合分析,确定了双方量值的调整方法和参数,统一了双方的量值。最后,双方签定了协议,于1999年12月实行量值调整,并且每半年对一次确认双方的量值。

4. 建立国内天然气量值动态溯源体系

我国是发展中国家,目前天然气的产输量比荷兰等欧洲国家少几个数量级,应实事求是地处理天然气量值溯源问题。作为本文的结束,从国内现有的天然气标准装置出发,谈谈我们对建立我国天然气量值动态溯源体系的建议。
4.1 量值的溯源体系
从上文国外天然气检测机构及其标准装置的水平和能力比较结果看,国家原油大流量计量站成都天然气流量分站(CVB)的水平和能力都与国外相当。如图5,由原级标准装置,传递标准装置、工作标准装置可组成我国的天然气量值动态溯源体系。
画图
图5 我国天然气量值溯源体系
4.2 传递标准装置
传递标准装置不但能把mt原级标准装置的量值传递到二级检测站的工作标准装置,同时也可进行压力放大。由于是移动式组件,不宜做的太大,最大工况流量在1600m3/h为宜,不确定度可达到0.1~ 0.2%。标准装置可选用腰轮流量计。
?4.3 工作标准装置
根据需要,可在输给大用户的管线旁建立二级检测站。工作压力视实际情况可为定压或变压,流量取决于用户的用气量,工况流量不确定度可达0.15 ~0.3%。工作标准装置可以是涡轮流量计或临界流文丘利喷嘴。量值从传递标准装置溯源。对于高压或大流量检测站,应该增加一套与传递标准装置能力相适应的小流量标准装置,用于检定或校准大流量工作标准装置。
?4.4 移动式工作标准装置
在天然气流量计量中,不但流量计的准确性影响其计量准确度,有时安装条件的影响也是决定因素,加之大口径流量计现场装卸难度大,离线检定或校准难于实施,故使用移动式工作标准进行现场在线检定或校准是非常必要的。临界流文丘利喷嘴或超声流量计可作为移动式工作标准,建议配置气相色谱仪。移动式工作标准装置可从固定式工作标准装置溯源,工况流量不确定度可达0.2 ~0.4%。


 
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