摘要:目前天然氣計量己制定了許多相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和計量檢定規(guī)程等,但未形成完整體系與國外相比尚有較大差距。本文著重探討了天然氣孔板流量計測量中精度要求和不確定度分析了影響測量不確定度的幾種因素。
引言
孔板流量計在20世紀(jì)使用于天然氣流量測量,經(jīng)過-個世紀(jì)漫長的發(fā)展過程，它已成為主要的天然氣流量計。目前我國天然氣計量專業(yè)性標(biāo)準(zhǔn)為《天然氣流量的標(biāo)準(zhǔn)孔板計量方法》(SY/T6143-1996)。
1天然氣孔板流量計的組成
孔板流量計由產(chǎn)生壓差的一次裝置--孔板節(jié)流裝置和二次檢測儀表-差壓計、壓力計、溫度計和相關(guān)參數(shù)儀器儀表加信號引線等組成,如圖1所示。
2天然氣孔板流量計適用條件
孔板流量計是以相似原理為根據(jù)，以實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的瞬時流量計,從一次裝置的幾何尺寸到流體流動狀態(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:
孔板開孔直徑d≥12.Smm;
測量管內(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、加工、裝配、安裝、檢驗和使用必須符合標(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流動狀態(tài)的要求
孔板流量計的流出系數(shù)C是在特定的實驗室參比條件下通過大量的實驗數(shù)據(jù)推導(dǎo)得出的計算方法,并通過實踐檢驗是正確的。同時,差壓式流量計算基本方程的推導(dǎo)也是基于這樣的假設(shè)流動條件下,偏離標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的流動狀態(tài)條件將會產(chǎn)生難以估計的流量測量不確定度。因此,氣流流動狀態(tài)應(yīng)符合如下四條要求:
(1)天然氣通過孔板節(jié)流裝置的流動必須是亞音速的、穩(wěn)定的或僅隨時間緩慢變化的,無脈動流存在。
(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)計時一定要配合計量站工藝參數(shù)仔細(xì).核算和流態(tài)分析力爭達(dá)到流量測量效果。
3精度要求和不確定度分析
3.1流量計量精度的要求
國際法制計量組織(OIML)流量計量技術(shù)委員會的氣體計量分委員會于1997年制定了“氣體燃料計量系統(tǒng)”國際建議。歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會起草了歐共體標(biāo)準(zhǔn)PREN1776“天然氣計量系統(tǒng)的基本要求”[3]。它們都是為提高和確保天然氣計量精度而對輸配計量站的設(shè)計、建設(shè)、投產(chǎn)操作和維修等方面提出的基本技術(shù)要求。
國際建議中將計量站分為A、B、C三個等級,對不同的流量規(guī)模配備的二次測量儀表要求不同。該建議適用!于流量等于或大于100m/h運行壓力不低于0.2MPa的情況。它對熱值測量、測溫、測壓、取樣以及包括指示、打印、.存儲、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為測量儀表和計算結(jié)果的最大允許誤差(精度)。
3.2孔板流量計不確定度變化范圍分析標(biāo)準(zhǔn)ISO5167、GB/T2624-93、SY/T6143-1996,以及AGANo3報告估算流量測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)直管段長度符合SY/T6143--1996的規(guī)定的數(shù)值a(表2中不帶括號中的數(shù)值),圓度滿足不大于士0.3%的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)孔板開孔軸線與上下游測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,當(dāng)β≤0.6時則δc/c=±0.6%:;當(dāng)β>0.60時則δc/c=±β%。
3.2.2天然氣物性測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.)%
它與孔板流量計實測差壓△p成正比，與靜壓p1成反比。
目前在天然氣計量中差壓值一般在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度小于該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定數(shù)值a(表1中不帶括號中的數(shù)值)，又等于或大于數(shù)值(表1中帶括號中的數(shù)值)時，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.上游直管段長度范圍內(nèi)的任何臺階超過±0.3%圓度要求,但符合下列公式時應(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的單測值與平均值比較,最大偏差在±20%以內(nèi)時,則在流出系數(shù)不確定度.上幾何相加±0.2%的不確定度。
(2)天然氣密度測量不確定度δρρ的估算根據(jù)目前現(xiàn)場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)行具體計算綜合考慮,在不考慮取氣樣的間隔時間內(nèi)由于天然氣組分變化(或波動)所引起的附加不確定度時天然氣密度測量的不確定度δρ/ρ最小為土1.013%,最大為±1.571%或更大。
由(1)和(2)兩項組成天然氣物性測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
孔板天然氣流量測量的總不確定度,實際上就是測量系統(tǒng)的測量值與真值比較,置信概率為95%的精度。根據(jù)目前天然氣流量測量系統(tǒng)經(jīng)常貫用的二次儀表和測量值的計算積算方法,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,可知國際建議的A、B、C三級分別定級為1.0%、2.0%和3.0%。
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