空氣高壓天然氣實流標(biāo)定渦輪流量計的差異性

隨著天然氣供求量的高速增長，非常好天然氣實流檢定站的產(chǎn)能無法滿足城市管網(wǎng)和地區(qū)輸配氣干線上中、高壓天然氣流量計的周期性檢定的需求，大量涉及貿(mào)易結(jié)算的渦輪流量計只能被送至法定計量檢定機構(gòu)在常壓空氣下標(biāo)定，上海自動化儀表對于其檢定結(jié)論和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)是否適用則存在著爭議。為此，分別在常壓（0.1MPa）空氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和德國國家高壓（2.5MPa和5MPa）天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上對32臺渦輪流量計進行了實流標(biāo)定，引入渦輪流量計擴

展校準(zhǔn)模型，并基于雷諾數(shù)對誤差作了對比分析。研究結(jié)果表明：

①常壓和高壓下的誤差線分別位于兩個不同的流動特征區(qū)域，不具有可比性；

②在分界流量以上區(qū)域，渦輪流量計的誤差僅隨雷諾數(shù)而變化；

③在各段壓力工況中，存在著誤差接近的雷諾數(shù)重疊區(qū)；

④工況壓力增加，所對應(yīng)的誤差數(shù)據(jù)可以被認為是對渦輪流量計準(zhǔn)確度性能的連續(xù)延拓；

⑤不同的工作介質(zhì)對渦輪流量計的性能沒有明顯的影響。結(jié)論認為，常壓空氣下的標(biāo)定數(shù)據(jù)不能用于0.4MPa以上工況流量計的檢定和校準(zhǔn)，在壓力限制條件下使用空氣標(biāo)定高壓天然氣流量計是一種可行的方案。引言天然氣是優(yōu)質(zhì)高效、綠色清潔的低碳能源，隨著經(jīng)濟發(fā)展、能源消費增長和二氧化碳減排要求日趨嚴格，有效開發(fā)、利用天然氣已經(jīng)成為我國推進能源生產(chǎn)和消費革命的重要路徑之一。預(yù)計到2020年我國天然氣的表觀消費量將超過3500×108m3，進口天然氣量將超過1200×108m3[3]。提高天然氣貿(mào)易交接計量準(zhǔn)確度是客觀公正地維護貿(mào)易雙方合法經(jīng)濟利益的關(guān)鍵。

渦輪流量計因其準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好、無零點漂移、抗干擾性強、量程范圍寬的特點，被廣泛用于天然氣貿(mào)易交接，但其缺點之一是流體的物性對流量特性影響較大，不同介質(zhì)、不同工況所導(dǎo)致的氣體物性變化對渦輪流量計的準(zhǔn)確度有影響；另一個缺點是不能長期保持校準(zhǔn)特性，伴隨著輸氣系統(tǒng)管道網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模建設(shè)，必須定期對用于天然氣貿(mào)易結(jié)算的流量計進行實流標(biāo)定。

目前國內(nèi)實流標(biāo)定流量計主要有兩種方式：

①以天然氣為工作介質(zhì)的直排方案，利用輸氣管線上游的自身壓力和氣量，在正壓下標(biāo)定流量計，之后工作介質(zhì)進入低壓管線或下游低壓區(qū)；②以空氣為工作介質(zhì)在常壓下標(biāo)定。為了盡可能接近天然氣流量計的實際工況，我國建立了9個國家石油天然氣大流量計量站（截至2019年7月）用于解決高壓天然氣流量計的實流標(biāo)定與量傳溯源問題。然而，隨著天然氣供求的高速增長，上述非常好天然氣實流檢定站的產(chǎn)能無法滿足城市管網(wǎng)和地區(qū)輸配氣干線上中高壓天然氣流量計的周期性檢定需求。大量涉及貿(mào)易結(jié)算、屬強制檢定范疇的渦輪流量計的準(zhǔn)確性和有效性無法得到保證，只能送至法定計量檢定機構(gòu)在常壓空氣下標(biāo)定。因此，渦輪流量計在不同介質(zhì)、不同工況條件下的準(zhǔn)確度差異受到了天然氣工業(yè)和流量測量學(xué)術(shù)界的關(guān)注。特別是使用常壓空氣標(biāo)定的數(shù)據(jù)結(jié)果或檢定結(jié)論是否適用于天然氣渦輪流量計存在爭議。

1　實驗工況條件

2015—2018年，某研究院對兩家生產(chǎn)商共32臺進口天然氣渦輪流量計實施檢定，流量計入關(guān)前都在德國國家高壓天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置（Pigsar）進行了實流標(biāo)定，其中制造商A提供了8臺DN200mm流量計（標(biāo)定壓力為2.1MPa），制造商B提供了10臺DN150mm（標(biāo)定壓力為5MPa）和14臺DN250mm流量計（其中7臺在2.4MPa壓力下標(biāo)定，另7臺在5MPa壓力下標(biāo)定）。Pigsar的主標(biāo)準(zhǔn)器是9臺渦輪流量計，量程介于3～6500m3/h，裝置的擴展不確定度（Urel）為0.12%（包含因子k為2），流量標(biāo)準(zhǔn)值是荷蘭—法國—德國統(tǒng)一參考值（HarmonizedReferenceValue）。某研究院使用臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，工作介質(zhì)是常壓空氣，量程介于2～4500m3/h，Urel為0.16%（包含因子k為2），16個噴嘴溯源到中國計量科學(xué)研究院的pVTt法氣體流量國家基準(zhǔn)。

盡管測量期較長，兩個標(biāo)準(zhǔn)裝置的工作介質(zhì)和工況均比較穩(wěn)定，天然氣裝置（Pigsar）的溫度介于17～20℃，當(dāng)工作壓力介于2.3～2.4MPa時，天然氣動力黏度（μ）為1.18×10－5Pa·s；當(dāng)工作壓力介于4.8～5.0MPa時，μ為1.28×10－5Pa·s。常壓空氣裝置的溫度介于19～21℃，實驗室壓力介于0.1003～0.1013MPa時，μ為1.81×10－Pa·s。鑒于同一制造商相同口徑流量計的型號規(guī)格相同，篩選出具有代表性的標(biāo)定數(shù)據(jù)，繪制成體積流量—誤差曲線。

同一流量計在高壓天然氣裝置與常壓空氣裝置下的誤差曲線存在差異，在分界流量點（qt）為0.2qmax以下時，常壓空氣下出現(xiàn)“駝峰區(qū)”，導(dǎo)致差異較大，駝峰點處非常大的差異達到0.7%。大口徑（DN250mm）渦輪流量計在空氣裝置下的駝峰效應(yīng)減弱，駝峰點處的差異減小。渦輪流量計在高壓天然氣下的體積流量—誤差曲線基本呈現(xiàn)良好的線性趨勢，特別是在5MPa時，線性特征顯著。然而在常壓空氣工況下，某一類型的DN250mm流量計在駝峰點以下的誤差隨流量的減小急劇下降，導(dǎo)致高壓天然氣與常壓空氣的誤差非常大差異出現(xiàn)在非常小流量點及其附近的始動流量區(qū)，非常大相差1.4%。從圖1所示的點對點誤差對比來看，不同的流量計規(guī)格、不同工作壓力下展現(xiàn)出來的兩條誤差曲線差異各不相同，有的差異并不大（0.1MPa空氣和2.4MPa天然氣的DN250mm流量計，差距甚至小于0.2%），有的差異超過1%，誤差曲線的形狀也完全不同，這樣的數(shù)據(jù)對比會導(dǎo)致爭議：根據(jù)常壓空氣下的標(biāo)定結(jié)果能否判斷流量計是否合格，標(biāo)定的數(shù)據(jù)能否用于校準(zhǔn)該流量計。因此，引入渦輪流量計擴展校準(zhǔn)模型作進一步分析。

2　渦輪流量計擴展校準(zhǔn)模型Lee等

研究了流體密度、黏度對渦輪流量計性能的影響，在此基礎(chǔ)上，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的Pope等和Wright等擴展了Lee模型，研究了低雷諾數(shù)下渦輪流量計示值誤差隨工作介質(zhì)運動黏度變化所呈現(xiàn)的扇形特征。該模型將基于角頻率（ω，rad/s）的流量計儀表系數(shù)（Kω，rad/m3）表示為對理想流量計儀表系數(shù)（Ki，rad/m3）[19]的修正，如下所示：式中q表示體積流量，m3/s；ν表示介質(zhì)的運動黏度，m2/s；雷諾數(shù)Re=4q/（πdν）；d表示流量計口徑，m；ρ表示介質(zhì)的密度，kg/m3；C'D、C'B0、C'B1和C'B2分別表示4個待定系數(shù)，在某個流量點下標(biāo)定出的儀表系數(shù)（Kf，表示單位體積流體通過流量計時，流量計輸出的脈沖數(shù)，1/m3）和轉(zhuǎn)子葉片頻率（f，s－1）的關(guān)系為：式中N表示轉(zhuǎn)子葉片數(shù)。設(shè)流量計出廠標(biāo)稱的儀表系數(shù)為K（1/m3），在該流量點下的示值誤差為e，則有由式（1） ～（3）可得 ：式（4）中括號所示的修正包括4個部分，從中括號內(nèi)第二項開始依次為：①僅和雷諾數(shù)有關(guān)的流體阻力項；②軸承靜態(tài)阻力項；③軸承黏性阻力項；④由于軸向推力和動態(tài)不平衡引起的軸承阻力項。于是修正項分成兩部分：流體阻力項和軸承阻力項，流體阻力項在分界流量以上的區(qū)域起主要作用，且僅與雷諾數(shù)有關(guān)，在不同的運動黏度（例如改變工作介質(zhì)）下測得的誤差保持不變；軸承阻力項起主要作用的是分界流量以下的區(qū)域，因為阻力作用在轉(zhuǎn)子上，轉(zhuǎn)子受運動黏度的影響，所以在駝峰上升區(qū)，同一雷諾數(shù)下不同運動黏度的介質(zhì)會導(dǎo)致誤差的差異，在雷諾數(shù)—誤差曲線上呈現(xiàn)扇形特征。

渦輪流量計是根據(jù)工況體積流量發(fā)出脈沖或頻率，將雷諾數(shù)表達式代入式（4）可知，影響渦輪流量計準(zhǔn)確度的相關(guān)特性是運動黏度，而不是動力黏度。即使工質(zhì)的動力黏度相近，由于運動黏度的密度依賴性，特別是天然氣（2.5MPa）與空氣（0.1MPa）之間25倍的壓力差，導(dǎo)致兩個工況的雷諾數(shù)存在顯著差異。所以，應(yīng)當(dāng)基于雷諾數(shù)，使兩個工況下的誤差對比符合流動相似準(zhǔn)則的要求。

3　基于雷諾數(shù)的誤差對比與分析

上述渦輪流量計基于雷諾數(shù)的誤差對比圖，兩條誤差線分別處于兩個不同的流動特征區(qū)域，并不具有可比性，而是反映了該流量計的準(zhǔn)確度隨雷諾數(shù)變化的情況。此外，由于流量計的體積流量量程范圍一定而工況壓力不同，常壓雷諾數(shù)上限與高壓雷諾數(shù)的下限存在間隔，且工況壓力相差越小，間隔越小。隨著間隔差距縮小，誤差越來越接近，DN200mm和DN250mm（2.4MPa天然氣）流量計的誤差隨雷諾數(shù)呈現(xiàn)幾乎連續(xù)的變化，符合式（4）表征的物理意義，即：流體阻力項在分界流量以上的區(qū)域起主要作用，流量計示值誤差僅與雷諾數(shù)有關(guān)。若上述間隔的雷諾數(shù)差距在可接受的范圍內(nèi)，則可以進行常壓空氣與高壓天然氣之間點對點的誤差比較，但是受當(dāng)前實驗條件所限，圖2所示的數(shù)據(jù)并不支持這樣的對比。因此，增加了高壓空氣下的標(biāo)定實驗。

一臺經(jīng)過常壓空氣標(biāo)定的DN100mm渦輪流量計分別在德國一家企業(yè)的高壓空氣（1.6MPa、2.6MPa）環(huán)道（2～1600m3/h，Urel=0.20%，k=2）和德國國家高壓天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置（Pigsar，5.1MPa）進行標(biāo)定，誤差曲線如圖3-a所示。0.1MPa常壓空氣的上限和2.6MPa高壓空氣的下限雷諾數(shù)差距為2.72×104，兩者對應(yīng)的誤差相差0.24%，小于兩套裝置的合成擴展不確定度0.25%。3個空氣（0.1MPa、1.6MPa和2.6MPa）的測量結(jié)果出現(xiàn)兩段雷諾數(shù)重疊，重疊區(qū)內(nèi)誤差僅有不到0.2%的差異。高壓空氣（2.6MPa）和高壓天然氣（5.1MPa）的部分誤差數(shù)據(jù)在點對點比較中差異小于0.1%。圖3-a中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)段重疊，可以認為是流量計準(zhǔn)確度性能的延拓。圖3-a還表明，壓力差異對流量計性能的影響顯著，與之相較，不同工作介質(zhì)引起的差異很小。圖3-b所示的是荷蘭國家計量研究院提供的DN250mm渦輪流量計在空氣（0.1MPa，0.8MPa）和天然氣（6.0MPa）下的測試數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，流量計誤差隨雷諾數(shù)變化特征明顯，誤差在雷諾數(shù)介于2.72×104～3.14×105（常壓空氣—中壓空氣）和雷諾數(shù)介于（1.12～2.77）×106（中壓空氣—高壓天然氣）兩段有較好的重疊與銜接，基于雷諾數(shù)重疊可以估計其他相近壓力（或其他工作介質(zhì)）的誤差曲線，但是在量程范圍以外，不能外推出誤差。鑒于氣體渦輪流量計性能受壓力影響，GB/T21391—2008“用氣體渦輪流量計測量天然氣流量”[22]和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN12261“渦輪流量計”特別強調(diào)：對用戶規(guī)定的工作壓力大于0.4MPa的流量計，需在一個或多個壓力下進行校準(zhǔn)。如果用戶指定的工作壓力范圍的上限值小于或等于4倍的下限值，要求選定校準(zhǔn)工作壓力p1，使[0.5p1，2.0p1]覆蓋用戶指定的工作壓力的上下限；當(dāng)上限值大于下限值的4倍，需要增加一個壓力試驗點p2，且p1＜p2，使[0.5p1，2.0p2]能夠覆蓋用戶指定的工作壓力的上下限。根據(jù)上述規(guī)定，如果用戶指定這臺DN250mm的渦輪流量計在0.8MPa和6.0MPa下工作，可以選定p1=1.6MPa和p2=3.0MPa作為校準(zhǔn)工作壓力，根據(jù)上述雷諾數(shù)重疊區(qū)域的誤差數(shù)據(jù)銜接，可以估計該流量計在（0.8～6.0MPa）范圍內(nèi)的誤差大小和變化趨勢。

4　結(jié)束語

影響渦輪流量計準(zhǔn)確度的相關(guān)特性是工作介質(zhì)的運動黏度，由于運動黏度的密度依賴性，氣體渦輪流量計的性能主要受到工況壓力的影響。如果兩個工況壓力相差大于4倍，那么渦輪流量計在相應(yīng)工況下的誤差數(shù)據(jù)不具有可比性，所以常壓下的標(biāo)定結(jié)果不能反映該流量計在0.4MPa以上工況的計量性能，標(biāo)定的數(shù)據(jù)也不能用于流量計的校準(zhǔn)。在分界流量以上區(qū)域，渦輪流量計的誤差僅隨雷諾數(shù)變化，工況壓力增加所對應(yīng)的誤差數(shù)據(jù)可以認為是對流量計準(zhǔn)確度性能的連續(xù)延拓。因此，基于雷諾數(shù)重疊可以估計其他相近壓力（或其他工作介質(zhì)）的誤差。上海自動化儀表實驗結(jié)果并沒有發(fā)現(xiàn)不同的工作介質(zhì)（例如天然氣和空氣）對渦輪流量計的性能有明顯的影響，所以，在前述壓力限制條件下，使用空氣標(biāo)定高壓天然氣流量計是一種可行的方案。目前非常好天然氣實流檢定站都選址在主干線附近，需要有穩(wěn)定的氣源和低壓天然氣用戶，且直排方案投資巨大。而閉環(huán)式高壓空氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置具有以下優(yōu)點：①不存在測試用氣體的排放問題；②沒有防爆問題的困擾；③流量調(diào)節(jié)、壓力調(diào)節(jié)和更換氣體等問題迎刃而解；④裝置維持成本和能耗都比較低，因而計量技術(shù)機構(gòu)已經(jīng)開始這方面的研發(fā)工作，大批城市管網(wǎng)和地區(qū)輸配氣干線上中高壓天然氣流量計的量傳溯源有望得到解決。