质量时间法标准装置技术改进与初步性能测试

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黄敏, 任佳, 陈密. 质量时间法标准装置技术改进与初步性能测试[J]. 石油与天然气化工, 2023, 52(4): 110-115,121. DOI: 10.3969/j.issn.1007-3426.2023.04.019

质量时间法标准装置技术改进与初步性能测试

黄敏^1,2 , 任佳^1,2 , 陈密^1,2

1. 中国石油西南油气田公司天然气研究院;
2. 中国石油天然气集团公司天然气质量控制和能量计量重点实验室

收稿日期：2023-01-17

基金项目：中国石油西南油气田公司科学研究与技术开发项目“mt法天然气流量原级标准装置全量程0.05%的方法研究”(20210308-01)；四川省市场监督管理局科技计划项目“mt法天然气流量原级标准装置全量程0.05%技术方案研究”(SCSJZ2022022)

作者简介：黄敏，1985年生，高级工程师，硕士研究生，2010年毕业于西南石油大学流体力学专业，主要从事天然气流量量值溯源和天然气计量技术研发工作。E-mail：huangmin01@petrochina.com.cn.

摘要：目的将质量时间法天然气流量原级标准装置的测量不确定度从0.05%~0.07%降至0.05%，以进一步提升量传溯源体系技术水平。方法通过测量不确定度影响因素权重分析，提出电磁天平技术改进, 滞止温度测量方式优化和环境温、湿度控制等措施，评定了该装置质量流量测量不确定度并开展初步性能评价。结果电磁天平校准结果不确定度由1.0 g优化为0.5 g；滞止温度测量不确定度由0.034%优化为0.024%；环境温、湿度等引入的不确定度由0.02%优化为0.01%；测量审核结果小于1。结论经技术改进后，质量时间法天然气流量原级标准装置质量流量测量不确定度全量程0.3~6.0 MPa实现0.05%(k=2)是可行的。

关键词：质量时间法天然气原级标准装置中低压

Technical improvement and preliminary performance test of mass-time primary standard device

Huang Min^1,2 , Ren Jia^1,2 , Chen Mi^1,2

1. Research Institute of Natural Gas Technology, PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company, Chengdu, Sichuan, China;
2. Key Laboratory of Natural Gas Quality Control & Energy Measurement, CNPC, Chengdu, Sichuan, China

Abstract: Objective The aim is to decrease the measurement uncertainty from 0.05%-0.07% to 0.05% for low-medium pressure mass-time primary standard device, so as to further improve the technical level of traceability system. Methods Through the weight analysis of the factors affecting the measurement uncertainty, the measures such as the improvement of the electromagnetic balance technology, the optimization of the stagnation temperature measurement method and the control of the ambient temperature and humidity were proposed for the main measurement uncertainty. The measurement uncertainty of mass flow of the device was evaluated and the preliminary performance tests were carried out. Results The uncertainty of the calibration result of the electromagnetic balance was optimized from 1.0 g to 0.5 g; The measurement uncertainty of stagnation temperature was optimized from 0.034% to 0.024%; The uncertainty introduced by environmental temperature and humidity is optimized from 0.02% to 0.01%; The measurement audit result is less than 1. Conclusions After technical transformation, it is feasible to achieve 0.05% (k=2) of the mass flow measurement uncertainty in the full range of 0.3-6.0 MPa of the low-medium pressure mass-time primary standard device.

Key words: mass-time method natural gas primary standard device low-medium pressure

质量时间法原级标准装置作为天然气流量量值传递体系的首要环节，其量值向上可直接溯源至国家基准，向下可经多级传递至现场贸易计量用流量计，其测量不确定度水平直接影响下一级量值的不确定度水平和量值传递的准确可靠性^[1]。我国国家石油天然气大流量计量站成都分站(以下简称成都分站)于2017年建立了质量时间法天然气流量原级标准装置(以下简称mt法原级标准装置)，压力为0.3~6.0 MPa、质量流量测量不确定度为0.05%~0.07%(k=2)，并建立了中低压天然气流量量值溯源链，在保证天然气贸易计量的公平公正、推进我国计量技术发展中发挥了重要作用。

随着国内天然气消费量的稳定增长，进一步提高天然气贸易计量准确度的需求越来越强烈，越来越多的用户提出了0.5级流量计的检定需求，天然气跨国贸易交接用流量计的准确度等级均为0.5级。成都分站现有mt法原级标准装置及相应传递标准、工作标准在压力低于2.0 MPa时无法满足0.5级流量计的检定。同时，美国西南研究院气体研究院(SwRI GRI)的mt法原级标准装置压力为0.4~8.4 MPa、不确定度为0.04%~0.10%(k=2)^[2-4]，我国国家石油天然气大流量计量站南京分站于2019年将中高压mt法原级标准装置不确定度由0.10%优化为0.05%(k=2)、压力为5.5~8.0 MPa。因此, 迫切需要提高中低压mt法原级标准装置2.0 MPa以下技术水平，进而提高与传递标准、工作标准构成的量值传递体系的整体水平，才能更好地满足贸易计量用高准确度流量计的检定需求，并进一步提升我国在国内外天然气流量计量领域的地位和话语权，提高在跨国天然气贸易中的主动性。

1 mt法原级标准装置工作原理

mt法原级标准装置主要包括3 t专用电磁天平称量系统、时间测量系统、液压驱动快速换向阀组、配套压力温度测量仪表、在线色谱分析系统、数据采集和流量评价系统、计算机控制系统及配套工艺系统等，主要用于临界流文丘里喷嘴的检定、校准工作，实现量值传递。该装置是目前国内唯一一套以等臂电磁天平来测量质量的mt法天然气流量标准装置。图 1所示为中低压mt法原级标准装置流程示意图。

图 1 中低压mt法原级标准装置流程示意图

来自上游的检定介质(天然气)流经临界流文丘里喷嘴后进入出站系统，流过临界流文丘里喷嘴喉部的气体流量随节流压力比(即喷嘴出口压力与上游压力之比)的减小而增大；当节流压力比低于临界背压比时，在喷嘴喉部形成临界流状态，气流达到最大速度(当地音速)，此时，流过喷嘴的气体质量流量只与喷嘴入口处的滞止压力和滞止温度有关，而不受下游状态变化的影响^[5]；通过液压驱动的2只快速切换阀状态变化，驱使流向出站系统的天然气改变流动方向而流向称量罐；由测量系统同时测量充气时间、被检流量计处压力温度、附加管路压力温度等相关参数；通过测量称量罐与附加管路中的天然气质量变化，得到在充气时间内流经临界流文丘里喷嘴的气体质量。气体质量流量可由式(1)计算得到。

$ q_m=m / t $

(1)

式中：q_m为mt法原级标准装置气体质量流量，kg/s；m为充入的气体质量，kg；t为充气时间，s。

m由以下公式计算得到：

$ m=\Delta m_{\mathrm{c}}+\Delta m_1+\Delta m_2+\Delta m_{\mathrm{b}} $

(2)

$ \Delta m_{\mathrm{c}}=m_{\mathrm{cf}}-m_{\mathrm{ci}} $

(3)

$ \Delta m_1=m_{1 \mathrm{f}}-m_{1 \mathrm{i}} $

(4)

$ \Delta m_2=m_{2 \mathrm{f}}-m_{2 \mathrm{i}} $

(5)

$ \Delta m_{\mathrm{b}}=m_{\mathrm{bf}}-m_{\mathrm{bi}} $

(6)

式中：Δm_c为称量罐充气前后的气体质量变化量，kg；Δm₁为附加容积1充气前后的气体质量变化量，kg；Δm₂为附加容积2充气前后的气体质量变化量，kg；Δm_b为充气前后的空气浮力变化量，kg；m_cf为称量罐充气后的气体质量，kg；m_ci为称量罐充气前的气体质量，kg；m_1f为附加容积1充气后的气体质量，kg；m_1i为附加容积1充气前的气体质量，kg；m_2f为附加容积2充气后的气体质量，kg；m_2i为附加容积2充气前的气体质量，kg；m_bf为充气后称量罐受空气浮力等效质量，kg；m_bi为充气前称量罐受空气浮力等效质量，kg。

2 mt法原级标准装置不确定度影响因素及技术改进措施

2.1 优化前装置不确定度评定

结合式(1)和式(2)，质量流量测量不确定度计算公式如式(7)所示：

$ \begin{aligned} & u_{\mathrm{r}}\left(q_{\mathrm{su}}\right)= \\ & \sqrt{c_{\mathrm{r}}(\mathrm{t})^2 \cdot u_{\mathrm{r}}^2(t)+c_{\mathrm{r}}(\Delta m)^2 \cdot u_{\mathrm{r}}^2(\Delta m)+c_{\mathrm{r}}(Q T)^2 \cdot u_{\mathrm{r}}^2(Q T)} \end{aligned} $

(7)

式中：u_r(q_m)为mt法流量标准装置质量流量测量相对标准不确定度；c_r(t)为时间测量的相对标准不确定度的灵敏系数；u_r(t)为时间测量相对标准不确定度；c_r(Δm)为装置质量变化测量的相对标准不确定度的灵敏系数；u_r(Δm)为装置质量变化测量的相对标准不确定度；c_r(QT)为其他影响因素相对标准不确定度的灵敏系数；u_r(QT)为其他影响因素相对标准不确定度。

u_r(Δm)计算公式如式(8)所示：

$ u_{\mathrm{r}}(\Delta m)=\frac{\sqrt{u^2\left(\Delta m_{\mathrm{c}}\right)+u^2\left(\Delta m_1\right)+u^2\left(\Delta m_2\right)+u^2\left(\Delta m_{\mathrm{b}}\right)}}{\Delta m} $

(8)

式中：u(Δm_c)为称量罐内气体质量变化测量的标准不确定度，g；u(Δm₁)为附加管路1质量变化测量的标准不确定度，g；u(Δm₂)为附加管路2质量变化测量的标准不确定度，g；u(Δm_b)为空气浮力变化带来的质量测量标准不确定度，g；Δm为装置质量变化量，g。

表 1所列为优化前mt法原级标准装置质量流量测量不确定度评定结果。

表 1 优化前mt法原级标准装置质量流量测量不确定度评定结果

2.2 不确定度分量权重计算及关键影响因素确定

为明确主要影响因素，需要分析各测量不确定度分量在质量流量测量不确定度中所占的权重。根据测量不确定度传播规律，可按式(9)计算权重：

$ W(X)=\frac{u_{\mathrm{r}}^2(X)}{u_{\mathrm{r}}^2\left(q_m\right)} \times 100 \% $

(9)

式中：W(X)为某测量不确定度分量相对标准不确定度占质量流量相对标准不确定度的权重，%；u_r(X)为某测量不确定度分量的相对标准不确定度，%。

表 2所列为mt法原级标准装置质量流量测量不确定度分量权重及优化思路。

表 2 质量流量测量不确定度分量权重及优化思路

2.3 不确定度优化措施

2.3.1 天平系统优化

历年电磁天平校准不确定度统计结果(见图 2)表明：天平本身开关重复性等性能良好，校准结果不确定度部分可以达到甚至低于不确定度0.5 g(k=2)，此结果是在静态称量砝码的状态下计算得到的，但在实际运行时，由于称量罐的升降、进出而导致晃动或位置变化带来的称量结果变化可以达到1.0 g左右。因此，须对现有设计测量不确定度1.0 g(k=2)的电磁天平机械及电磁测量系统进行升级改造，将天平实际分度值从0.1 g降至0.05 g，才能在动态称量时质量测量不确定度≤0.5 g(k=2)。

图 2 历年电磁天平校准不确定度统计

2.3.2 称量罐浮力削减措施

图 3所示为电磁天平读数稳定性实验结果。由图 3可得: 在低压工况条件下, 称量罐质量测量结果呈现波动，1 h内最大变化为0.6 g左右，读数波动的相对影响量可以达到0.009%, 同时，充气带来的罐内压力增加，对浮力变化影响量预估约为0.2 g; 在高压大流量工况条件下, 称量罐质量测量结果短时间就呈现明显的上升趋势，1 h内最大变化达到3.0 g，空气浮力影响比较明显，但相对影响量小于0.003%。因此，需要对称量罐进行改造，以减少空气浮力对称量罐内气体质量称量结果的影响。

图 3 称量不同质量气体天平读数变化情况

浮力削减主要是从优化称量罐来予以消除，有两个技术思路，一是更换为钛合金罐，二是改造现有不锈钢称量罐的保温层。从技术经济合理性考虑，拟优化现有称量罐保温层。

经调研及技术分析，提出两个保温层优化技术方案：方案一是将原称量罐改造为全新真空保温层的“恒浮罐”, 其优点为保温性能好, 但缺点为质量增加过大, 对天平性能影响较大, 且在使用过程中需配备真空泵等设备来保持恒浮罐真空层的真空度，使用过程复杂；方案二是采用气凝胶保温层的称量罐, 保温性能较原始称量罐有明显提高，再经过恒浮工艺处理，重量增加少, 对天平性能影响也较小, 使用过程与原始罐类似，无须增加运行保障设备。考虑原始称量罐保温能力已基本满足保温性能的要求，欠缺的是没有恒浮效果, 故推荐选择方案二。称量罐优化前后技术参数与使用效果对比见表 3。

表 3 称量罐优化前后技术参数与使用效果对比

2.3.3 其他项目优化措施

其他项目优化前后的效果对比见表 4。

表 4 其他项目优化前后效果对比

3 优化后mt法原级标准装置不确定度预评估及验证

3.1 优化后mt法原级标准装置不确定度预评估

目前，已完成滞止温度测量系统、时间测量系统及数据采集系统的优化措施的实施，天平系统、称量罐浮力削减与其他影响因素的优化措施有待进一步实施。按照式(7)可得到优化后mt法原级标准装置不确定度预评估结果(见表 5)。

表 5 优化后mt法原级标准装置质量流量测量不确定度预评估结果

3.2 优化后mt法原级标准装置校准结果不确定度

mt法原级标准装置通常用于临界流文丘里喷嘴的校准，根据JJG 620—2008《临界流文丘里喷嘴》，流经临界流文丘里喷嘴的质量流量q_m可按式(10)计算^[6-7]：

$ q_m=\frac{\pi}{4} D^2 \cdot C_{\mathrm{d}} \cdot C_* \cdot \frac{p_0}{\sqrt{(R / M) T_0}} $

(10)

临界流文丘里喷嘴流出系数按式(11)计算：

$ C_{\mathrm{d}}=\frac{q_m \cdot \sqrt{(R / M) T_0}}{\frac{\pi}{4} D^2 \cdot C_* \cdot p_0} $

(11)

式中：C_d为经校准后确定的喷嘴流出系数，无量纲；q_m为mt法原级标准装置气体质量流量，kg/s；D为喷嘴喉部直径，mm；C_*为实际气体临界流函数，无量纲；p₀为喷嘴滞止压力，Pa；T₀为喷嘴滞止温度，K；R为通用气体常数，8.314 462 1 J/(mol·K)；M为气体摩尔质量，kg/mol。

由于C_*为p₀、T₀和气体组分的函数，因已考虑了p₀、T₀和气体物性的不确定度，则不再重复计算此项不确定度。同时，p₀和T₀的相关性、R的不确定度可忽略。因此，流出系数合成相对标准不确定度可简化为式(12)^[8]：

$ \begin{aligned} & u_{\mathrm{r}}\left(C_{\mathrm{d}}\right)= \\ & \sqrt{u_{\mathrm{r}}^2\left(q_m\right)+u_{\mathrm{r}}^2(r e)+4 u_{\mathrm{r}}^2(D)+u_{\mathrm{r}}^2\left(p_0\right)+\frac{1}{4} u_{\mathrm{r}}^2\left(T_0\right)+u_{\mathrm{r}}^2(M)} \end{aligned} $

(12)

式中：u_r(C_d)为mt法原级标准装置校准喷嘴流出系数相对标准不确定度；u_r(q_m)为原级标准质量流量的相对标准不确定度；u_r(re)为原级标准装置校准喷嘴的重复性引入的相对标准不确定度；u_r(D)为喷嘴喉部直径测量的相对标准不确定度；u_r(p₀)为喷嘴滞止压力测量的相对标准不确定度；u_r(T₀)为喷嘴滞止温度测量的相对标准不确定度；u_r(M)为气体摩尔质量测量相对标准不确定度。

由式(12)和校准实验数据重复性，计算得到临界流文丘里喷嘴校准结果不确定度(见表 6)。

表 6 优化后mt法原级标准装置校准临界流文丘里喷嘴不确定度

3.3 不确定度评定结果验证

为验证优化后的mt法原级标准装置校准能力，在申请实验室(成都分站)试验压力2.0 MPa和0.8 MPa天然气介质和审核实验室(中国计量科学研究院)2.0 MPa和0.8 MPa空气介质开展测量审核工作。测量审核标准装置及传递标准基本信息如表 7所列。

表 7 测量审核标准装置及传递标准基本信息表

测量审核满意度判定见式(13)^[9]：

$ \left|E_{\mathrm{n}}\right|=\frac{\left|y-y_0\right|}{y_0 \times \sqrt{U^2+U_0^2}} $

(13)

式中：|E_n|为测量审核满意度；y₀为中国计量科学研究院原级标准装置测量得到的喷嘴流出系数参考值；y为成都分站原级标准装置测量得到喷嘴流出系数的测量值；U₀为中国计量科学研究院评定的参考值y₀的测量不确定度(k=2)；U为成都分站评定的测量值y的测量不确定度(k=2)。

若|E_n|≤1，测量结果符合要求；|E_n|越接近0，两个实验室测量结果越接近；若|E_n|＞1，则不满足要求，需要分析查找原因。

按照上述测量审核满意度判定方法，计算了mt法原级标准装置优化前后的测量审核结果(见表 8)。

表 8 mt法原级标准装置优化前后测量审核结果

从以上测量审核结果可看出，优化前两个流量点的|E_n|均小于1，测量审核结果为满意。将优化后校准结果不确定度的估算值0.10%代入式(13)，计算得到优化后的两个流量点的|E_n|也均小于1，验证了mt法原级标准装置质量流量测量不确定度全量程实现0.05%的可行性。

4 结语

(1) 质量称量，环境温、湿度，非计量漏失及时间测量是影响mt法原级标准装置质量流量测量不确定度的主要影响因素。

(2) 研究提出的天平系统升级、称量罐改造、滞止温度优化、时间测量系统及环境条件改善可降低mt法原级标准装置质量流量测量不确定度。

(3) 优化后的mt法原级标准装置质量流量测量不确定度预评估值为0.05%(k=2)，校准结果不确定度估算值为0.10%(k=2)，经中国计量科学研究院测量审核，|E_n|均小于1, 测量审核结果满意。

(4) 建议加快优化措施的落实，进一步通过大量实验数据验证mt法天然气流量原级标准装置质量流量测量不确定度全量程达到0.05%(k=2)。

参考文献

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