天然气孔板流量计的不确定度研究

引言

孔板流量计在 20 世纪使用于天然气流量测量，经过一个世纪漫长的发展过程，它已成为全世界最主要的天然气流量计。目前我国天然气计量专业性标准为《天然气流量的标准孔板计量方法》(sy/t6143- 1996)[1]。

1 天然气孔板流量计的组成

孔板流量计由产生压差的一次装置-孔板节流装置和二次检测仪表-差压计、压力计、温度计和相关参数仪器仪表加信号引线等组成，如图 1 所示。

2 天然气孔板流量计适用条件

孔板流量计是以相似原理为根据，以实验数据为基础的瞬时流量计，从一次装置的几何尺寸到流体流动状态都有一定的要求。

2.1 一次装置几何尺寸限制条件

sy/t 6143—1996 要求：

孔板开孔直径 d≥12.5mm;

测量管内径必须满足 50mm≤d≤1000mm;

孔径比必须满足 0.20≤β≤0.75;

一次装置的结构设计、加工、装配、安装、检验和使用必须符合标准规定的全部技术要求。

2.2 气质和气流状态条件

sy/t6143- 1996 标准中规定，气流必须是单相的牛顿流体，若气体含有质量成分不超过 2%的固体或液体微粒，且成均匀分散状态，也可以认为是单相的牛顿流体。

我国石油天然气行业标准 sy/t 7514《天然气》标准所规定的各种类别天然气都适用。

2.3 流动状态的要求

孔板流量计的流出系数 c 是在特定的实验室参比条件下，通过大量的实验数据推导得出的计算方法，并通过实践检验是正确的。同时，差压式流量计算基本方程的推导也是基于这样的假设流动条件下，偏离标准规定的流动状态条件将会产生难以估计的流量测量不确定度。因此，气流流动状态应符合如下四条要求：

(1) 天然气通过孔板节流装置的流动必须是亚音速的、稳定的或仅随时间缓慢变化的，无脉动流存在。

(2)天然气流必须是单相的牛顿流体。

(3)天然气流流进孔板以前，其流速必须是与管道轴线平行，对称充分发展的速度分布剖面，无旋转流存在。

(4)天然气通过孔板节流装置的流动，必须保持孔板下游静压与孔板上游静压之比不小于 0.75，管道雷诺数re≥5000(角接取压)和管道雷诺数 re≥1260β2d(法兰取压)。

因此，在选型设计时一定要配合计量站工艺参数仔细核算和流态分析，力争达到最佳的流量测量效果。

3 准确度要求和不确定度分析

3.1 流量计量准确度的要求

国际法制计量组织(oiml)流量计量技术委员会的气体计量分委员会于 1997 年制定了“气体燃料计量系统”国际建议。欧洲标准化委员会起草了欧共体标准 pren1776 “天然气计量系统的基本要求”[3]。它们都是为提高和确保天然气计量准确度而对输配计量站的设计、建设、投产、操作和维修等方面提出的基本技术要求。

国际建议中将计量站分为 a、b、c 三个等级，对不同的流量规模配备的二次测量仪表要求不同。该建议适用于流量等于或大于 100m3/h，运行压力不低于 0.2mpa 的情况。它对热值测量、测温、测压、取样以及包括指示、打印、存储、转换和积算等系统部件或设备都作了相应的技术规定。表 1 为测量仪表和计算结果的最大允许误差(准确度)。

3.2 孔板流量计不确定度变化范围分析标准 iso 5167、gb/t2624- 93、sy/t6143—1996, 以及 aga no3 报告估算流量测量不确定度公式都是相同的，估算的方法大同小异，其不确定度值大致相等，结论大体一致，如图 2 所示。

3.2.1 一次装置不确定度变化分析

流出系数不确定度变化当直管段长度符合 sy/t6143—1996 的规定的数值 a(表 2 中不带括号中的数值)，圆度满足不大于±0.3%的标准规定，当孔板开孔轴线与上下游测量管轴线之间的距离为 ex：

则流出系数不确定度δc/c 只随 β 值的不同而不同。

此时，当β ≤0.6 时，则 δc/c=±0.6% ;当 β>0.60 时，则δc/c=±β%[2]。

3.2.2 天然气物性测量不确定度变化分析

(1)天然气可膨胀性系数不确定度的估算a.天然气可膨胀性系数的不确定度

δε/ε=±4(δp/p1)%

它与孔板流量计实测差压δp 成正比，与静压 p1 成反比。

目前在天然气计量中差压值一般在 50000pa 之内，静压在 1~10mpa 范围内，因此 δε/ε 最小为±0.00002%，最大为±0.2%或更大[4]。

b.当上游或下游直管段长度小于该标准中规定数值 a(表 1 中不带括号中的数值)，又等于或大于数值(表 1 中带括号中的数值)时，则应在流出系数不确定度上相加±0.5%的附加不确定度。

c. 当在上游直管段长度范围内的任何台阶超过±0.3%圆度要求，但符合下列公式时，应在流出系数不确定度上相加±0.2%的附加不确定度。

d. 当孔板开孔轴线与上下游测量管轴线之间的距离ex不满足公式(1)，但满足(2)，则应在流出系数不确定度上算术相加±0.3%的附加不确定度。e. 当孔板入口直角边缘的尖锐度 rk的单测值与平均值比较，最大偏差在±20%以内时，则在流出系数不确定度上几何相加±0.2%的不确定度。

(2)天然气密度测量不确定度 δρ/ρ 的估算

根据目前现场常用仪表的使用范围，所遵守的标准、规程规范进行具体计算综合考虑，在不考虑取气样的间隔时间内由于天然气组分变化(或波动)所引起的附加不确定度时，天然气密度测量的不确定度δρ/ρ 最小为±1.013%，最大为±1.571%或更大。

由(1)和(2)两项组成天然气物性测量不确定度的变化为：最小为±1.013%，最大为±1.584%或更大。

4 结束语

孔板天然气流量测量的总不确定度，实际上就是测量系统的测量值与真值比较，置信概率为 95%的准确度。根据目前天然气流量测量系统经常贯用的二次仪表和测量值的计算积算方法，按 sy/t6143—1996 标准有关条款规定和所列公式进行估算，得知天然气流量测量的总不确定度δqn/qn最小为±0.82%，最大为±4.52%或更大。由此分析，可知国际建议的 a、b、c 三级分别定级为 1.0%、2.0%和 3.0%。

参考文献

[1] 冯磊.浅谈流量仪表的合理选型对能耗的分析与应用.中国仪器仪表,2009(7).

[2] 钟水清.天然气计量有关公式剖析.钻采工艺, 2004(6).

[3] 王东.差压式孔板流量计的误差来源与控制对策.天然气工业,2004(10).

[4] 宋艾玲. 差压式孔板流量计计量不准确度分析. 钻采工艺,2006(2).