空氣和高壓天(tian)然氣實流标定(ding)渦輪流量計的(de)差異🎯 發布時間(jiān):2020-3-23 08:30:39
摘要:随着天然(rán)氣供求量的高(gāo)速增長,國家級(ji)天然氣🚩實流🏃🏻檢(jian)定站的産能無(wú)法滿足城市管(guǎn)網和地區輸配(pèi)氣幹線上中、高(gao)壓天♻️然氣流量(liang)計的周期性檢(jian)定的需求,大量(liàng)涉及貿易結算(suan)的渦輪流量計(jì) 隻能被送至法(fǎ)定計量檢定機(ji)構在常壓空氣(qì)下标定,對于其(qí)檢定結論和校(xiào)準數據是否适(shi)用則存在♉着争(zheng)議。爲此,分别在(zài)常壓(0.1MPa)空氣流量(liang)标準裝置和德(dé)國國家高壓(2.5MPa和(hé)5MPa)天然氣🎯流量标(biao)♍準裝置上對32台(tai)渦輪流量計進(jìn)行了實流标定(ding),引入渦輪流量(liang)計擴展校🔞準模(mo)型,并基于雷諾(nuo)數對誤差作了(le)對比分析。研究(jiu)♊結果表明:①常壓(ya)和高壓下的誤(wu)差線分别位于(yú)兩個不同的流(liu)動特征區域,不(bu)具有可比性;②在(zai)分界流量以上(shang)區域,渦輪流量(liang)🧑🏾🤝🧑🏼計的誤差僅随(sui)雷🔴諾數而變化(hua);③在各段壓力工(gōng)況中,存在着誤(wu)差接近的雷諾(nuò)數重💞疊區;④工況(kuàng)壓力增加,所對(duì)應的誤差數據(jù)🌏可以被認🛀爲是(shì)對渦輪流量計(ji)精度性能的連(lian)續延拓;⑤不同的(de)工作介質對渦(wo)輪流量計的性(xing)能沒有明顯的(de)影響。結論認爲(wei)🧑🏽🤝🧑🏻,常壓空氣下的(de)标定數據不能(neng)用于0.4MPa以上工況(kuang)流量計的檢定(ding)和校準,在壓力(li)限制條件下使(shǐ)㊙️用空氣标定高(gāo)壓天然氣流量(liàng)計是一種可行(háng)的方案。 0引言 天(tiān)然氣是優質高(gao)效、綠色清潔的(de)低碳能源,随着(zhe)經濟發⭐展、能源(yuán)消費增長和二(er)氧化碳減排要(yào)求日趨嚴格,有(you)效♌開發、利用🈲天(tiān)然氣已經成爲(wèi)我國推進能源(yuan)生産和消費革(ge)命的重要路徑(jing)之一[1-2]。預計到2020年(nián)我國天然氣♊的(de)表觀消費量将(jiāng)超💞過3500×108m3,進口天然(rán)氣量将超過1200×108m3[3]。提(ti)高天然氣貿易(yì)交接計量精度(dù)是客觀公正地(di)維護貿易雙方(fang)合法經濟利益(yì)的關鍵[4-8]。 渦輪流(liú)量計因其精度(dù)高、重複性好、無(wú)零點漂移、抗幹(gàn)擾性強、量程範(fàn)圍寬的特點[9],被(bèi)廣泛用于天然(ran)氣貿易交接,但(dàn)其缺點之一是(shi)流體的物性對(duì)流量特🙇♀️性影響(xiǎng)較大[10],不同介質(zhì)、不同工況所導(dǎo)緻的氣體物性(xìng)變化對渦輪流(liu)量計的精度有(you)影響[11];另一個缺(que)點是不能長期(qī)保持校準特性(xing),伴随着輸氣系(xi)統管道網絡的(de)大規模建設,必(bì)須定期對用于(yú)天然氣貿易🍓結(jie)算的流量計進(jin)行實流标定。 目(mu)前國内實流标(biao)定流量計主要(yao)有兩種方式:①以(yǐ)天然☁️氣💋爲⚽工🈚作(zuo)介質的直排方(fāng)案,利用輸氣管(guan)線上遊的自身(shēn)壓力和氣量,在(zai)正壓下标定流(liu)量計,之後工作(zuo)介質🏃進入低壓(yā)管線或下遊低(dī)壓區;②以空氣爲(wèi)工作介質在🤞常(cháng)壓下标定。爲了(le)盡🌈可能接近天(tiān)然氣流☀️量計的(de)實際工況,我國(guo)建立了9個國家(jia)石油天然氣大(dà)流量計量㊙️站(截(jié)至2025年12月)用于解(jie)決高壓天然氣(qì)流量計的實流(liú)标定與量傳🔞溯(sù)源問題。然而,随(suí)着天然氣供求(qiú)的高速增長,上(shang)述國家級天然(ran)氣實流檢定站(zhàn)的産能無法滿(man)足城市管網和(hé)地區輸配氣幹(gan)線上中高壓天(tian)然氣流量計的(de)周期性檢定需(xū)求。大量涉及貿(mào)易結算、屬強制(zhi)檢定範疇的渦(wo)輪流量計的準(zhun)确性和有效性(xing)無法得到保🏃🏻♂️證(zhèng),隻能送至法定(dìng)計量檢定機🔞構(gou)在常壓空氣下(xià)标定。因此,渦輪(lun)流量計在不同(tóng)介質、不同工況(kuang)條件下的精度(dù)差異受到了⭕天(tiān)然氣工業和流(liú)量測量學術界(jie)的關注[12-15]。特别是(shi)使🌈用常壓空氣(qi)标定的數據結(jie)果或檢定結論(lun)是否适用于 天(tian)然氣渦輪流量(liàng)計 存在争議。 1實(shí)驗工況條件 2015—2018年(nian),某研究院對兩(liǎng)家生産商共32台(tai)進口天然氣渦(wō)輪流量計🈲實施(shī)檢定,流量計入(ru)關前都在德國(guo)國家高壓天然(ran)氣流量标準㊙️裝(zhuang)置(Pigsar)進行了實流(liú)标定,其中制造(zào)商A提供了8台DN200mm 流(liu)量計(标定壓力(lì)爲2.1MPa),制造商B提供(gòng)了10台DN150mm(标定壓力(li)爲5MPa)和14台DN250mm流量計(jì)(其中7台在2.4MPa壓力(li)下标定,另7台在(zài)5MPa壓力下标定)。Pigsar的(de)主标準器是9台(tai)渦輪流量計,量(liang)程介于3~6500m3/h,裝置的(de)擴展不确定度(dù)(Urel)爲0.12%(包含因子k爲(wèi)2),流量标準值是(shì)荷蘭—法國—德🔴國(guo)統一參⛱️考值(HarmonizedReferenceValue)。某(mou)研究院使用臨(lin)界流文丘裏噴(pen)嘴法🐕氣體流量(liang)标準裝置,工作(zuo)介質是常壓空(kōng)氣,量程介于2~4500m3/h,Urel爲(wei)0.16%(包含因子k爲2),16個(ge)噴嘴溯源到中(zhōng)國計量科學研(yan)究院🈲的pVTt法氣體(tǐ)流量國🛀家基準(zhǔn)。 盡管測量期較(jiào)長,兩個标準裝(zhuang)置的工作介質(zhì)和工況♈均比較(jiào)穩定,天然氣裝(zhuang)置(Pigsar)的溫度介于(yú)17~20℃,當工作壓力介(jiè)于2.3~2.4MPa時,天然‼️氣動(dòng)力黏度(μ)爲1.18×10-5Pa·s;當工(gōng)作壓力介于4.8~5.0MPa時(shí),μ爲1.28×10-5Pa·s。常壓空氣裝(zhuāng)置的溫度介于(yú)19~21℃,實驗室✊壓力介(jie)于0.1003~0.1013MPa時,μ爲1.81×10-5Pa·s。鑒于同(tong)一制造商🎯相同(tong)口徑流量計的(de)🧑🏽🤝🧑🏻型号規格相同(tóng),篩選出具有代(dai)表性🍉的标定數(shu)據,繪制成體積(ji)☀️流量—誤差曲線(xian),如圖1所示。 同一(yī)流量計在高壓(yā)天然氣裝置與(yu)常壓空氣裝置(zhi)♌下😍的誤差曲🏒線(xiàn)存在差異,在分(fen)界流量點(qt)爲0.2qmax以(yi)下時,常壓空氣(qì)下出現“駝峰區(qū)”,導緻差異較大(da),駝峰點處最大(dà)的差異達到0.7%。大(da)口🏃♀️徑(DN250mm)渦輪流量(liàng)計在空氣裝置(zhì)下的駝峰效應(ying)減弱,駝峰點處(chu)的差異減小。渦(wō)輪流量計在高(gāo)壓❌天然氣下的(de)體積流量—誤差(cha)曲線基本呈現(xiàn)良好的線性趨(qu)勢,特别是在5MPa時(shi),線性特征💁顯著(zhe)。然而在常壓空(kōng)氣工況下,某一(yī)類型的DN250mm流量計(ji)在駝峰⭐點以下(xia)的誤差随👄流量(liàng)的減小急劇下(xià)降,導緻高壓天(tian)然氣與常壓空(kong)氣☔的誤差最大(da)差異出現在最(zuì)小流量點及其(qi)附近的始動流(liu)量區,最大相差(cha)1.4%。從圖1所示的點(dian)對點誤差對比(bǐ)來看,不同的流(liú)量計規格、不同(tong)工作壓力下展(zhǎn)現出來的兩條(tiao)誤差曲線差異(yì)各不相同,有的(de)差異并不大(0.1MPa空(kong)氣和2.4MPa天然☔氣的(de)DN250mm流量計,差距甚(shen)至小于0.2%),有的差(cha)異超過1%,誤差曲(qu)線的形🚶狀也完(wán)全不同,這樣的(de)數據對比會導(dǎo)緻争議:根據常(chang)💯壓空氣下的标(biao)定結果能否判(pan)斷流量計是否(fǒu)合格,标定的數(shù)據能否用于校(xiào)準該🌈流量計。因(yin)此,引入渦輪流(liú)量計擴展校準(zhun)模型作進一步(bu)⛱️分⛱️析。 2渦輪流(liú)量計擴展校準(zhun)模型 Lee等[15-16]研究了(le)流體密度、黏度(dù)對渦輪流量計(jì)性能的影響,在(zai)此基礎上,美國(guo)國家标準與技(ji)術研究院的Pope等(děng)🌈[17]和Wright等[18]擴展了Lee模(mó)🤞型,研究了😘低雷(lei)諾數下渦輪流(liú)量計🙇♀️示值誤差(chà)随工✉️作介質運(yun)動黏度變化所(suǒ)呈現的扇形特(te)征。該模型将基(jī)于角頻率(ω,rad/s)的流(liú)量計儀表系數(shu)♊(Kω,rad/m3)表示爲對理想(xiang)流量計儀表系(xi)數(Ki,rad/m3)[19]的修正,如下(xia)所示: 式中q表示(shi)體積流量,m3/s;ν表示(shì)介質的運動黏(nián)度,m2/s;雷諾數Re=4q/(πdν);d表示(shì)流量計口徑,m;ρ表(biǎo)示介質的密度(dù),kg/m3;C'D、C'B0、C'B1和C'B2分别表示4個(ge)🐇待定系數,在某(mou)個流☀️量點下标(biāo)定出的儀表系(xi)數(Kf,表示單位體(tǐ)積流體通過🐕流(liú)量計時,流量計(ji)輸出的脈☂️沖數(shù),1/m3)和轉子葉片頻(pin)率(f,s-1)的關系爲: 式(shi)(4)中括号所示的(de)修正包括4個部(bu)分,從中括号内(nei)第二🛀🏻項開始依(yī)次爲:①僅和雷諾(nuo)數有關的流體(ti)阻力項;②軸承靜(jing)态阻力項;③軸承(chéng)黏性阻力項;④由(you)于軸向推力和(he)動态不平衡引(yǐn)起的軸承阻🔞力(lì)項。于🤞是修正項(xiàng)分成兩部分:流(liú)體阻力項和軸(zhóu)承阻力項,流體(ti)阻力項在分界(jie)流量以上的區(qu)域起主要作用(yòng),且僅與雷諾數(shù)有關,在不同👣的(de)運動黏度(例如(ru)改變工作介質(zhì))下測得的誤❗差(chà)保持不變;軸承(cheng)阻力項起主要(yào)作用的🚶是🔞分界(jiè)流量以下的區(qu)域,因爲阻力作(zuo)用在轉子上,轉(zhuan)子受運🌐動黏度(du)的影響,所以在(zài)駝峰上升區,同(tóng)一雷諾數下不(bú)同運動黏度的(de)介質會導緻☔誤(wù)差的差✂️異,在雷(lei)諾數—誤差曲線(xiàn)上呈現扇形特(tè)征[20]。 渦輪流量計(ji)是根據工況體(tǐ)積流量發出脈(mo)沖或頻率,将雷(lei)諾數表達式代(dai)入式(4)可知,影響(xiang)渦輪流量計精(jīng)度‼️的相關特性(xìng)是運動黏度,而(ér)不是動力黏度(dù)[21]。即🧑🏾🤝🧑🏼使工質的動(dòng)力黏度相近,由(yóu)于運動黏度的(de)密度依🚩賴性,特(tè)别是天然氣(2.5MPa)與(yu)空氣(0.1MPa)之間25倍的(de)壓力差,導緻兩(liang)個工況的雷諾(nuò)數存在顯著差(cha)異。所以,應當基(jī)于雷諾數,使兩(liǎng)個工況下的誤(wu)差🌈對比符合流(liu)動相似準則的(de)要求。 3基于雷諾(nuò)數的誤差對比(bi)與分析 圖2所示(shi)是上述渦輪流(liu)量計基于雷諾(nuò)數的誤差對比(bǐ)圖,兩🌈條誤👅差線(xiàn)分别處于兩個(gè)不同的流動特(tè)征區域,并不具(jù)有可比性,而是(shi)反映了該流量(liang)計的精度随雷(léi)諾數變化的情(qing)況。此外,由于流(liú)量計的體積👅流(liu)量量程🔆範圍一(yī)定而工況壓力(li)不同,常壓雷諾(nuo)數上限與高壓(yā)雷諾數的下限(xian)存在間隔,且工(gōng)況壓力相差越(yuè)小,間隔😄越小。随(suí)着間隔🤟差距縮(suo)小,誤差越來越(yue)接近,DN200mm和DN250mm(2.4MPa天然氣(qi)🧑🏽🤝🧑🏻)流量計的誤差(cha)随雷諾數呈現(xiàn)幾乎連續的變(biàn)化,符合式(4)表征(zhēng)的物理意義,即(ji):流體阻力項在(zài)分界流量以上(shàng)的區域起主要(yao)作用,流量計示(shì)值誤差僅與雷(léi)諾數有關。若上(shang)述間隔的雷諾(nuo)數差距在可接(jiē)受的範圍内🚶,則(zé)可以進行常壓(yā)空氣與高壓天(tian)然氣之間點對(dui)點的誤差🐉比較(jiào),但是受當前實(shi)驗條件🐪所限,圖(tu)2所示的數據并(bìng)🧑🏾🤝🧑🏼不支持🌈這樣的(de)對比。因此,增加(jia)了高壓空氣下(xià)的标定實驗。一(yī)台經過常壓空(kong)氣标定的DN100mm渦輪(lún)流量計分别在(zài)🈲德國一家企業(yè)的高壓空氣(1.6MPa、2.6MPa)環(huan)道(2~1600m3/h,Urel=0.20%,k=2)和德國國家(jiā)高壓天然氣流(liu)量标準裝置(Pigsar,5.1MPa)進(jin)行标定,誤差曲(qu)線如圖3-a所示。 0.1MPa常壓空氣的(de)上限和2.6MPa高壓空(kong)氣的下限雷諾(nuò)數差距📐爲2.72×104,兩🏃♀️者(zhe)對🌏應的誤差相(xiàng)差0.24%,小于兩套裝(zhuāng)置的合成擴展(zhǎn)不确定度0.25%。3個空(kong)氣(0.1MPa、1.6MPa和2.6MPa)的測量結(jié)果出現兩段雷(lei)諾🚶數重疊,重疊(dié)區内誤差僅有(you)不👣到0.2%的差異。高(gao)壓空氣(2.6MPa)和高壓(ya)天然氣(5.1MPa)的部分(fen)誤差數♊據在點(dian)對☁️點比較中差(cha)異小于0.1%。圖🌂3-a中出(chū)現的數據段重(zhong)疊,可以認爲是(shì)流🏃♀️量計精度性(xìng)能的延拓。圖3-a還(hái)表🔅明,壓力差異(yi)對⭕流量⛹🏻♀️計性能(neng)的影響顯著,與(yǔ)之相較,不同工(gong)作介質引起的(de)差異很小。 圖3-b所(suǒ)示的是荷蘭國(guó)家計量研究院(yuan)提供的DN250mm渦輪流(liu)量計在空氣(0.1MPa,0.8MPa)和(he)天然氣(6.0MPa)下的測(ce)試數據,結果表(biǎo)明,流💃量計🧑🏾🤝🧑🏼誤差(chà)随雷諾數‼️變化(hua)特征明顯,誤差(cha)在雷諾數🔞介于(yú)2.72×104~3.14×105(常壓空氣—中壓(yā)空氣)和雷諾數(shu)介于(1.12~2.77)×106(中壓空氣(qi)—高壓天然氣)兩(liang)段有較好的重(zhong)疊與銜接,基于(yu)雷諾⭐數重疊可(ke)以估計其他相(xiang)近壓力(或其他(tā)工作介質)的誤(wù)差曲線,但是在(zai)量程範圍以外(wai),不能外推出誤(wu)差。鑒于 氣體渦(wō)輪流量計 性能(néng)受壓力影響,GB/T21391—2008“用(yong)氣體渦輪流量(liang)計測量天然氣(qì)流量”[22]和歐洲标(biao)準EN12261“渦輪流量計(jì)”特别強調:對用(yong)戶規定的工作(zuò)😘壓力大于0.4MPa的流(liu)量計,需在一個(ge)或多個壓力下(xia)進行校準。如果(guo)用戶指定的工(gong)作壓力範圍的(de)上限值小于或(huò)等于4倍的下限(xiàn)值,要求選定校(xiào)準工作壓力p1,使(shǐ)[0.5p1,2.0p1]覆蓋用戶指定(ding)的工作壓力的(de)上下限;當♻️上限(xian)值大于下限值(zhí)的4倍,需要增加(jiā)一個壓力試驗(yan)點p2,且p1<p2,使[0.5p1,2.0p2]能夠覆(fu)蓋用戶指定的(de)工作💚壓力的上(shàng)下限。根據上述(shù)規定,如果用戶(hu)指定這台DN250mm的渦(wō)㊙️輪流量計在0.8MPa和(he)6.0MPa下工💔作,可以選(xuǎn)定p1=1.6MPa和p2=3.0MPa作爲校準(zhǔn)工作壓力,根據(jù)上述雷諾數重(zhòng)疊區域的誤差(cha)數據銜接,可以(yi)估計該流量計(ji)在👅(0.8~6.0MPa)範圍内的誤(wu)差大小和變化(huà)趨勢。 4結束語 影(ying)響渦輪流量計(ji)精度的相關特(tè)性是工作介質(zhì)的運㊙️動黏度,由(yóu)于運動黏度的(de)密度依賴性,氣(qi)體渦輪流量計(ji)的性能主要🌈受(shòu)到工況壓力的(de)影響。如果兩個(gè)工況壓力相差(chà)大于4倍,那麽☎️渦(wō)輪流量計在相(xiàng)應工況下的誤(wù)差數據不具有(you)可比性,所以常(cháng)壓下的❌标定結(jie)果不能反映該(gāi)流量計在0.4MPa以上(shang)工況的計量性(xing)能,标定的數據(jù)也不能用于流(liú)量計的校準。 在(zai)分界流量以上(shang)區域,渦輪流量(liàng)計的誤差僅随(sui)雷諾數👈變化,工(gong)況壓力增加所(suo)對應的誤差數(shu)據可以認爲是(shì)對流量計精度(dù)性能的連續延(yan)拓。因此,基于雷(lei)諾數重疊可以(yǐ)估計其他相近(jin)壓力⚽(或其他工(gōng)作介質)的誤💞差(chà)。 實驗結果并沒(méi)有發現不同的(de)工作介質(例如(ru)天然氣和空氣(qi)✔️)對渦輪流量計(ji)的性能有明顯(xian)的影響,所以,在(zai)前述壓力限制(zhì)條件下,使用空(kong)氣标定高壓天(tian)✔️然氣流量計是(shi)🐇一種可行的方(fang)案。目前國家級(jí)天然氣實流檢(jian)定站都選址在(zài)主幹線附近,需(xū)要有穩定的氣(qì)源和低壓天然(rán)氣用戶,且直排(pái)方案投資巨大(da)。而閉環式高壓(ya)㊙️空氣流量标準(zhun)裝置具有以下(xia)優點:①不存在測(cè)試用氣體的排(pái)放問題;②沒有防(fáng)爆問題的困❄️擾(rao);③流量調節、壓力(lì)🧡調節和更換氣(qi)體等🐇問題迎刃(ren)而解;④裝置維持(chí)成本和能耗都(dōu)🌈比較低,因而計(ji)🛀🏻量技術機構已(yǐ)經開始這方面(mian)的研發工作[23],大(da)批城市管🌂網和(he)地區輸配氣幹(gan)線上中🌈高壓天(tian)然氣流量計的(de)🐇量傳溯源有望(wàng)得到解決。
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