郭婧

國家管網(wǎng)集團(tuán)北京管道公司

2024年國家石油天然氣大流量計(jì)量站北京分站（簡(jiǎn)稱北京分站）取得國家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局頒發(fā)的社會(huì)公用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)證書，標(biāo)志著次級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置成功獲得授權(quán)，可面向全國開展檢定及校準(zhǔn)業(yè)務(wù)，計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)水平進(jìn)一步提升。

1  臨界流文丘里噴嘴原理

臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置作為流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，由于其計(jì)量性能穩(wěn)定、可靠，一般用于天然氣流量計(jì)量的傳遞標(biāo)準(zhǔn)，向上溯源至原級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，向下傳遞至工作級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，起著承上啟下的作用。

裝置的核心部件臨界流文丘里噴嘴，是一個(gè)入口孔徑逐漸減小到喉部，經(jīng)過喉部又逐漸擴(kuò)大的用于測(cè)量氣體流量的測(cè)量管。孔徑最小的部分稱為噴嘴的喉部，在喉部的后面有孔徑逐漸擴(kuò)大的流道。噴嘴可隨著其下游擴(kuò)大管長(zhǎng)度的不同得到不同的臨界壓力比，當(dāng)上游滯止壓力 P0 保持不變，逐漸減小噴嘴出口壓力 P2 ，即減小背壓力比（P2 / P0），通過噴嘴的氣體流量不斷增加。當(dāng)達(dá)到臨界壓力比時(shí)，氣體在喉部達(dá)到臨界速度即等于當(dāng)?shù)匾羲伲瑖娮炫R界流文丘里噴嘴的氣體質(zhì)量流量達(dá)到最大。進(jìn)一步降低背壓比，流量保持不變。此時(shí)馬赫數(shù)為1，流量只與上游壓力有關(guān)（與下游壓力無關(guān)），流出系數(shù)只與雷諾數(shù)有關(guān)。

2  臨界流文丘里噴嘴標(biāo)準(zhǔn)裝置概述

臨界流文丘里噴嘴標(biāo)準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)工作壓力最大為10 MPa，工作條件下體積流量范圍為8 m³/h～  2704 m³/h，由11路并聯(lián)安裝的臨界流文丘里噴嘴、壓力變送器、溫度變送器、色譜分析儀等組成。11支噴嘴在出廠之前經(jīng)過德國PTB進(jìn)行了幾何檢定，其結(jié)果均符合ISO 9300加工的要求，喉徑范圍為3.5008 mm～25.9732 mm（表 1）。

表 1 噴嘴技術(shù)參數(shù)

3  建標(biāo)測(cè)試

穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)。選取DN80和DN250的渦輪流量計(jì)，選用音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行測(cè)試。分別在4 MPa、6 MPa情況下對(duì)32 m³/h、760 m³/h、1448 m³/h進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明裝置的穩(wěn)定性均≤0.22%（圖 1）。

圖 1 穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

測(cè)量審核結(jié)果。為了驗(yàn)證裝置的校準(zhǔn)能力，選用一臺(tái)Elster型號(hào)為SM-RI-X G650的DN150渦輪流量計(jì)作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)，在本音速噴嘴裝置及中國計(jì)量科學(xué)研究院的環(huán)道式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行測(cè)量審核，滿意度按式（1）計(jì)算：

式中：y0為中國計(jì)量科學(xué)研究院裝置測(cè)量得到的參考值；y為本裝置測(cè)量得到的參考值；U0為中國計(jì)量科學(xué)研究院參考值的測(cè)量不確定度（k=2）；U為本裝置參考值的測(cè)量不確定度（k=2）。

從測(cè)量審核結(jié)果可以看出（表 2），En值均在1以內(nèi)，結(jié)果為滿意。但在200 m³/h和1000 m³/h兩個(gè)流量點(diǎn)處，En值為0.82和0.83，已在臨界狀態(tài)，應(yīng)檢查裝置技術(shù)能力，采取預(yù)防措施。

表 2 測(cè)量審核結(jié)果

建標(biāo)存在的問題及相應(yīng)對(duì)策。在測(cè)試過程中，由于氣源從陜京線氣源切換至中俄東線氣源，導(dǎo)致天然氣氣體組分變化較大，含氮量較多，氣體分子量變大。在音速噴嘴作標(biāo)準(zhǔn)，渦輪作被檢表的情況下，氣體組分變化導(dǎo)致測(cè)量誤差較大，測(cè)試中斷。為排除工況對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，采取閥門注脂，以排除上下游閥門漏氣的影響；清洗噴嘴，以排除噴嘴內(nèi)壁附著物的影響；核查檢定系統(tǒng)算法，以判斷其對(duì)結(jié)果的影響。嘗試這三種排查方法均無果，可排除硬件條件對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。在實(shí)際測(cè)試過程中，唯一可能導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果有較大偏差的是氣質(zhì)組分變化。故認(rèn)為在天然氣實(shí)流檢定中，組分變化對(duì)噴嘴的計(jì)算結(jié)果有直接影響。

4  啟示

臨界流文丘里噴嘴法標(biāo)準(zhǔn)裝置作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)，在我國天然氣量值溯源傳遞鏈中起著重要的作用。由于臨界流文丘里噴嘴原理以質(zhì)量流量為基礎(chǔ)，在換算成體積流量過程中，流體的密度對(duì)結(jié)果有很大影響，且天然氣組分與密度有著直接聯(lián)系，故最終判斷天然氣組分對(duì)裝置影響較大，有待進(jìn)一步研究驗(yàn)證。

作者簡(jiǎn)介：郭婧，1995年生，碩士研究生，工程師，二級(jí)工程師，主要從事天然氣計(jì)量管理工作。聯(lián)系方式：15958004703，guojing03@pipechina.com.cn。