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 技术论文

工业气体流量计检定设备


 美国 J.Heeres

  摘 要:一种由4个汞封活塞标准体积管组成的新型低流量检测装置已在荷兰计量院投入使用。在近于环境条件下,该装置的操作范围为2×10-5~3.5m3/h,可用于检定大范围流量计,而且基本上可用于任何气体,低流量检测装置可追溯到原始长度标准,本文对检定方法也进行了讨论和研究。初步不确定度分析给出最小标准体积管的总不确定度约为0.20%,其他标准体积管则约为0.15%。对于高压气体流量计的检定,分别对Groningen、Bergum和Westerbork的检测装置进行了考核。最后,讨论了雷诺内插法,认为当操作条件与检定条件有差异时可以使用该方法。


一、前 言


  在过去的三年中,对工业气体流量计的检定要求大大增加。主要体现在以下三个方面:
  l、用天然气进行的高压气体流量计的检定不仅仅限于涡轮气体流量计,而且还有孔板式、文丘里管式及涡流挡板式流量计。
  2、对小型流量计的低气体流量(小于3.5 m3/h)检定,诸如热质量流量计、质量流量控制器、医疗卫生设备用的可变面积仪表和检测器。
  3、除用空气或天然气之外的气体的检定及在不同操作条件(不同压力或不同气体)下的检定。
  鉴于这些情况,荷兰计量院研制出一种新型的低流量检测装置,且使2台现有检定装置实现了自动化。另外,在Bergum增设高压检测设施很有必要,这已列入1993年计划当中。
  表1给出了荷兰对工业气体流量计进行法律鉴定、检定和测试的现有设施。该表提供了这些检测装置的特性,诸如流量、操作压力及检测所使用的气体类型。对于所列的设施,荷兰计量院的合作伙伴将负责进行法律鉴定和颁发检定证书。除了表1中所列设施之外,配气公司和气体流量计制造厂检测装置的数量也有所增加。


二、高压检测装置


  荷兰有几台高压流量检测装置。从检定设施或溯源性方面看,Groningen、Bergum和Westerbork的检测装置很重要。这3台装置在操作条件下的检定可用天然气作为检定介质。

1.Groningen的高压检测装置

  Groningen的高压检测装置设计为一台研究装置。该装置的所有者Gasunie公司利用这台装置对气体流量计、装置效应、减压器和其他设备进行研究。被检测装置可安装在检测装置中的几个部位,构成最合适的配置。该装置很少用于气体流量计的正常检定。然而,它对荷兰其他高压检测装置的溯源起了非常重要的作用。


  表1 对工业气体流量计进行或合作进行法律鉴定、检定和检测所用的测试设备

装置名称
装置所有方
位置
流量
气体类型
绝压范围
(bar)
低流量检测装置
NMi
Dordrecht
2×10-5~3.5
空气、天然气或钢瓶气体
1
0.5m3钟罩
NMi
Dordrecht
0.1~65
空气或天然气
1
1m3钟罩
NMi
Dordrecht
0.4~160
空气
1
3.5m3钟罩
NMi
Dordrecht
0.4~400
空气或天然气
1
检测管线
NMi
Dordrecht
5~1000
空气
1
高流量检测装置
NMi
Dordrecht
40~12×103
空气
1
内部检测管线
Instromet
Silvolde
8~10×103
空气
1
外部检测管线
Instromet
Silvolde
20~25×103
空气
1
高压检测管线
Gasunie
Groningen
45~36×103
天然气
9~41
高压检测管线
NMi
Bergum
45~132×103
天然气
9~51
高压检测管线
Gasunie
Westerbork
6000~2.4×106
天然气
60
高压检测管线
Instromet
Utrecht
45~90×103
天然气
9
标准体积管回路
Shell
Pernis
5~200
乙烯
80

注:除乙烯标准体积管回路流量为在线条件外,其余流量均为正常运行条件(0oC,1.01325bar)


  位于Groningen的检测装置,如图1所示,配有2套标准气体流量计。其中一套由10个并联的容积式(CVM)气体流量计组成。在在线条件下,每个流量计的最大流量为400m3/h。这种容积式流量计像Bergum传递标准一样,只用于检定高标准流量计。另一套标准气体流量计是Groningen日常研究使用的检测装置的工作标准。这套流量计是由一个最大能力为 400 m3/h的容积式气体流量计和4个最大能力分别为650 m3/h、1600 m3/h和2个4000 m3/h的涡轮气体流量计组成。
  由于该装置结构的原因,可直接采用一套10个容积式流量计标准来检定工作标准。
  在Groningen,这些容积式流量计标准始终运行在6 bar的绝压条件下。而被测验的流量计可在9~41 bar压力之间运行。当试验压力超过9 bar时,应将该压力降至测试流量计和标准之间的范围。由于压力下降,应将该气体加热到实验室温度。鉴于压力下降且气体温度应以手动控制,此时,尤其是在低流量条件下进行检定,很消耗时间,如果该压力降至试验流量计和标准之间范围,则气体的压缩性便起着很关键的作用。计算压缩系数,既可采用 AGA NX-19-mod算法,也可采用简化的GERG方程。由于压缩系数取决于气体的组分,因此应利用在线气相色谱仪来确定气体成分的摩尔分数。这些参数可从气体的组分计算出来,它们是压缩系数算法的输入参数。

2.Bergum的高压检测装置

  Bergum的高压检测装置设计用于检定气体流量计。如图2所示,该检测装置与一个668MW发电厂的供气站平行排列。该装置的操作压力范围为9~15 bar压力达到21 bar。的最大流量为88000m3/h,而当压力在21~51 bar之间时的流量则为130000。单位表示该流量已转换为正常条件(0oC,1.01325 bar)


图1 Groningen高压检测装置平面示意图。左侧的10台容积式流量计为高压基准表。该图右侧的工作标准则用于检验


  检测装置的标准气体流量计包括 4台最大处理能力为 4000 m3/h的涡轮式气体流量计,一台处理能力为1000 m3/h的涡轮式气体流量计及两台处理能力分别为400 m3/h和1000 m3/h的CVM气体流量计。
  在Bergum的装置上,标准气体流量计和被检测的流量计均在大约相同的压力条件下运行。这种做法的优点是,在检定过程中,不会产生因气体压缩系数算法而导致的其他不确定度。但它也有缺点,即,标准气体流量计本身需要在几种不同的压力条件下进行检定。Bergum的标准气体流量计是在9 bar、21 bar、36 bar和51 bar的压力条件下进行检定的。该标准在检定压力间的校准系数通过插值误差曲线图获得,图中绘制了检定曲线与流量相对应的雷诺数关系曲线。
  进人该检测装置的气体经过2个(安全)关闭阀门、一个过滤器和一个加热器后到达二级减压器。测试压力通过此减压器进行控制。在减压器之后有4条平行的检测管线。其中3条管线法兰间的长度为5.lm,而另一条测试管线法兰间的长度则为11m。这些流量计的直径可以检定,范围为50~600 mm(ANSI或DIN法兰)。
  气体通过被检测流量计后又经过一个或几个标准气体流量计。此后,压力下降,气体返回到电厂的供气管线。
  在Bergum的检测装置上,对来自世界各地的气体流量计进行检定。涡流挡板流量计占检定流量计的15%左右,剩下的则为孔板、文丘里管、喷嘴、旋涡式流量计、插入式流量计、超声波流量计等。近年来,在Bergum测试装置上进行检定的流量计数量大大增加(每年为17%)。这充分表明,在操作条件下检定对于气体流量计用户具有更为重要的意义。另外,孔板、喷嘴、文丘里管检定的数量也大大增加。
  鉴于在此装置上进行检定的流量计数量很大,因此必须经常检查标准气体流量计。在新配置的检测装置上安装了特殊的检测仪表,用于检测流量达到25000 m3/h的流量计。这样,便可在检定期间连续检查工作标准。每周临时插入传递标准,检查较高流量条件下的工作标准。


图2 Bergum高压检测装置的平面示意图。用于控制低流量的音速喷嘴用SN表示, HE为换热器


3.Westerbork的高压检测装置

  本文撰稿时,Westerbork的检测装置是世界上具有最高流量的装置。流经该装置的天然气在大约60 bar的压力条件下最大量为2.4×104。该装置归属于Casunie所有,部分时间用于由Casunie进行的研究工作,而部分时间则用于由荷兰计量院进行的检定工作。该检测装置靠近从Slochteren气田到Ommen混输站的两条大口径气管线(1050 mm和1200 mm)。 在校准过程中,这些输气管线中的气体流经检测装置的旁通(见图3)。 经过测试装置的流量由旁通节流进行控制。气体首先通过该装置的10个标准气体流量计。这些标准流量计为涡轮气体流量计,最大通过能力为4000 m3/h,因此,在实际条件下的最大通过能力为40000 m3/h。这种最大的气体流量只有在荷兰寒冷季节,气体消耗量相当大时才能达到。
  该气体经过标准流量计后又流经两个测试管中的其中一条。一条检测管线用于直径达到400 mm的气体流量计。而第二条管线通常用于直径为500 mm或更大直径的流量计。在这个装置上可进行2个或3个串联流量计的校准。由于该检测装置实际上是两条主要输气管线的旁通,因此,只有在管线压力约为60 bar时方可进行校准工作。
  曾在Westerbork校准的最大气体流量计是两台美国的900 mm(36 in)文丘里管。1992年1月,采用约为2.0×106 的最大气体流量对这些文丘里管进行了校准。


图3 Westerbork高压检测装置平面示意图


三、NMi低压校准装置

  与Westerbork非常高的流量相反,位于Dordrecht的新型低流量检测装置特定用于校验最大流量为3 m3/h的气体流量计。低流量装置的操作范围为2×10-5~3 m3/h。可进行校准的仪表为湿式检测仪表、旋转活塞流量计、质量流量控制器、可变面积流量计(转子流量计)、热质量流量计、皂膜流量计、医用呼吸设备检测器及汞密封活塞标准体积管。
  图4给出的示意装置包括4个汞密封活塞标准体积管,它们作为标准流量计使用;4个质量流量控制器,它们产生一个恒定的质量流量;还有一台被检测的流量计。这些标准体积管的标称容量分别为60 mL、480 mL、3500 mL和13000 mL。实质上,一个质量流量控制器包括一个控制阀,该阀形成一定的质量流量;一台热质量流量计及一个反馈系统,该系统将实际质量流量与预设质量流量相比较且对控制阀进行调节。采用热敏电阻测量汞密封活塞标准体积管入口处及被检测流量计的温度。采用一个单独压差变送器可测出管入口及被测试流量计的压力与环境压力的差值。测量时采用2个三通阀。过压保护装置可避免压力传感器的压差太高。
  汞密封活塞标准体积管由一个立式精确玻璃管组成,该玻璃管具有恒定直径和一个平滑的表面,它置于一个支架上,该支架有分开的入口和出口连接管。此玻璃管的顶部有一个开式接管,与大气相通。玻璃管内有一个活塞,它可以上下移动,此活塞为玻璃纤维复合材料。它的外侧有一个凹槽,槽内充满了汞,大大减小了玻璃管和活塞间的摩擦。为了提供一个较稳定的温度,最小的玻璃管还配备了一个水套。
  紧挨着玻璃管,安装了五对红外线变送器和接收传感器(S0~S4)。该变送器给接收器发送已调制的红外线光,当光束被活塞中断时,则产生一个脉冲。最低的传感器S0是一个启动传感器,它开始一个外部时间测定。从S1~S3中选定一个停止传感器来中止时间测定。


  图4 Dordrecht低流量检测装置的平面示意图。该装置包括4个汞密封活塞体积管(PP1~PP4),4个质量流量控制器(MFC1~MFC4)及一个差压变送器(△P)。序号1~19是指由计算机操作的阀门,H1和H2为手动操作阀门,S0~S4为红外线传感器,温度变送器用Ti标示

  鉴于启动传感器与S1~S3停止传感的每一个传感器间的容积是已知的,因此可计算出流量。S4是一个安全传感器,由它打开管子出口阀,从而放掉玻璃管中的空气。这种预防性措施可防止活塞从管中喷出且避免实验室中汞溢出。
  采用低流量检测装置进行的校准过程如下。单个使用质量流量控制器(图4中的 MFC1~MFC4)或联合起来使用以建立一个预定的质量流量。将流量导入被检测的流量计。质量流量控制器需要三分钟稳定时间才能建立起相当稳定的流量。一旦稳定后,该稳定流量由被检测的流量计进行测定。然后,将该流量引入汞密封活塞标准体积管中。这时,质量流量则采用该体积管进行测定。然后,再由被检测的流量计和汞密封活塞体积管测量一次。将这两个测量值进行比较看看流量条件是否足够稳定。最后,再将汞密封活塞体积管和被检测仪表的读数进行互相比对,从而计算出后者存在的误差。
  除空气外,任何其他气体均可用来进行校准,只需接上适当气体的汽缸即可。当整个装置彻底清洗后,该装置便可进行校准了。汞密封活塞体积管显示出的容积不受所采用的气体类型的影响。侧记,有腐蚀性、有毒的或反应性气体或爆炸性气体混合物则不能使用。
  不同质量流量之间的长稳定时间需要一台自动化装置来控制。该装置的中央有一台个人计算机,它通过一个IEEE接口来操作数据采集和控制装置。用数据采集和控制装置来操作质量流量控制器和所有的阀,进行温度和压力测量,并且对活塞体积管和被检测流量计的脉冲信号进行定时。自动化的其他优点是常规校准无人值守、校准自动进行,其中4个汞密封活塞体积管还可自动进行校准值的互相比对。


四、溯源性和校准


  所有高压气体校准装置均可溯源至低压溯源链末端的 3.5 m3的钟罩。图 5给出了目前低压溯源链的状况。低压溯源链构成了高压溯源链的基础。每个校准步骤中都列出了进行校准的压力和体积流量。值得注意的是支持3.5 m3钟罩的校准有2个单独的溯源链,第一个链始于基础校验系统。可追溯到质量基准。第二个链则始于低流量检测装置,可追溯到长度基准。


图5 荷兰低压气体流量标准的溯源链。图中运输车上带圆圈表示的是传递标准


  对于汞密封活塞体积管的校准,管式传感器间的体积容量可分两步进行。第一步是在2个垂直方向,管子总长度的20个不同的截面积来测量管内径。这些校准是采用配有一个触模式探头的坐标测量机进行的。该测量方法的不确定度用双标准偏差值表示时为5μm。
  第二步是确定起始传感器S0与停止传感器S2之间的距离。此端头采用一个高差计。这是一个立式安装的长度刻度计,配有一个视窗,视窗上有十字丝,它可以沿着刻度移位。连接到视窗上的游标尺可用来精确读出视窗的位置。高差计和汞密封活塞体积管是并行设置的,利用视窗可读出活塞的位置。为了观测传感器开关的动力扭矩,在该传感器的输出装置上接装了一个LED(发光二极管)。这时可极小心地将该活塞移到传感器动作的高度,然后从视窗读出该位置。按这种方法便可确定S0和S3的位置。启动传感器S0与两个其他传感器S1和 S2之间的体积容量可通过在恒定质量流量条件下对活塞S0和S1、S2及S3之间的运行时间的相互比对计算出来,这一步骤被称为复制。
  这样一来,三个较大体积管中每个体积管的平均管直径、S0和S3之间的距离及相应的测量体积容量便可计算出来。最小体积管的传感器间的体积容量可通过复制尺寸上仅大于它的体积管进行确定。
从初步的不确定度分析可获得由双标准偏差表示的下列数值。对于最小汞环活塞体积管,该低流量检测装置的总不确定度约为0.2%;而对于其他体积管来讲则约为0.15%。


五、校准条件与操作条件有差异时


  毫无疑问,在操作条件下进行校准是校准的最佳方式,然而,并不是总能用理想的流体进行校准。对于气体流量计,大多数检测装置都采用空气进行校准,有时有压力,多数情况下是在常压条件下检定。本文所述的高压检测装置是在有压力条件下采用天然气进行检定的,这对于那些将流量计用于天然气计量站的公司具有很大的优势。
  对于采用乙烯作为检定流体的气体流量计的校准,可采用DSM和Shell的检测装置,由荷兰计量院对这些校准进行鉴定。在Dordrecht的低流量检测装置上,可采用各种各样气体进行校准。
  对测量蒸汽、氮气、二氧化碳、氢气等的气体流量计的校准要求在不断增加。由于采用这些气体进行大规模校准的设施并不多,因此采用另一种流体进行校准几乎是唯一的选择,且在许多情况下是一种合理的、可替代的选择。
  如果流动条件可以估算出来,那么就可以在与操作条件不同的条件下对流量计进行校准,估算流动条件所采用的参数通常为关于该流量计入口直径的雷诺数。
  首先,将操作条件范围转换为雷诺数范围。其次,所选定的校准设备要符合所规定的雷诺数范围。然后,在不同的压力条件下或采用不同的气体进行校准。根据雷诺数绘制流量计的误差或流出系数的曲线图。然后检查该流量计的曲线是否与雷诺数的重叠范围相一致。如果一致,则采用内插法从校准曲线推知操作条件的误差曲线。如果曲线图不吻合,就必须断定出是被检测流量计出故障还是该雷诺数不是被检测流量计适当的检定系数。
  该方法通常称之为雷诺内插法,可能适用于诸如涡轮流量计、孔板及喷嘴之类的流量计,这些流量计在流量的雷诺数和流量计误差或流出系数之间已形成了相关性。
  在一定精度等级范围内,标准差压流量计的雷诺特性是众所周知的。同样,某些种类的涡轮气体流量计的特性也是已知的。在某些情况下,有必要在进行最终校准之前先进行几次测试以鉴定该流量计的运行情况是否符合雷诺定标系数。将来,还需要做一些工作来鉴定涡流挡板流量计的性能,并确定高压气体情况下超声波流量计和互补式流量计的性能。


六、结 论


  荷兰计量院以汞密封活塞标准体积管作为标准对一种新型低流量检测装置进行了运行试验。该装置的优点是:
  1、 操作范围高:2×10-5~3.5 m3/h;
  2、 可进行许多不同类型流量计的校准;
  3、 该装置可采用任何气体进行校准,只要气体不是侵蚀性、有毒的、腐蚀的或爆炸性气体。
  4、汞密封活塞体积管可进行自动操作及自动相互对比。
  最小汞密封活塞体积管和三个其他体积管的初步不确定度数分别约为0.20%和0.15%。该检测装置的局限性是标准流量计的操作压力接近于环境压力。
  对于高压和高流量条件下的校准,Bergum和Westerbork的高压检测装置可提供较高的压力范围9~60 bar和流量范围45~2.4×106 。这些装置在操作条件下采用天然气进行校准。
  考虑到压力范围不同及所采用的气体类型的差异,作业线路条件可以不同于现有的校准条件。对于这些情况,可采用所谓的雷诺插值方法。这种方法可适用于流量雷诺数和仪表误差或排放系数之间已建立了相关性的流量计。


资料来源于美国《石油工业》1996年8月
翻译:马颖洁 吴燕龙
校对:周润才 
 

 

 
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