高壓氣體流量計量標(biāo)準裝置研制

摘 要

摘要：隨著我國CNG等高壓氣體應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，迫切需要提高和確保計量的準確度，因而建立高壓氣體流量計量標(biāo)準裝置已是當(dāng)務(wù)之急。為此，以國內(nèi)高壓氣體流量計量檢定能力現(xiàn)狀為
摘要：隨著我國CNG等高壓氣體應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，迫切需要提高和確保計量的準確度，因而建立高壓氣體流量計量標(biāo)準裝置已是當(dāng)務(wù)之急。為此，以國內(nèi)高壓氣體流量計量檢定能力現(xiàn)狀為切入點，對比研究了國內(nèi)高壓氣體流量計量產(chǎn)品和檢測技術(shù)，分析了建立高壓氣體流量計量標(biāo)準裝置的意義及量值傳遞框圖，選定了高壓氣體流量計量標(biāo)準裝置擬采用的測定方法和技術(shù)指標(biāo)，提出了關(guān)鍵技術(shù)措施。據(jù)此研制建立的高壓氣體流量計量標(biāo)準裝置不僅可以進行高壓氣體流量領(lǐng)域中相關(guān)理論研究，而且還可以直接以空氣為介質(zhì)對CNG加氣機系列產(chǎn)品、CNG加氣機現(xiàn)場檢定裝置及高壓氣體流量計進行檢定或校準，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。
關(guān)鍵詞：高壓氣體；計量標(biāo)準裝置；量值溯源體系；CNG加氣機質(zhì)量流量計
    按照國家規(guī)劃，2012年我國天然氣汽車將發(fā)展到100×104輛，用氣量將達160×108m3，替代640×104t汽油和柴油，2020年更將達到300×104輛。作為天然氣汽車產(chǎn)業(yè)的配套設(shè)備，對CNG進行計量的CNG加氣機系列產(chǎn)品、CNG加氣機現(xiàn)場檢定裝置以及相應(yīng)的高壓氣體流量計必將會有一個大的發(fā)展。
1 高壓氣體流量計量標(biāo)準
1.1 研究背景
    按照中國《計量法》的規(guī)定，CNG加氣機及用于貿(mào)易交接的高壓氣體流量計量儀表應(yīng)依法納入強制管理范圍。因此必須對其進行型式評價、首次檢定、后續(xù)檢定及使用中檢驗[1～2]。
    質(zhì)量流量計精確度高(±0.2%～±0.1%)，量程比寬(50：1～100：1)，適用于各種氣體、液體及兩相流介質(zhì)，對流體速度分布不敏感，還可以測量流體密度。相應(yīng)實驗研究表明，由于檢定和使用條件不同，特別是所使用的介質(zhì)不同，水和氣體對質(zhì)量流量計誤差的影響是不一樣的。如用水實流標(biāo)定高壓質(zhì)量流量計誤差為0.2%，用于氣體介質(zhì)標(biāo)定時，其誤差就可能達到0.5%。因此對氣體質(zhì)量流量計采用壓縮空氣進行標(biāo)定符合CNG加氣機及高壓氣體流量計實際工作條件，精度也更高。
1.2 研究現(xiàn)狀
國內(nèi)現(xiàn)有高壓氣體檢定裝置是10a前研制的，裝置的檢測范圍只有0.5～25kg/min，已經(jīng)不能滿足當(dāng)前流量計量領(lǐng)域?qū)Υ罅髁亢透呔鹊囊?。國?nèi)現(xiàn)有的高壓氣體流量標(biāo)準裝置情況如表1所示。
 
    我國尚未建立高壓氣體流量計量國家標(biāo)準，迫切需要建立作為科研服務(wù)和量值傳遞標(biāo)準的高壓氣體流量計量標(biāo)準裝置，并在此基礎(chǔ)上建立CNG加氣機及高壓氣體流量計量檢測中心，以滿足我國對高壓氣體流量計量檢定的需要，也為國際天然氣貿(mào)易結(jié)算的公平、公正計量提供有力的檢測手段[3～6]。表2給出了國外主要CNG加氣機用高壓氣體質(zhì)量流量計的生產(chǎn)廠家及產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)。
1.3 建設(shè)目標(biāo)
    為了把貿(mào)易結(jié)算中的計量準確度控制在一個合法的、供需雙方均能接受的、經(jīng)濟合理的范圍內(nèi)，必須進行量值溯源，其目的是使工作儀表與國家標(biāo)準儀器建立起有效的溯源鏈，確保計量量值的準確、可靠和統(tǒng)一。為了滿足量值溯源的需要，多數(shù)天然氣流量計量檢定機構(gòu)都建有原級標(biāo)準、次級標(biāo)準和工作標(biāo)準，構(gòu)成原級標(biāo)準的各基本量都溯源到相應(yīng)的國家標(biāo)準[7～8]。因此，為了統(tǒng)一高壓氣體流量計量量值，以便于開展國際高壓流量計量標(biāo)準間的循環(huán)比對，迫切需要建立1套計量擴展不確定度為0.065%(為目前國內(nèi)最先進技術(shù)水平)的大流量高壓氣體流量計量標(biāo)準裝置，承擔(dān)高壓氣體流量計量的量值傳遞和標(biāo)準比對工作，CNG加氣機系列產(chǎn)品、CNG加氣機現(xiàn)場檢定裝置及高壓氣體質(zhì)量流量計的計量性能和安全性能的檢測任務(wù)。
    同時，由于空氣介質(zhì)的組分固定，物性參數(shù)計算準確度高，以空氣為介質(zhì)的氣體流量原級標(biāo)準的穩(wěn)定性好、可靠性高，適合于進行有關(guān)氣體計量的科學(xué)研究，可用作高壓氣體流量計量標(biāo)準的參考，開展高壓氣體流量計量儀表的量值傳遞。高壓氣體流量計量標(biāo)準的量值傳遞見圖1，其量值傳遞鏈短，可溯源至國家的質(zhì)量標(biāo)準，這對于保證我國高壓氣體流量計量的準確可靠性是十分必要的。

2 高壓氣體流量計量標(biāo)準裝置研制
2.1 工作原理
    通過比較國內(nèi)外CNG加氣機及高壓氣體流量計的測定方法，決定采用最可靠的稱量法進行測定。稱量法流量標(biāo)準裝置被國際標(biāo)準ISO 4185認為“是所有流量測量方法中最精確的方法”，其核心是稱重衡器[9]。
    高壓氣體流量計量標(biāo)準裝置根據(jù)JJG 996—2005《壓縮天然氣加氣機》國家計量檢定規(guī)程的方法，在稱量氣瓶中充入一定量的空氣，由兩次稱量的電子天平讀數(shù)之差確定充入氣瓶內(nèi)空氣的質(zhì)量，再與檢測設(shè)備的讀數(shù)比較。“高區(qū)”檢定時，用氣量約80kg；“低區(qū)”檢定時，用氣量約6kg。由于稱量的是氣體質(zhì)量，不受溫度、大氣壓力等因素影響，產(chǎn)生誤差的因素也比其他方法要少，因而準確度高，不僅直觀和可靠，而且溯源也比較容易。
2.2 誤差計算
    高壓氣體流量計量標(biāo)準裝置的相對誤差采用式(1)計算：
 
式中mj為檢定設(shè)備顯示的質(zhì)量流量示值；ms為氣體流量計量標(biāo)準裝置給出的實際質(zhì)量示值。
采用式(2)計算測量重復(fù)性：
 
式中Emax和Emin分別為規(guī)定流量下，測量示值相對誤差的最大值和最小值；dn為極差系數(shù)(當(dāng)測量次數(shù)n=3時，dn=1.69)。
2.3 主要技術(shù)指標(biāo)
    高壓氣體流量計量標(biāo)準裝置由高壓空氣壓縮機、高精度工業(yè)電子天平稱量系統(tǒng)、地下高壓儲氣井、中央控制系統(tǒng)及管理軟件等組成。其主要技術(shù)指標(biāo)如下：
    1) 裝置擴展不確定度U=0.065%(包含因子k=2)。
    2) 檢定介質(zhì)為壓縮空氣。
    3) 氣源質(zhì)量流量為1～80kg/min；體積流量為85～5100m3/h(換算為天然氣體積)。
    4) 最大工作壓力為25MPa。
    5) 標(biāo)準衡器(高精度工業(yè)電子天平)稱量范圍為0～150kg時分度值為1g；稱量范圍為0～600kg時分度值為2g。
    6) 使用環(huán)境大氣壓力為86～106kPa。
    7) 環(huán)境溫度為-10～55℃。
    8) 相對濕度為30%～90%。
    9) 防爆等級為ExibIIBT4。
2.4 關(guān)鍵技術(shù)措施
    1) 建立高壓儲氣系統(tǒng)，制備高壓氣體并保持25MPa壓力，建造3口高壓地下儲氣井，其總水容積為6m3。地下高壓儲氣井是利用符合美國石油學(xué)會(API)標(biāo)準與行業(yè)標(biāo)準的進口石油套管(其有較高的防腐能力和強度)在地下打井后，按其固井1：藝將套管固定好形成的儲氣裝置。其套管的管口、管底采用特殊的結(jié)構(gòu)形式封閉。高壓地下儲氣井的優(yōu)點是儲氣裝置占地少且地下儲氣相對地面上儲氣安全，不足之處是裝置建設(shè)投資較大。高壓地下儲氣井主要技術(shù)參數(shù)為：單井井深為103.2m，單井水容積為2.0m3，井?dāng)?shù)為3口，井管規(guī)格為Φ177.8mm×10.36mm，總水容積為6m3，總儲氣量為1500m3。
    2) 按照檢定規(guī)程的要求，利用壓力控制柜輸送高壓氣體，通過高壓管路和被檢高壓氣體流量儀表或者CNG加氣機系列產(chǎn)品以及CNG加氣機現(xiàn)場檢定裝置，注入一組計量高壓儲氣瓶。
    3) 利用高精度工業(yè)電子天平稱量，其稱量值與被檢高壓氣體流量儀表或者CNG加氣機及CNG加氣機現(xiàn)場檢定裝置的顯示值進行比較，通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)得出擴展不確定度和重復(fù)性。工業(yè)電子天平主要技術(shù)參數(shù)見表3。
 

4) 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)化管理的需要，利用中央控制系統(tǒng)(SCADA系統(tǒng))實現(xiàn)高壓氣體流量標(biāo)準裝置的運行和維護管理，不僅能夠減輕現(xiàn)場操作人員的勞動強度，保存實時數(shù)據(jù)，減少事故隱患，確保高壓氣體流量標(biāo)準裝置的安全運行，而且使得裝置能實現(xiàn)安全的計算機監(jiān)控和遠程操作見圖2。
 
3 結(jié)束語
利用高壓氣體流量計量標(biāo)準裝置可以開展高壓流量計量領(lǐng)域多方面的理論研究。作為國家法定計量技術(shù)機構(gòu)的中國測試技術(shù)研究院，可以利用此高壓氣體流量計量標(biāo)準裝置，組建社會公用計量標(biāo)準，填補國家高壓、大流量氣體流量計量檢定的空白，完善國家的高壓氣體流量量值溯源體系。同時，還可以利用此裝置在全國范圍內(nèi)對CNG加氣機系列產(chǎn)品及高壓質(zhì)量流量計開展檢定和校準工作，這對提高CNG加氣機及高壓質(zhì)量流量計產(chǎn)品的質(zhì)量有著積極重大的意義。目前此高壓氣體流量計量標(biāo)準裝置項目已經(jīng)通過方案論證，被中國測試技術(shù)研究院確立為“十二五”重點科研項目，建成后必將產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益和社會效益，為將來建成為高壓氣體流量計量國家標(biāo)準奠定堅實的基礎(chǔ)。
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(本文作者：趙普俊 熊茂濤 雷勵 張宗平 中國測試技術(shù)研究院)