对天然气流量测量不确定度

对天然气流量测量不确定度问题的认识罗明强张金鹏*摘要列出了国内部分计量现场流量测量的惯用方法及相应的测量参数，探讨了流出系数的计算不确定度、孔板孔径及测量管内径的测量不确定度、真实相对密度的测量不确定度、气流温度和静压及差压的测量不确定度等问题，指出任何时刻或任何环节产生的测量不确定度都会影响累计流量测量不确定度。

主题词天然气计量精度影响参数To Understand the Measurement Uncertainty of Natural Gas FlowrateLuo Mingqiang and Zhang JingpengAnalyzing the measurement uncertainty of natural gas flowrate is important．However，some marked influential factors are usually ignored during actual measurement of natural gas flowrate，which results in the reduction of the fiduciary level of analysis or calculation．In this paper the current method to solve this problem with example is presented，and meanwhile，some influential factors for concern parameters are also put forward and analyzed．Subject Headings：natural gas，flowrate，metering，uncertainty，discussion一、现阶段的处理方法在对孔板流量计的流量测量不确定分析和计算时，主要考虑二次仪表带来的影响，而对一次元件及其它环节考虑不多，由此得出的计算结果就不精确。

为加深对这一问题的认识和理解，列举出国内部分计量现场的惯用计量方法。

计量系统主要配置标准节流装置、导压管、玻璃温度计、双波纹管差压计、求积仪、编程型流量计算器。

1、基本参数(1)测量管为轻微锈蚀钢管，内径D20＝149.10mm，孔板孔径d20＝73.359mm，孔径比β＝0.492。

(2)双波纹管差压计准确度等级ξ＝1.0，静压量程P m＝4.0MPa，差压量程ΔP m＝25kPa；径向方根求积仪准确度等级ξ＝0.5，温度测量范围0～50℃，最小分度值为0.5℃，精确度等级为1.0。

(3)当地大气压P0＝0.10MPa，统一取为固定常数，并预先通过仪表调校的方法将其迁移到二次仪表。

(4)包含当地大气压的全天平均绝对静压开方格数P G＝56.4格，全天平均差压开方格数ΔP G＝61.2格，气流温度T＝25.7℃，此值为每4h录取1次，由全天求平均值得到。

(5)静压记录比较平稳，差压记录在开方格数为40～70格之间频繁波动，静压、差压记录曲线的宽度在1.5～2.5mm之间。

以下情况在以机械式记录仪表为主的计量系统中普遍存在。

(1)导压管／信号传输通道的长度约45m 。

(2)每季度进行一次气样采集及分析，并更换相关参数。

(3)每月对孔板进行一次检查和清洗。

(4)用流出系数C 对孔板直角入口锐利度系数bk 和测量管内壁粗糙度系数γRe 进行修正，但bk 的修正方法不符合有关标准。

(5)未考虑实际工况条件下的气流温度对测量管内径和孔板孔径的影响。

(6)气体中含有微量粉尘，导致孔板上、下游表面附有少许脏物。

(7)流量计算过程中，先算K 值，再算流量。

(8)百格开方卡片质量不高，存在着浸渍、偏心、中心开孔过大及分格半径不规范等质量缺陷。

(9)在距孔板上游端面15D 、30D 、32D 、35D 处分别设有一支铁壳式水银温度计及一台半开的闸阀、汇管和自力式调压阀，即计量装置上游存在着机械扰动或涡流。

工艺安装及流量计算方法基本符合SY ／T6143－1996标准〔1〕。

2、 计算过程上游绝对压力P 1＝1.2724MPa ，差压ΔP ＝9.3636kPa ，气流温度T ＝25.7℃，其它相关参数的计算及对流量测量不确定度的处理方法见表1。

严格意义上讲，SY ／T6143－1996中(第9．2．2条)给出的δd ／d 及δD ／D 的数据，应是一种在严格的检定条件下(人员、设备、方法、环境等符合有关标准)，认真按照有关检定规程和技术标准的要求，对新制造的或使用中的孔板及测量管进行检定时所允许的测量不确定度，即δd 20／d 20≤±0.07％、δD 20／D 20≤±0.40％(下标20表示检定状态)。

但由于要考虑注 为SY ／T6143－1996中的条款；式中A ＝2／3ξ，ξ为仪表精确度等级；下标m 表示仪表测量上限。

表1中流量测量不确定度δQ n ／Q n ＝［∑（U i ％×S i ）2］0.5＝（2.52）0.5＝±1.59％，该计量系统的体积流量测量不确定度δQ n ／Q n ＜±2.0％。

二、流出系数的计算不确定度（δC ／C ）在流量计算过程中，通过查表的方法对流出系数(C)进行了孔板直角入口锐利度系数(bk)修正(孔板直角入口锐利度rk 未进行现场实测)，根据SY ／T6143－1996附录C 中的规定(至于其它修正方法，如查表法、经验公式法等所引入的不确定度如何进行计算，目前尚无相关方面的报道，故本文暂按SY ／T6143－1996中的方法进行计算)，当bk≠1.0时，应对δC ／C 几何相加一个±0.5％(或±0.5(bk－1)×100％)的附加不确定度，同时也考虑孔板上游多种阻流件并存及部分设备未按标准要求进行使用的情况(如闸阀未处于全开工作状态)，根据相关标准的要求，在流出系数的不确定度上算术相加±0.5％的附加不确定度。

因此，表1中δC ／C 的数值应为±（0.62＋0.52）0.5±0.5＝±1.28。

三、孔板孔径及测量管内径的测量不确定度(δd ／d 、δD ／D)现场的实际工况条件，因此这种检定要求忽略了如下一些影响因素：(1)未对d 20及D 20进行实际工况条件下的温度修正；(2)现场配备的长度计量器具(如游标卡尺)往往不能按期送检，现场计量人员也未进行长度计量测试方面的专业培训；(3)对在用中的测量管，几乎都未考虑腐蚀、变形及积尘附着等对其实际内径产生的变化；(4)由于测量管内部结构的特殊性，部分生产厂家目前只选择了分别距孔板上、下游端面0 D(或0.5D)的两个截面进行内径测量，并将平均值刻在铭牌上供用户参考，一般的标准都要求至少测量4个截面。

这些因素导致了实际工况条件下孔板孔径及测量管内径的测量不确定度往往会超出标准规定的范围，即δd ／d ＞±0.07％、δD ／D ＞±0.40％。

1、 气流温度(δT ／T)按表1(δT ／T ＝（±2／3）ξ（T m ／T ％）得出的计算结果，只能是温度计本身在理想条件下的测量不确定度。

事实上，在具体确定δT ／T 时还应当考虑以下几个方面的影响。

(1)温度计的感温元件与气流的接触是否良好。

为了能够真实地反映被测流体内部的温度，应首先对感温头的安装位置、插入深度、方向以及表面的清洁程度等进行严格确认，如果感温头表面附有液体或其它污物，那么热传导效果就会受到影响。

(2)温度取值及处理方法是否恰当。

温度取值为每4h 一次，然后以全天的温度平均值计算日流量。

这种作法存在两个缺陷，一是日平均气温的测量不确定度将受到瞬时气温计取时间间隔长短的影响，而现行的技术标准却未对气温计取周期作出明确规定；二是这种先计算日平均气温，然后再计算日累计流量的作法势必会使流量计算的均方根产生误差，即∑（T i ）四、真实相对密度的测量不确定度(δG r ／G r )SY ／T6143－1996中第9．2．2条明确指出：δG r ／G r 的值可取±0.5％。

应该说，这一数据主要适用于取样技术及分析方法完全符合有关技术标准，并且取样周期很短或者气质相当稳定等这一特定的条件。

然而，这种取值在具体的计算过程中却忽略了取样周期及动态流量测量过程中气质变化等因素对δG r ／G r 的实际影响。

以某企业的第二季度天然气气质分析报告中的一个计量点为例，取样日期是3月8日，分析日期是4月16日，计量点开始使用第二季度新气质参数的实际日期是5月18日。

也就是说，化验部门在经历了现场取样、路途返回、仪器维护、具体分析、全面审核、报告打印及数据发送等一系列过程之后，就不可避免地出现了使用日期大大滞后于取样日期的现象。

值得注意的是，SY ／T6143－1996只给出了真实相对密度的计算方法，而对气样采集及组分分析未作任何说明，特别是在如何确定取样周期上，其它相关标准也没有这方面的具体要求。

五、气流温度、静压及差压的测量不确定度（δT ／T 、δP 1／P 1及δΔP ／ΔP ）0.5≥∑（T0.5／n）。

i(3)作为工作仪表的温度计是否按规程要求进行了严格检定。

任何类型的计量仪表在使用了一定时期之后都必须进行量值溯源，其手段之一就是送交国家法定技术部门进行周期检定。

作为流量测量特别是贸易计量中的温度计量器具也不例外。

2、静压及差压(δP1／P1、δΔP／ΔP)表1中的计算结果只给出了静、差压记录或指示仪表的测量不确定度。

要想知道其确切结果，首先应了解静、差压的测量过程。

在宏观上，这一过程主要包括静、差压的产生、传递、记录(指示)以及处理等4个基本环节。

因此，δP1／P1或δΔP／ΔP就应当是这4个因素按照一定方式进行合成的结果。

（1）产生阶段对于孔板流量计，节流装置是整个计量系统的一个核心组成部分，它的主要作用就是产生与流量存在某一确定函数关系的静、差压信号。

由于任何计量器具都存在着误差或不确定度，因此节流装置也不例外，即静、差压信号在其产生初期就存在了一个不确定度，其范围与节流装置的设计、制造、安装、维护及管理水平有关。

（2）传递阶段取压孔的位置、尺寸、内壁倒角以及导压管的长度和内在质量等必然会对静、差压信号的传递产生一定程度的影响，在进行不确定度分析的过程中应当考虑到这一因素。

至于这种影响的幅度，还有待于用实验验证的方法去作进一步的研究。

（3）记录(或指示)阶段对于机械式记录仪表，这一阶段的影响主要来自两个方面，即记录仪表(如CWD－430)和信号载体(如百格开方卡片)。

其中，记录仪表由于内部摩擦、零部件制造公差等一系列不可避免的客观原因产生的测量不确定度，可按表1提供的方法进行计算。