高壓氣體流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置研制

摘 要

摘要：隨著我國(guó)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(jì)量的準(zhǔn)確度，因而建立高壓氣體流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置已是當(dāng)務(wù)之急。為此，以國(guó)內(nèi)高壓氣體流量計(jì)量檢定能力現(xiàn)狀為
摘要：隨著我國(guó)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(jì)量的準(zhǔn)確度，因而建立高壓氣體流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置已是當(dāng)務(wù)之急。為此，以國(guó)內(nèi)高壓氣體流量計(jì)量檢定能力現(xiàn)狀為切入點(diǎn)，對(duì)比研究了國(guó)內(nèi)高壓氣體流量計(jì)量產(chǎn)品和檢測(cè)技術(shù)，分析了建立高壓氣體流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的意義及量值傳遞框圖，選定了高壓氣體流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置擬采用的測(cè)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(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置不僅可以進(jìn)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(duì)CNG加氣機(jī)系列產(chǎn)品、CNG加氣機(jī)現(xiàn)場(chǎng)檢定裝置及高壓氣體流量計(jì)進(jìn)行檢定或校準(zhǔn)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
關(guān)鍵詞：高壓氣體；計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置；量值溯源體系；CNG加氣機(jī)質(zhì)量流量計(jì)
    按照國(guó)家規(guī)劃，2012年我國(guó)天然氣汽車將發(fā)展到100×104輛，用氣量將達(dá)160×108m3，替代640×104t汽油和柴油，2020年更將達(dá)到300×104輛。作為天然氣汽車產(chǎn)業(yè)的配套設(shè)備，對(duì)CNG進(jìn)行計(jì)量的CNG加氣機(jī)系列產(chǎn)品、CNG加氣機(jī)現(xiàn)場(chǎng)檢定裝置以及相應(yīng)的高壓氣體流量計(jì)必將會(huì)有一個(gè)大的發(fā)展。
1 高壓氣體流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)
1.1 研究背景
    按照中國(guó)《計(jì)量法》的規(guī)定，CNG加氣機(jī)及用于貿(mào)易交接的高壓氣體流量計(jì)量?jī)x表應(yīng)依法納入強(qiáng)制管理范圍。因此必須對(duì)其進(jìn)行型式評(píng)價(jià)、首次檢定、后續(xù)檢定及使用中檢驗(yàn)[1～2]。
    質(zhì)量流量計(jì)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(duì)流體速度分布不敏感，還可以測(cè)量流體密度。相應(yīng)實(shí)驗(yàn)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(duì)質(zhì)量流量計(jì)誤差的影響是不一樣的。如用水實(shí)流標(biāo)定高壓質(zhì)量流量計(jì)誤差為0.2%，用于氣體介質(zhì)標(biāo)定時(shí)，其誤差就可能達(dá)到0.5%。因此對(duì)氣體質(zhì)量流量計(jì)采用壓縮空氣進(jìn)行標(biāo)定符合CNG加氣機(jī)及高壓氣體流量計(jì)實(shí)際工作條件，精度也更高。
1.2 研究現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)現(xiàn)有高壓氣體檢定裝置是10a前研制的，裝置的檢測(cè)范圍只有0.5～25kg/min，已經(jīng)不能滿足當(dāng)前流量計(jì)量領(lǐng)域?qū)Υ罅髁亢透呔鹊囊?。?guó)內(nèi)現(xiàn)有的高壓氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置情況如表1所示。
 
    我國(guó)尚未建立高壓氣體流量計(jì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，迫切需要建立作為科研服務(wù)和量值傳遞標(biāo)準(zhǔn)的高壓氣體流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置，并在此基礎(chǔ)上建立CNG加氣機(jī)及高壓氣體流量計(jì)量檢測(cè)中心，以滿足我國(guó)對(duì)高壓氣體流量計(jì)量檢定的需要，也為國(guó)際天然氣貿(mào)易結(jié)算的公平、公正計(jì)量提供有力的檢測(cè)手段[3～6]。表2給出了國(guó)外主要CNG加氣機(jī)用高壓氣體質(zhì)量流量計(jì)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(jì)量準(zhǔn)確度控制在一個(gè)合法的、供需雙方均能接受的、經(jīng)濟(jì)合理的范圍內(nèi)，必須進(jìn)行量值溯源，其目的是使工作儀表與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)儀器建立起有效的溯源鏈，確保計(jì)量量值的準(zhǔn)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(jì)量檢定機(jī)構(gòu)都建有原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和工作標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)成原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的各基本量都溯源到相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[7～8]。因此，為了統(tǒng)一高壓氣體流量計(jì)量量值，以便于開展國(guó)際高壓流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)間的循環(huán)比對(duì)，迫切需要建立1套計(jì)量擴(kuò)展不確定度為0.065%(為目前國(guó)內(nèi)最先進(jìn)技術(shù)水平)的大流量高壓氣體流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置，承擔(dān)高壓氣體流量計(jì)量的量值傳遞和標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)工作，CNG加氣機(jī)系列產(chǎn)品、CNG加氣機(jī)現(xiàn)場(chǎng)檢定裝置及高壓氣體質(zhì)量流量計(jì)的計(jì)量性能和安全性能的檢測(cè)任務(wù)。
    同時(shí)，由于空氣介質(zhì)的組分固定，物性參數(shù)計(jì)算準(zhǔn)確度高，以空氣為介質(zhì)的氣體流量原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定性好、可靠性高，適合于進(jìn)行有關(guān)氣體計(jì)量的科學(xué)研究，可用作高壓氣體流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的參考，開展高壓氣體流量計(jì)量?jī)x表的量值傳遞。高壓氣體流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的量值傳遞見圖1，其量值傳遞鏈短，可溯源至國(guó)家的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，這對(duì)于保證我國(guó)高壓氣體流量計(jì)量的準(zhǔn)確可靠性是十分必要的。

2 高壓氣體流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置研制
2.1 工作原理
    通過比較國(guó)內(nèi)外CNG加氣機(jī)及高壓氣體流量計(jì)的測(cè)定方法，決定采用最可靠的稱量法進(jìn)行測(cè)定。稱量法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 4185認(rèn)為“是所有流量測(cè)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(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置根據(jù)JJG 996—2005《壓縮天然氣加氣機(jī)》國(guó)家計(jì)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?jī)?nèi)空氣的質(zhì)量，再與檢測(cè)設(shè)備的讀數(shù)比較。“高區(qū)”檢定時(shí)，用氣量約80kg；“低區(qū)”檢定時(shí)，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(zhǔn)確度高，不僅直觀和可靠，而且溯源也比較容易。
2.2 誤差計(jì)算
    高壓氣體流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的相對(duì)誤差采用式(1)計(jì)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(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置給出的實(shí)際質(zhì)量示值。
采用式(2)計(jì)算測(cè)量重復(fù)性：
 
式中Emax和Emin分別為規(guī)定流量下，測(cè)量示值相對(duì)誤差的最大值和最小值；dn為極差系數(shù)(當(dāng)測(cè)量次數(shù)n=3時(shí)，dn=1.69)。
2.3 主要技術(shù)指標(biāo)
    高壓氣體流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置由高壓空氣壓縮機(jī)、高精度工業(yè)電子天平稱量系統(tǒng)、地下高壓儲(chǔ)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(kuò)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(zhǔn)衡器(高精度工業(yè)電子天平)稱量范圍為0～150kg時(shí)分度值為1g；稱量范圍為0～600kg時(shí)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(duì)濕度為30%～90%。
    9) 防爆等級(jí)為ExibIIBT4。
2.4 關(guān)鍵技術(shù)措施
    1) 建立高壓儲(chǔ)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(chǔ)氣井，其總水容積為6m3。地下高壓儲(chǔ)氣井是利用符合美國(guó)石油學(xué)會(huì)(API)標(biāo)準(zhǔn)與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)口石油套管(其有較高的防腐能力和強(qiáng)度)在地下打井后，按其固井1：藝將套管固定好形成的儲(chǔ)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(chǔ)氣井的優(yōu)點(diǎn)是儲(chǔ)氣裝置占地少且地下儲(chǔ)氣相對(duì)地面上儲(chǔ)氣安全，不足之處是裝置建設(shè)投資較大。高壓地下儲(chǔ)氣井主要技術(shù)參數(shù)為：?jiǎn)尉顬?03.2m，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(chǔ)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?jī)x表或者CNG加氣機(jī)系列產(chǎn)品以及CNG加氣機(jī)現(xiàn)場(chǎng)檢定裝置，注入一組計(jì)量高壓儲(chǔ)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?jī)x表或者CNG加氣機(jī)及CNG加氣機(jī)現(xiàn)場(chǎng)檢定裝置的顯示值進(jìn)行比較，通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)得出擴(kuò)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(shí)現(xiàn)高壓氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的運(yùn)行和維護(hù)管理，不僅能夠減輕現(xiàn)場(chǎng)操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，保存實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，減少事故隱患，確保高壓氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的安全運(yùn)行，而且使得裝置能實(shí)現(xiàn)安全的計(jì)算機(jī)監(jiān)控和遠(yuǎn)程操作見圖2。
 
3 結(jié)束語
利用高壓氣體流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置可以開展高壓流量計(jì)量領(lǐng)域多方面的理論研究。作為國(guó)家法定計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)的中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院，可以利用此高壓氣體流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置，組建社會(huì)公用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，填補(bǔ)國(guó)家高壓、大流量氣體流量計(jì)量檢定的空白，完善國(guó)家的高壓氣體流量量值溯源體系。同時(shí)，還可以利用此裝置在全國(guó)范圍內(nèi)對(duì)CNG加氣機(jī)系列產(chǎn)品及高壓質(zhì)量流量計(jì)開展檢定和校準(zhǔn)工作，這對(duì)提高CNG加氣機(jī)及高壓質(zhì)量流量計(jì)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(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置項(xiàng)目已經(jīng)通過方案論證，被中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院確立為“十二五”重點(diǎn)科研項(xiàng)目，建成后必將產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，為將來建成為高壓氣體流量計(jì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)
[1] 王自和，范砧.氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2005.
[2] 紀(jì)建英.流量容量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)報(bào)告[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2009.
[3] 劉辰魁，李同波，張紅剛，等.氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的研制[J].計(jì)量學(xué)報(bào)，2008，29(5)：454-456.
[4] 丁建林，國(guó)明昌，邱惠，等.高壓天然氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置[J].計(jì)量學(xué)報(bào)，2008，29(5)：479-483.
[5] 孫延祚，KOOS VAN HELDEN.國(guó)際氣體流量測(cè)量技術(shù)的新進(jìn)展[J].天然氣工業(yè)，2001，21(1)：79-99.
[6] 羅勤，楊果，鄭琦，等.俄羅斯天然氣產(chǎn)品測(cè)量、計(jì)量保障體系簡(jiǎn)介[J].天然氣工業(yè)，2009，29(4)：86-88.
[7] 王池，段慧明，李芳，等.CNG加氣機(jī)在線檢測(cè)裝置的研制[J].中國(guó)計(jì)量，2003(8)：42-43.
[8] 何太碧，黃海波，譚金會(huì)，等.CNG加氣機(jī)技術(shù)水平評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[J].天然氣工業(yè)，2005，25(3)：144-147.
[9] 趙普俊，黃錦才.氣體大流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的擴(kuò)展不確定度評(píng)定[J].中國(guó)測(cè)試技術(shù)，2005，31(5)：6-12.
 
(本文作者：趙普俊 熊茂濤 雷勵(lì) 張宗平 中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院)