油氣流量測量儀表的在線實(shí)流檢定問題

概 述

　　流量測量儀表的檢定或校準(zhǔn)是流量量值傳遞或溯源鏈中最重要的環(huán)節(jié)，通常可將其分為實(shí)流檢定和干式檢定（干檢）兩種方式。

　　實(shí)流檢定是在檢定過程中讓試驗(yàn)流體流過被檢流量儀表，并以流量標(biāo)準(zhǔn)裝置或標(biāo)準(zhǔn)器具確定的標(biāo)準(zhǔn)流量為依據(jù)，評定流量儀表的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度等計(jì)量性能，或?qū)α髁績x表進(jìn)行校準(zhǔn)或定度，并確定其是否合格。

　　如果實(shí)流檢定的 試驗(yàn)流體就是流量儀表所測量的流體，且檢定在流量儀表的實(shí)際安裝位置和實(shí)際操作條件下進(jìn)行，則稱為在線實(shí)流檢定，否則稱為離線檢定。嚴(yán)格地講，在線實(shí)流檢定的基本特征是流量儀表在檢定和實(shí)際使用過程中的安裝、使用等條件相一致。 在干式檢定過程中，并沒有試驗(yàn)流體流過被檢流量儀表，但是要檢測流量儀表與流體相接觸并影響流量測量結(jié)果的幾何構(gòu)造和各部分尺寸，校準(zhǔn)與流量計(jì)算有關(guān)諸參數(shù)的測量儀表和涉及測量結(jié)果的附屬裝置，并檢查儀表的安裝、操作是否按規(guī)定進(jìn)行。干檢屬于間接的組合測量方法，省去了實(shí)流測試過程，但是它只能給出流量測量的不確定度范圍，不能對流量儀表進(jìn)行校準(zhǔn)或定度。 目前，用于原油貿(mào)易計(jì)量的流量儀表基本上實(shí)現(xiàn)了在線實(shí)流檢定，即在現(xiàn)場用體積管檢定流量計(jì)，用于過程檢測和物料平衡的原油流量測量儀表尚大都采用離線檢定方式。成品油流量儀表大部分采用離線檢定方式， 只有少數(shù)裝車棧橋上的流量儀表實(shí)現(xiàn)了在線實(shí)流檢定，所用的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器為標(biāo)準(zhǔn)罐或電子秤。絕大多數(shù)用于貿(mào)易計(jì)量的天然氣流量儀表采用干檢方式，極少數(shù)采用臨界流噴嘴在線實(shí)流檢定。 在線實(shí)流檢定的必要性 采用何種方法檢定流量儀表取決于計(jì)量系統(tǒng)所要求的測量不確定度、被檢流量計(jì)的類型、所具備的檢定條件、檢定所需費(fèi)用等諸多因素，但是從計(jì)量學(xué)意義上講，在線實(shí)流檢定最符合準(zhǔn)確性、一致性、溯源性和實(shí)驗(yàn)性等計(jì)量特點(diǎn)，尤其是在油氣貿(mào)易計(jì)量中應(yīng)優(yōu)先推薦這種檢定方法。 采用組合測量方法對流量儀表進(jìn)行干式檢定，是根據(jù)各有關(guān)參數(shù)的測量結(jié)果及其不確定度，按照一定的誤差處理方法合成出該儀表流量測量的總不確定度。它只能以一定的置信度間接的確定流量儀表的不確定度范圍，不能給出其具體誤差值。
干式檢定往往是以豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)要求為前提的，從這一點(diǎn)上來看，它仍保持了計(jì)量的試驗(yàn)性和一致性特點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置、臨界流文丘利噴嘴等都已有相當(dāng)成熟的干檢技術(shù)，氣體超聲流量計(jì)的干檢試驗(yàn)雖已初見成效，但主要研究成果都是流量計(jì)制造廠提供的，尚沒有形成標(biāo)準(zhǔn)，電磁流量計(jì)等儀表的干檢只有個(gè)別制造廠家在摸索探討。以孔板流量計(jì)為列，其統(tǒng)一的流出系數(shù)公式建立在極其豐富和充分的試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上 ，且給出了流出系數(shù)的誤差范圍，但我們只知道流出系數(shù)的誤差不大于0.6%，并不知道具體大小，也不知道是正是負(fù)。在合成孔板流量測量的不確定度時(shí)，也只能以一定的置信度給出一定的不確定度范圍， 例如對于儀表配置水平較高的孔板流量計(jì)，我們通常說在置信度為95%時(shí)其不確定度不超出1.0%或1.5%。但要知道具體的流量測量誤差，或要進(jìn)一步提高某一孔板流量計(jì)的流量測量準(zhǔn)確度，則必須對其進(jìn)行實(shí)流檢定。 雖然離線檢定可給出流量儀表在檢定條件下的誤差值或流量計(jì)系數(shù)，但是其實(shí)際操作條件和安裝條件不同于檢定條件，介質(zhì)的有關(guān)物性參數(shù)甚至介質(zhì)本身也有所不同，因此這種檢定不是真正意義上的校準(zhǔn)或賦值。嚴(yán)格地講，流量儀表的離線檢定結(jié)果只能說明其在檢定條件下的計(jì)量特性，當(dāng)實(shí)際使用現(xiàn)場的安裝條件、操作條件、環(huán)境條件不同于檢定條件時(shí)，其計(jì)量性能會(huì)有所變化，給流量測量結(jié)果帶來附加的誤差。如果對流量測量結(jié)果要求不高，或者嚴(yán)格地說即使有該附加誤差也能滿足預(yù)定的測量要求，則離線檢定不失為一種簡單易行的選擇。然而遺憾的是，我們往往并不知道該附加誤差的大小甚至方向，判斷其是否會(huì)引起測量超差也就無從談起，此時(shí)多數(shù)是以一定的經(jīng)驗(yàn)主觀判斷是否能接受離線檢定結(jié)果。 只有在線實(shí)流檢定才能實(shí)現(xiàn)真正的流量儀表校準(zhǔn)或賦值，因?yàn)橹挥写藭r(shí)的校準(zhǔn)或賦值才真正計(jì)入各種因素對流量儀表性能的影響，才能保證量值傳遞鏈或溯源鏈的連續(xù)和封閉。我們可以在配備體積管的原油外輸計(jì)量站實(shí)現(xiàn)流量計(jì)系數(shù)交油，而對離線檢定的成品油流量儀表和采用干式檢定的天然氣流量儀表不能按系數(shù)交接，恰恰說明了這一點(diǎn)。

在線實(shí)流檢定的計(jì)量學(xué)特點(diǎn)

1 對物性參數(shù)影響的修正 幾乎所有流量儀表的測量結(jié)果都受到被測介質(zhì)有關(guān)物性參數(shù)變化的影響，只是影響程度有大有小。物性參數(shù)對有些流量測量結(jié)果的影響是以顯函數(shù)表現(xiàn)的，這主要體現(xiàn)在氣體流量測量上，如孔板流量計(jì)中天然氣相對密度、壓縮因子、等熵指數(shù)等參數(shù)的影響。對于以顯函數(shù)表現(xiàn)的影響，只要已知這些參數(shù)的實(shí)際值，就能對其進(jìn)行修正。但對大多數(shù)流量儀表而言，物性參數(shù)對其計(jì)量性能的影響難以用數(shù)學(xué)公式精確地表達(dá)出來，而且流量儀表運(yùn)行條件的變化往往也伴隨著物性參數(shù)的變化，很難單獨(dú)分離出各自的影響量，因此實(shí)流檢定成為完全消除物性參數(shù)影響的唯一選擇。 在液態(tài)烴計(jì)量中，容積流量計(jì)和渦輪流量計(jì)對液體粘度的變化都十分敏感，特別是在低粘度下和儀表測量范圍的下限，目前尚沒有通用的粘度修正公式。在天然氣流量測量中，天然氣密度變化對渦輪、渦街等流量計(jì)有明顯的影響，因此要慎重考慮流量計(jì)在低壓下用空氣介質(zhì) 檢定的結(jié)果是否能直接用于高壓下的天然氣，即在根據(jù)所要求的流量測量不確定度選擇流量計(jì)及其檢定方式時(shí)，是否考慮了因檢定條件與使用條件不同而存在的附加誤差。

2 對操作條件影響的修正 流量儀表的操作條件或運(yùn)行條件直接影響其計(jì)量性能，操作壓力或溫度變化對流量儀表的最直接影響就是其計(jì)量腔體的改變，其間接影響是被測介質(zhì)粘度、密度等物性參數(shù)的變化，但間接影響可在修正物性影響 時(shí)考慮。由于流量儀表結(jié)構(gòu)和形狀的復(fù)雜性及加工裝配的離散性，幾乎不可能采用計(jì)算的方法對其腔體隨操作條件的變化精確地進(jìn)行修正，也不可能根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)針對所有流量計(jì)擬合出滿足準(zhǔn)確度要求的經(jīng)驗(yàn)公式。 對于容積流量計(jì)而言，計(jì)量腔體變化會(huì)導(dǎo)致作為測量基準(zhǔn)的容積單元的改變，還會(huì)引起內(nèi)部漏失量的變化，從而影響流量測量結(jié)果。對于速度式渦輪流量計(jì)，操作條件改變將引起其流通面積的變化，從而導(dǎo)致儀表系數(shù)的變化。如果檢定時(shí)流量儀表的操作條件能與實(shí)際使用時(shí)相同或接近，則離線檢定即可滿足要求。但是，由于操作條件的復(fù)雜性和多變性，離線檢定往往不能復(fù)現(xiàn)實(shí)際操作條件，只有在線實(shí)流檢定才能解決高準(zhǔn)確度的流量測量問題，否則要考慮附加的誤差。從廣義上講，被測介質(zhì)的均勻度、含氣（液）量、雜質(zhì)含量等來流條件，也屬于流量計(jì)操作條件的范疇，但其對流量儀表性能的影響更加復(fù)雜，有時(shí)在線實(shí)流檢定也難以解決。 以國外某原油貿(mào)易計(jì)量站為列，只要渦輪流量計(jì)的操作溫度變化達(dá)到±2.0℃或壓力變化達(dá)到±350kpa，所有的流量計(jì)都要重新檢定，以避免因操作條件變化而出現(xiàn)的附加誤差。

3 對安裝條件影響的考慮 安裝條件從兩個(gè)方面影響流量儀表的計(jì)量性能：①渦輪、渦街、超聲等速度式流量計(jì)和孔板、噴嘴等差壓式流量計(jì)，都要求被測介質(zhì)在進(jìn)入流量計(jì)入口處時(shí)，達(dá)到充分發(fā)展或特定的速度分布，盡可能避免速度畸變、旋渦流和脈動(dòng)流，而影響來流的因素包括管路的走向及布置形式、流量計(jì)前后阻流件形式、前后直管段長度及整流器形式、離脈動(dòng)源的距離及阻尼 方式等對安裝條件；②科氏力質(zhì)量流量計(jì)等對安裝應(yīng)力、機(jī)械震動(dòng)比較敏感，不當(dāng)安裝所造成的多余應(yīng)力會(huì)影響到流量計(jì)振動(dòng)管的自由振動(dòng)，影響流量計(jì)的頻率輸出，機(jī)械震動(dòng)也會(huì)干擾輸出信號的檢測，從而影響流量計(jì)的示值。 若采用離線檢定方式，則不可能復(fù)現(xiàn)現(xiàn)場的來流、應(yīng)力等實(shí)際安裝條件，會(huì)使檢定結(jié)果偏離實(shí)際情況，其具體偏離也難以量化。盡管已有許多經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以利用，但現(xiàn)場條件千變?nèi)f化，只有在線實(shí)流檢定能將安裝條件的影響計(jì)入檢定結(jié)果，對流量測量的實(shí)際結(jié)果予以修正，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確地測量。

4 對環(huán)境影響的考慮 在進(jìn)行流量儀表的型式鑒定、樣機(jī)試驗(yàn)或質(zhì)檢抽查時(shí)，一般要進(jìn)行機(jī)械環(huán)境、氣候環(huán)境和電磁干擾的試驗(yàn)，確定其整體性能。對于一般的計(jì)量檢定，則只確定流量儀表的計(jì)量性能。但對于在線實(shí)流檢定，流量儀表所處的環(huán)境就是其實(shí)際使用環(huán)境，用這種檢定方法所確定的流量儀表性能 已包括環(huán)境影響的因素，只是它不同于進(jìn)行型式鑒定時(shí)的極限環(huán)境條件。

結(jié) 論
（1） 盡管有幾種不同的流量儀表檢定方式可供選擇，但干式檢定所適用的儀表十分有限，且它只能確定流量測量的不確定度范圍，不能直接對流量儀表進(jìn)行校準(zhǔn)或賦值，其最大的優(yōu)點(diǎn)就是省去了實(shí)流檢定的過程。
（2） 流量儀表的離線檢定適合與對流量測量準(zhǔn)確度要求不十分高的測量場合，它體現(xiàn)了流量溯源的動(dòng)態(tài)特點(diǎn)，但很難做到溯源或傳遞鏈的封閉，因?yàn)榱髁績x表的檢定條件難于同實(shí)際使用條件 相一致，選擇這種檢定方法的代價(jià)是所引入的附加誤差。
（3） 從計(jì)量學(xué)的角度來看，在線實(shí)流檢定最符合流量量值的動(dòng)態(tài)溯源特征，它充分考慮了物性參數(shù)、操作條件、安裝條件、環(huán)境條件等諸多影響，保證檢定條件與實(shí)際使用條件的充分一致，在原油、成品油、天然氣貿(mào)易計(jì)量中應(yīng)盡可能采用這種檢定方法。