差壓變送器在天然氣流量計量標準裝置中應用

摘要:隨著國家節能減排戰略的實施，天然氣作為清潔能源得到快速發展，正確的天然氣計量對于維護市場秩序、促進天然氣和諧發展具有至關重要的作用。天然氣體積計量為導出量，需要通過建立流量標準裝置進行量值復現，標準裝置的正確與否直接決定天然氣貿易交接的正確性，文章通過差壓變送器在天然氣流量標準裝置中應用原理、應用前后的不確定度評定分析，總結“絕壓+差壓”壓力測量方式對標準裝置精度的影響，可減小0.06%的不確定度分量，同時利用實驗效果確認其應用效果。
1概述
        天然氣流量計為天然氣貿易交接計量的主要儀表，其計量性能需要定期通過流量標準裝置實流檢定的方式進行確認［1］，國內流量標準裝置多采用標準表法原理［2－3］，通過錄取相同時間段內標準流量計與被檢流量計輸出的流量值，確定被檢流量計的計量性能。
       天然氣具有可壓縮性，標準流量計與被檢流量計的工況條件不盡相同，需要正確測量兩處的溫度、壓力工況條件，經溫度、壓力及壓縮因子補償后進行比較計算。目前壓力測量選用絕壓變送器［4－5］，精度等級達到0.05級，提高難度較大，通過對流量標準裝置工作原理及不確定度分析發現，可以通過差壓變送器與絕壓變送器組合測量的方式減小壓力測量對標準裝置不確定度的分量［6］。
2工作原理
       如圖1所示，在被檢流量計處安裝絕壓變送器，在標準流量計處安裝差壓變送器，低壓端壓力源為被檢流量計壓力，則標準流量計的壓力值為:

Pf=Pn+ΔPf
       式中:Pf為標準流量計處的壓力值，MPa;Pn為被檢流量計處的壓力值，MPa;ΔPf為標準流量計與被檢流量計之間的差壓值，MPa。
3壓力測量引入不確定度分量分析
3.1標準裝置不確定度評定模型
       為了將工況條件進行統一，需要將標準［7］流量計處的流量換算至被檢流量計處工況條件下，計算公式如下:
qn=qf(Pf/Pn)(Tn/Tf)(Zn/Zf)
       式中:qn為標準表在被檢表工況下的瞬時流量，m3/h;qf為標準表實際工作條件下的瞬時流量，m3/h;Pn為被檢表工作條件下的絕對壓力，MPa;Pf為標準表工作條件下的絕對壓力，MPa;Tn為被檢表工作條件下的熱力學溫度，K;Tf為標準表工作條件下的熱力學溫度，K;Zn為被檢表工作條件下的壓縮因子，按AGA8計算得出;Zf為標準表工作條件下的壓縮因子，按AGA8計算得出。
       被檢流量計的檢定結果以相對示值誤差E(%)表示，其計算公式為:

式中:qmut為被檢流量計的測量體積瞬間流量，m3/h。
3.2壓力測量引入的不確定度分量分析
3.2.1“絕壓+差壓”壓力測量方式
(1)相對示值誤差
       利用“絕壓+差壓”的壓力測量方式，則相對示值誤差為:

(2)被檢流量計處壓力測量Pn引入的不確定度分量［8］
       依據檢定機構出具的檢定證書可得知精度等級為0.05級，所對應最大允許誤差為±0.05%，量程PFS為0～10MPa，概率分布視為均勻分布，屬于B類評估，u(Pn)可以估算如下:

       差壓變送器最大量程為0～249kPa，介質壓力按6MPa考慮，差壓按249kPa考慮，則不確定度輸入量Pn的靈敏系數為:

被檢流量計壓力測量Pn輸出的不確定度為:
ur(Pn)=CPn×u(Pn)=0.0017%
(3)標準流量計處壓力測量Pf引入的不確定度分量
       通過公式分析可知，標準渦輪流量計處壓力測量的不確定為差壓變送器ΔPf，依據檢定機構出具的檢定證書可得知精度等級為0.05級，最大允許誤差為±0.05%，差壓變送器量程為0～249kPa，將其概率分布視為均勻分布，屬于B類評估，u(Pf)可以估算如下:

被檢流量計壓力測量ΔPf輸出的不確定度為:
ur(ΔPf)=CΔP×u(ΔPf)=－0.0011%
3.2.2常規絕壓變送器測量
(1)被檢流量計處壓力測量Pn引入的不確定度分量［9］
       壓力變送器的精度等級為0.05級，量程為0～10MPa，介質壓力按6MPa考慮，概率分布視為均勻分布，則壓力測量的不確定度分量為:

被檢流量計壓力測量Pn輸出的不確定度為:
ur(Pn)=CPn×u(Pn)=0.048%
(2)標準流量計處壓力測量Pf引入的不確定度分量
       標準流量計處壓力變送器的精度等級為0.05級，量程為0～10MPa，介質壓力按6MPa考慮，概率分布視為均勻分布，則壓力測量的不確定度分量為:

標準流量計壓力測量Pf輸出的不確定度為:
ur(Pf)=CPf×u(Pf)=0.048%
4不確定度分析比較
       通過“絕壓+差壓”壓力測量方式與使用絕壓測量壓力帶來的天然氣流量標準裝置不確定度進行比較分析，壓力測量合成不確定度分別為0.002%、0.068%，比較結果具體數據見表1。

       通過比較可見，采用“絕壓+差壓”壓力測量模式將壓力測量引入的標準不確定度由0.068%降低至0.002%，降低了標準裝置的整體不確定度，提高了標準裝置的精度。
5結論
       通過差壓變送器在天然氣流量標準裝置中的應用，采用“絕壓+差壓”的標準渦輪流量計壓力測量模式，可有效減小壓力測量引入的精度分量，提升標準裝置的不確定度水平，確保了裝置的正確可靠，同時該種測量模式可在不同原理的標準裝置中推廣應用［10］，促進天然氣計量水平的進步，維護天然氣貿易交接中的公平公正。