现代化移动式气体流量标准装置研制分析

摘 要 流量标准装置就是用来复现流量量值，最终溯源到国家基本量基准的实验装置。其主要作用就是对流量计进行检定和校准，确保流量量值的统一和准确可靠。由于实验室计量检定的局限性，为了能够更好地开展气体流量计计量检定工作，实现现场检定，因此设计了移动式气体流量标准装置作为实验室气体流量标准装置的补充，完善了气体计量检定工作。

关键词 移动式；气体流量标准装置；研制

1 导言

以往出现的气体流量标准装置都是体积庞大，质量大，而且都是应用在实验室中，对检定环境有着很高的要求。而当今社会计量已经从强制的检定慢慢地过渡到自发自觉的检定，检定工作由强制客户检定变成了服务客户。本课题所研制的移动式气体流量标准装置就是为了解决气体流量检测装置体积大，重量重，不能移动到气体流量计使用现场，给用户检测气体流量计带来的不便的问题。

2 气体流量标准装置的测量原理

气体流量标准装置主要有钟罩式气体流量标准装置、PVTt法气体流量标准装置、蒸汽流量标准装置、两相流体流量计标准装置和标准流量计法流量标准装置等几类。

标准流量计法流量标准装置主要由流体源、试验管路系统、标准流量计、流量调节阀，以及其他辅助设备等组成。流体源可以是液体或者气体，一条试验管线可以用一台标准流量计也可以用二台或更多并联的标准流量计。装置的基本工作原理是：液体或气体在同一时间间隔内，连续通过标准流量计和被检流量计的质量或体积流量是相等的。

由于整套装置要求具有可车载移动性，因此整套装置占用面积应小于2 m2，重量在150千克以内，长度应小于150 cm，宽度小于120 cm。由于上述因素的限制，我们放弃了同口径比较方案，进而选择了体积小巧的标准流量计并联组合方案[1]。

3 移动式气体流量标准装置研制

3.1 组成及结构

移动标准装置主要由标准涡轮流量计、核查超声流量计、温度/压力测量仪表、在线色谱分析仪、电动球阀及流量调节阀、并联测量管路、汇气管及放空、氮气管路、控制系统等组成（图1）。

将独立的工艺系统橇座箱体与独立的控制系统箱体连接集成为1个总箱体，并将总箱体固定在载重卡车的底盘上，其中工艺系统橇座箱体设置在总箱体的后部，用于固定安装工艺系统橇座，在箱体后侧设对开门；将控制系统箱体设置在总箱体（称为控制室）的前部，用于固定安装工业计算机、控制系统机柜、打印机等设备，在控制室箱体左侧开门。由于橇座箱体的空间尺寸受限，无法将3路并联的工作标准计量管路、1路核查流量计计量管路和汇气管及在线色谱分析仪等都布置在同一平面，因此采取二层空间的布置方式，即将DN300进口管路（核查超声流量计），DN300出口管路（涡轮流量计、电动球阀、电动调节阀）及汇气管等都设置在第一层高度上；将另外两路小口径涡轮流量计测量管路（电动球阀、电动调节阀）和在线色谱分析仪等架空设置在第二层高度上；将电缆、防爆仪表接线箱和配电接线箱等固定安装在箱体内壁上；超声流量计和涡轮流量计的前直管段长度不小于10 D（其中D为管径），后直管段长度不小于5 D，并设板孔整流器。

3.2 设备选型

移动标准装置采用标准表法原理，选用3台高准确度等级的涡轮流量计作为标准表，其口径和量程分别为：DN80，20～160 m3/h；DN150，160～1 000 m3/h；DN400，1 000～8 000 m3/h。为了保证涡轮流量计在测量过程中，流量测量值的准确可靠，降低系统测量误差，采用1台5声道超声流量计（口径DN300、量程100～8 000 m3/h）对涡轮流量计进行在线实时核查。选用智能绝压变送器，量程为0～10 MPa，最大允许误差為±0.025%。选用智能温度变送器，量程为-20～70℃，最大允许误差为±0.1℃。选用1台在线色谱分析仪实时分析天然气组分。为防止并联计量管路泄漏，选用密封性能好的提升杆式强制密封球阀关断计量管路。为确保流量调节准确、流态稳定和较低噪音，选用轴流式流量调节阀调节流量。

3.3 控制系统功能

控制系统主要有3个功能：①对涡轮流量计、超声流量计、温度、压力变送器、在线色谱分析仪的测量数据进行采集、处理、计算、存储和输出，完成计量数据和检定证书的打印。②对电动开关球阀进行开关操作，对电动调节阀进行流量调节控制，实现流程切换，人机界面操作；在屏幕上实时显示工艺流程和各个测试点处的流量、压力、温度测量参数，对仪表设备状态进行实时报警和故障显示，对可燃气体进行检测报警。③通过远程操作完成数据传输、编程组态和数据库管理维护。在控制系统的模拟量输入/输出口、脉冲量输入口、通信口和供电口等处均设置浪涌保护器，以防止雷击产生的高压导入控制系统，增加了控制系统的安全性和抗干扰性。

3.4 安全措施

（1）按照天然气站场防火防爆要求，移动标准装置采用防火防爆设计，其中仪表设备、电气系统均选用隔爆或本安型。

（2）在各自独立的工艺系统箱体和控制系统箱体内设置防爆可燃气体探测系统及通风系统，对可燃气体进行实时监测。

（3）控制室采用正压通风解决方案，并设计为独立操作空间，安装有两道防护门和鼓风系统。工作时由鼓风系统向控制室内吹入新鲜空气，确保控制室内处于正压，防止天然气进入，控制室内由微正压检测仪表进行监测，确保正压工作环境。同时在控制室内安装可燃气体报警仪实时监测可燃气体，一旦报警自动断电，确保生产安全[2]。

4 应用和测试

4.1 配套检定工艺流程

目前，该移动标准装置安装在某站，与配套建设的计量检定工艺流程连接，开展天然气流量计实流检定工作。计量检定工艺流程主要由球阀、篮式过滤器、手动液压伸缩器、板式整流器、汇管及工艺管段等组成，设置DN300和DN150两路检定台位，经大小头变径和直管段配接，实现DN50、DN80、DN100、DN150、DN200、DN250、DN300共7种口径流量计的检定。检定用气依托榆济天然气管道气源，在某末站计量调压后取气，天然气经检定流程后返回末站出站管道。

4.2 保证测量结果准确可靠的主要措施

（1）计量器具具有有效的检定/校准证书。移动标准装置定期到南京分站对标准涡轮流量计和核查超声流量计进行在线校准。

（2）在控制系统中，用校准结果修正计量器具。

（3）在保证流量计准确度的前提下，减小连接管道的管容。

（4）在检定过程中，控制检定用气压力和流量的稳定。

（5）对测试管道进行保温处理，保证温度测量的准确性。

（6）用核查超声流量计监视标准涡轮流量计的工作性能。

（7）定期进行重复性、稳定性测试。

4.3 重复性测试

将移动标准装置与某末站配套天然气流量计检定台位系统串联安裝，在两路并联的检定台位上，一路安装DN100超声流量计（30～800 m3/h），另外一路安装DN200超声流量计（90～3 000 m3/h）。在进行重复性测试时，在每个标准涡轮流量计测量范围内选取两个流量测量点（DN80选60 m3/h和120 m3/h，DN150选200 m3/h和800 m3/h，DN400选1 000 m3/h和2 500 m3/h）；每个流量点连续重复测试10次，每次测试时间不少于60 s，测试结果表明：3台工作标准涡轮流量计的测量重复性为0.04%。

4.4 稳定性测试与重复性测试

工艺流程相同，只选用DN200超声流量计作为测试对象，在移动标准装置的测量范围内，分别选取5个流量点（160 m3/h、250 m3/h、900 m3/h、1 600 m3/h、2 500 m3/h），用移动标准装置对DN200超声流量计进行一组示值误差测量，每个流量点测量6次；每隔一个月以上测试1组数据，半年内共测试4组数据。4组测量数据中最大和最小示值误差之差为0.28%，该值表示移动标准在这段时间内的稳定性，优于0.33%。

4.5 不确定度验证

采用传递比较法对移动标准装置的流量测量不确定度进行验证，首先用移动标准装置对南京分站的DN400和DN150核查超声流量计进行测量，选取8个流量点，每个流量点测量3次，取其示值误差的平均值作为测量结果。再将该测量结果与分站用工作标准测量这两台核查超声流量计的测量结果进行比较，得出移动标准装置的流量测量不确定度优于0.33%。

5 结束语

通过参与对整套装置的设计、研制、实验、改进工作，我发现整套装置运行稳定可靠，自动化程度高，测量精度达到设计目标。本装置与现今实验室计量检定工作形成优势互补，使计量的服务性质得到很好的体现。整套装置实现了检定过程的自动化控制，减少了人为因素的干扰，充分考虑外界环境的影响，系统稳定性高，操作简便，人机交互界面更为直观等特点。

参考文献

[1] 苏彦勋，梁国伟，盛健.流量计量与测试[M].北京：中国计量出版

社，2007：371-387.

[2] 郭爱华.标准表法气体流量标准装置[J].自动化仪表，2009，30

（8）：50-54.

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