摘要：随着天然(ran)氣供求量的高(gao)速增長，國家級(ji)天然氣實🚩流檢(jiǎn)定站的産能無(wú)法滿足城市管(guǎn)網和地區輸配(pèi)🛀氣幹線上🐇中、高(gāo)壓天然氣流量(liang)計的周期性檢(jiǎn)定的需求，大量(liàng)涉及貿易結算(suan)的渦輪流量計(ji) 隻能被送至法(fa)定計量檢定機(jī)構在常壓空氣(qi)下标定🙇🏻，對于其(qi)檢定結論和校(xiao)準數據是否适(shi)用則存在着争(zheng)議。爲🙇‍♀️此，分👨‍❤️‍👨别在(zai)常壓💯（0.1MPa）空氣流量(liàng)标準裝置和德(dé)😄國國家高壓（2.5MPa和(he)5MPa）天然氣流量标(biao)準裝置上對32台(tai)渦輪流量計進(jin)✔️行了實流🚶标定(dìng)，引入渦輪流量(liàng)計擴展校準模(mo)型，并基于雷諾(nuo)數對誤差作了(le)對比分析。研究(jiū)結果表明：①常壓(yā)和高壓下的誤(wu)差線分别位于(yu)兩個不同的流(liu)動特征⛹🏻‍♀️區域，不(bu)具有可比性；②在(zai)分界流量以上(shàng)區域，渦輪流量(liang)💰計的誤差僅随(suí)雷諾數而變化(hua)；③在各段壓📐力工(gōng)況中，存在着誤(wù)差接近的雷諾(nuo)數重疊區；④工況(kuang)壓力增加，所對(dui)應的誤差數據(jù)可以被認🐇爲是(shì)對渦輪流量計(ji)精度性🧑🏾‍🤝‍🧑🏼能的連(lian)續延拓；⑤不同的(de)工作♌介質對渦(wō)輪流量計的性(xìng)能沒有明顯的(de)影響。結論認爲(wei)，常壓空氣下的(de)标定數據不能(néng)用于0.4MPa以上工況(kuàng)流量計的檢定(dìng)和校準，在壓力(lì)🤞限制條件下使(shi)用空氣标定高(gāo)壓天🆚然氣流量(liàng)計是一種可行(hang)的方案。
0引言
　　天(tiān)然氣是優質高(gao)效、綠色清潔的(de)低碳能源，随着(zhe)經🚩濟發展、能源(yuan)消費增長和二(er)氧化碳減排要(yao)求日趨嚴格，有(yǒu)效開發、利用天(tiān)然氣已經成爲(wèi)我國推進能❗源(yuan)生産和消費革(gé)命的㊙️重要路徑(jing)之一[1-2]。預計到2020年(nian)我國天然氣的(de)表觀消費量将(jiāng)超過3500×108m3，進口天然(ran)氣量将🐉超過1200×108m3[3]。提(ti)高天然氣貿易(yì)交接計量精度(dù)是客觀公正地(di)維護貿易雙方(fāng)合法經濟利益(yì)的關鍵[4-8]。
　　渦輪流(liu)量計因其精度(du)高、重複性好、無(wú)零點漂移、抗幹(gan)擾🎯性強、量程範(fan)圍寬的特點[9]，被(bei)廣泛用于天然(ran)氣貿易交接，但(dàn)其缺點之一是(shì)流體的物性對(dui)流量特性影響(xiǎng)較大[10]，不同介質(zhì)、不同工況所導(dǎo)緻的氣體物性(xìng)變化對渦輪流(liú)量計的精度有(you)影響[11]；另🏃🏻一個缺(quē)點是不能長期(qi)保持校準特性(xing)，伴随着輸氣系(xì)統管道網絡的(de)大規模建設，必(bi)須定期對用于(yu)天然氣貿易結(jié)算的流量計進(jìn)行實流㊙️标定。
　　目(mu)前國内實流标(biao)定流量計主要(yào)有兩種方式：①以(yǐ)天然氣爲🔴工🔴作(zuo)介質的直排方(fang)案，利用輸氣管(guan)線上遊的自身(shen)壓力和氣量，在(zai)正壓下标定流(liu)量計，之後工作(zuo)介質進入低壓(yā)管線或下遊低(di)壓區🧑🏽‍🤝‍🧑🏻；②以空氣爲(wèi)工作介質在❄️常(cháng)壓下标💘定。爲了(le)盡可能接近天(tiān)然氣流量計的(de)實際🏃🏻工況，我國(guo)建立了9個國家(jia)石油天然氣✔️大(dà)流量計量站（截(jié)至2025年12月）用于解(jie)決高壓天然氣(qi)流量計的實💰流(liú)标定與量傳溯(sù)源問題。然而，随(suí)着天然氣供求(qiu)的高速增長，上(shàng)述國家級天然(rán)氣實流檢定🍉站(zhàn)的産能無法滿(mǎn)足城市管網和(he)地區輸配氣🔞幹(gàn)線上中高壓天(tiān)然氣流量計的(de)周期性檢定需(xū)求。大量🍓涉及貿(mào)易結算、屬強制(zhi)檢定範疇的渦(wō)輪流量計的⛱️準(zhun)确性和有效性(xing)無法得到保證(zheng)，隻能送至法定(dìng)計💋量檢定機構(gòu)在常壓空氣下(xià)标定。因此🐕，渦輪(lun)流量計在不同(tóng)介質、不同工況(kuang)條件下的精度(du)差異受到了✉️天(tian)然氣工業和流(liu)量測量學術💰界(jiè)的關注[12-13]。特别是(shi)使用常壓空氣(qi)标定的數據結(jié)果或檢定結🆚論(lùn)是否适用于 天(tiān)然氣渦輪流量(liang)計 存在争議。
1實(shi)驗工況條件
　　2015—2018年(nián)，某研究院對兩(liǎng)家生産商共32台(tái)進口天然氣渦(wo)輪流量✉️計實施(shi)⭐檢定，流量計入(rù)關前都在德國(guó)國家高壓天然(rán)氣流量✍️标準裝(zhuāng)置（Pigsar）進行了實流(liu)标定，其中制造(zào)商A提♈供了8台DN200mm
　　流(liú)量計（标定壓力(li)爲2.1MPa），制造商B提供(gong)了10台DN150mm（标定壓力(li)爲5MPa）和14台DN250mm流量計(ji)㊙️（其中7台在2.4MPa壓力(li)下标定，另7台在(zai)5MPa壓力下☔标定）。Pigsar的(de)主标準🥰器是9台(tái)渦輪流量計，量(liàng)程介于3～6500m3/h，裝置的(de)擴展不确定度(dù)（Urel）爲0.12%（包含因子💔k爲(wèi)2），流量标準值是(shi)荷蘭—法國—德‼️國(guo)統一參考值（HarmonizedReferenceValue）。某(mǒu)研究院使用臨(lin)界流文丘裏噴(pen)嘴法氣體流量(liang)标準裝置，工作(zuo)介質是常壓空(kōng)氣，量程介于2～4500m3/h，Urel爲(wei)0.16%（包含因子k爲💋2），16個(ge)噴嘴溯源到中(zhōng)國計量科學研(yan)究院的pVTt法氣體(tǐ)流量國㊙️家基準(zhǔn)。
　　盡管測量期較(jiao)長，兩個标準裝(zhuang)置的工作介質(zhi)和工況🤟均比較(jiao)穩定，天然氣裝(zhuang)置（Pigsar）的溫度介于(yu)17～20℃，當工作壓力介(jiè)于2.3～2.4MPa時，天然氣動(dòng)力黏度（μ）爲1.18×10－5Pa·s；當工(gōng)作壓力介于4.8～5.0MPa時(shí)，μ爲1.28×10－5Pa·s。常壓💃空氣裝(zhuāng)置的溫度介于(yú)19～21℃，實驗室壓力介(jie)于0.1003～0.1013MPa時，μ爲1.81×10－5Pa·s。鑒于同(tóng)🏃‍♂️一制造商相同(tong)口徑流量計的(de)型号規格相同(tóng)，篩選出具有代(dai)表性的标定數(shù)據，繪制成體積(jī)流量—誤差曲線(xian)🌐，如圖1所示。
　　同一(yi)流量計在高壓(yā)天然氣裝置與(yu)常壓空氣裝置(zhì)下的誤差曲線(xian)存在差異，在分(fen)界流量點（qt）爲0.2qmax以(yi)下時，常壓空氣(qi)🈲下出🐅現“駝峰區(qū)🙇‍♀️”，導緻差異較大(dà)，駝峰點處最大(da)的♈差異達🌐到0.7%。大(dà)口⁉️徑（DN250mm）渦輪🔴流量(liang)計在空氣裝置(zhi)下的駝峰效應(yīng)減弱，駝峰點處(chu)的差異減小。渦(wō)輪流量計在高(gāo)壓天然氣下的(de)體積流量—誤差(chà)曲線基本呈現(xian)良好的線🚶‍♀️性趨(qū)勢，特别是在5MPa時(shi)，線性特征顯著(zhe)。然而在常壓空(kong)氣工況下，某一(yi)類型❓的DN250mm流量計(ji)在駝峰點以下(xià)的誤差随流量(liang)的減小急劇下(xia)降，導緻高壓天(tiān)然氣與常壓空(kōng)氣的誤差🔞最大(dà)差異出現在最(zui)小流量點及其(qí)附近的始動流(liú)量區，最大相差(chà)1.4%。從圖🔅1所示的點(diǎn)對點誤差對比(bi)來看，不同的流(liú)量計規格、不同(tong)工作壓力下展(zhǎn)現出來的兩條(tiáo)誤差曲線差異(yì)各不相同⭕，有的(de)差異并不大（0.1MPa空(kong)氣和2.4MPa天然氣的(de)DN250mm流量計，差距甚(shen)至小🔞于0.2%），有的差(chà)異超過1%，誤差曲(qǔ)線的形狀也完(wán)全不同，這樣的(de)數據對比會導(dǎo)緻争議：根據常(cháng)壓空氣下的标(biao)定結果能否判(pàn)斷流量計是否(fou)合格，标定的數(shù)據能否用于校(xiào)準該👄流量計。因(yin)此，引入渦輪流(liu)量計擴展校準(zhǔn)🏒模型作進一步(bù)分析。

2渦輪流(liu)量計擴展校準(zhǔn)模型
　　Lee等[15-16]研究了(le)流體密度、黏度(du)對渦輪流量計(jì)性能的影響，在(zài)此基礎上，美國(guó)國家标準與技(jì)術研究院的Pope等(děng)[17]和Wright等[18]擴展了Lee模(mo)型，研㊙️究了🔴低雷(léi)諾數下渦輪流(liu)量計示值誤差(chà)随工作介質運(yun)動黏度變化所(suo)呈現的扇🧑🏾‍🤝‍🧑🏼形特(te)征。該模型将基(jī)🔴于角頻率（ω，rad/s）的流(liu)量計儀表系數(shù)（Kω，rad/m3）表示爲對理🔴想(xiang)流量計儀表系(xì)數（Ki，rad/m3）[19]的修正，如下(xià)所示：

　　式中q表示(shi)體積流量，m3/s；ν表示(shì)介質的運動黏(nián)度，m2/s；雷諾數🏃‍♀️Re=4q/（πdν）；d表示(shi)流💁量計口徑，m；ρ表(biǎo)示介質的密度(du)，kg/m3；C'D、C'B0、C'B1和C'B2分别表示4個(ge)待定系數，在某(mǒu)🌈個流量點下标(biao)定出的儀表系(xì)數（Kf，表示單位體(ti)積流💯體通過流(liú)量計時，流量計(jì)輸出的脈沖數(shu)，1/m3）和轉子葉片頻(pin)率（f，s－1）的關系爲：

　　式(shì)（4）中括号所示的(de)修正包括4個部(bù)分，從中括号内(nèi)第🐉二項♋開始依(yī)次爲：①僅和雷諾(nuò)數有關的流體(tǐ)阻力項；②軸承靜(jìng)态阻力💋項；③軸承(cheng)黏性阻力項；④由(yóu)于軸向推力和(he)動态不平衡引(yin)起的軸承阻力(lì)項。于是修正項(xiang)分成兩部分🌈：流(liu)體阻力項和軸(zhóu)承❌阻力項，流體(ti)阻力項在分界(jiè)流量以上的區(qū)域起主要作用(yong)，且僅與雷諾數(shu)有關，在不同的(de)運動黏度（例如(rú)改變工作介質(zhi)）下🧡測得的誤差(cha)保持不變；軸⛱️承(cheng)阻力項🏃‍♀️起主要(yao)作用的❄️是分界(jiè)流量以下的區(qū)域，因爲阻力作(zuo)🎯用在轉子上🛀，轉(zhuan)子受運動黏度(du)的影響，所以🧑🏾‍🤝‍🧑🏼在(zài)駝峰上升區，同(tong)一💚雷諾數下不(bú)同運動黏度的(de)介質會導緻🍉誤(wu)差的差❌異，在雷(lei)諾數—誤差曲線(xian)上呈現扇形特(te)征[20]。
　　渦輪流量計(ji)是根據工況體(tǐ)積流量發出脈(mo)沖或頻率，将雷(léi)㊙️諾數表達式代(dài)入式（4）可知，影響(xiang)渦輪流量計精(jīng)度的相關特性(xìng)是運動☔黏度，而(ér)不是動力黏度(du)[21]。即使工質的動(dong)力黏度相近，由(yóu)于運動黏度的(de)密度依賴性，特(tè)别是天然氣（2.5MPa）與(yǔ)空氣（0.1MPa）之間25倍的(de)壓力差，導緻🔆兩(liang)個工況的雷諾(nuò)數存在顯著差(chà)異。所以，應當基(ji)于雷諾數，使兩(liǎng)個工況下的誤(wù)差對比符合流(liú)動♻️相似準則的(de)要求。
3基于雷諾(nuo)數的誤差對比(bi)與分析
　　圖2所示(shì)是上述渦輪流(liú)量計基于雷諾(nuò)數的誤差對比(bǐ)圖，兩條誤📱差線(xian)分别處于兩個(ge)不同的流動特(te)征區域，并不具(jù)有可比性，而是(shi)反映了該流量(liang)計的精度随雷(léi)諾數變化的情(qíng)況。此外，由于流(liu)量計的體積流(liú)量量程🧡範圍一(yi)定而工況壓力(li)不同，常壓雷諾(nuò)數❄️上限與高壓(yā)雷諾數的下限(xiàn)存在間隔🛀，且工(gōng)況壓力相差越(yuè)小，間隔越小。随(sui)着間隔差距縮(suō)小，誤差越來越(yuè)接近，DN200mm和DN250mm（2.4MPa天然氣(qi)）流量計的誤差(chà)随雷諾數呈現(xian)幾📞乎連續的變(biàn)化，符合式（4）表征(zhēng)的物理意義，即(jí)：流體阻力項在(zài)分界流量以上(shang)的區域✂️起主要(yao)作用，流量計👄示(shi)值誤差僅與雷(léi)諾數有關。若上(shang)述間隔的雷諾(nuo)數🤩差距在可接(jiē)受的範圍内，則(zé)可以進行常壓(ya)空氣與高壓天(tian)然氣之間點對(dui)點的誤差🏃比較(jiào)，但是受當前實(shí)驗條件所限，圖(tú)2所示的數據并(bing)不支持這樣的(de)對比。因此，增加(jia)了高壓空氣下(xia)的标定實驗。一(yī)台經過㊙️常壓空(kōng)氣标定的DN100mm渦🔅輪(lun)流量計分别在(zai)德國一家企業(ye)的高壓空氣（1.6MPa、2.6MPa）環(huán)道（2～1600m3/h，Urel=0.20%，k=2）和德國國家(jiā)高壓天然氣流(liu)量标準裝置（Pigsar，5.1MPa）進(jin)行标定，誤差🌈曲(qu)線如圖3-a所示。


　　0.1MPa常壓空氣的(de)上限和2.6MPa高壓空(kong)氣的下限雷諾(nuò)數差距爲2.72×104，兩㊙️者(zhe)對應的誤差相(xiang)差0.24%，小于兩套裝(zhuāng)置的合成擴展(zhan)不确定度0.25%。3個空(kōng)氣（0.1MPa、1.6MPa和2.6MPa）的測量結(jié)果出現兩段雷(léi)諾數重疊，重疊(dié)區内誤差🈲僅有(yǒu)不到0.2%的差🔴異。高(gao)壓空氣（2.6MPa）和高壓(yā)天然氣（5.1MPa）的部分(fèn)誤差數據在點(diǎn)對點比較中🔞差(cha)異小于0.1%。圖3-a中出(chu)現的數據段重(zhong)疊，可以認爲是(shi)流🏃‍♀️量計精度性(xing)能的延拓。圖3-a還(hai)表明，壓力差異(yì)對流量🔴計性能(neng)的影響顯著，與(yǔ)之相較，不同工(gong)作介質引起🏃🏻的(de)差異很小。
　　圖3-b所(suo)示的是荷蘭國(guo)家計量研究院(yuan)提供的DN250mm渦輪流(liú)🍉量計在空氣（0.1MPa，0.8MPa）和(hé)天然氣（6.0MPa）下的測(cè)試數據，結果表(biao)明，流量計誤差(cha)随雷諾數變化(huà)特征明顯，誤差(chà)在雷諾數介于(yu)2.72×104～3.14×105（常壓空氣—中壓(yā)空🌏氣）和雷諾數(shu)介于（1.12～2.77）×106（中壓空氣(qi)—高壓天然氣）兩(liang)段有較好的重(zhong)🏃🏻‍♂️疊與銜接，基于(yu)雷諾㊙️數重疊可(ke)以估計其他相(xiang)近壓力（或其🌈他(tā)工作介質）的誤(wu)差曲線🈲，但是在(zài)量程範圍以外(wai)，不能外推出誤(wu)差。鑒于 氣體渦(wo)輪流量計 性能(néng)受壓力影響，GB/T21391—2008“用(yong)氣體渦輪流量(liàng)計測量天然氣(qì)☂️流量”[22]和歐洲标(biao)準EN12261“渦輪流量計(ji)”特别強調：對用(yong)戶規定的🐪工作(zuo)❓壓力大于0.4MPa的流(liú)量計，需在一個(ge)或多個壓🐪力下(xia)進行校準。如果(guo)用戶指定的工(gōng)作壓力範圍的(de)上限值小于或(huò)等于4倍的下限(xiàn)值，要求選定校(xiào)準工作壓力p1，使(shǐ)[0.5p1，2.0p1]覆蓋用戶指定(ding)的工作壓力的(de)上下限；當上限(xiàn)值大于♈下🔞限值(zhí)的4倍，需要增加(jiā)一個壓力試驗(yan)點p2，且p1＜p2，使[0.5p1，2.0p2]能👨‍❤️‍👨夠覆(fu)蓋用戶指定的(de)工作壓力的上(shang)下限。根✍️據上述(shu)規定，如果用戶(hù)指定這台DN250mm的渦(wo)輪流量計在0.8MPa和(he)6.0MPa下工作，可以選(xuǎn)定p1=1.6MPa和p2=3.0MPa作爲⁉️校準(zhǔn)工作壓力，根據(ju)上述雷諾數重(zhòng)疊區域的誤差(chà)數據銜接，可以(yǐ)估計🌈該流量計(ji)在（0.8～6.0MPa）範圍内的誤(wù)差大小和變化(huà)趨勢。
4結束語
　　影(ying)響渦輪流量計(jì)精度的相關特(te)性是工作介質(zhi)的運🥵動黏度，由(you)于運動黏度的(de)密度依賴性，氣(qì)體渦輪🤩流量計(jì)的✉️性能主要受(shòu)到工況壓力的(de)影響。如果兩個(ge)工況壓力相差(chà)大于4倍，那麽渦(wo)輪流量計在相(xiàng)應工況下的誤(wu)差數據不具有(you)可📱比性，所以常(cháng)壓下的✂️标定結(jié)果不能反映該(gai)流量計在0.4MPa以上(shang)工況的計量🚩性(xing)能，标定的🤩數據(jù)也不能用于🏃‍♀️流(liú)量計的校準。
　　在(zai)分界流量以上(shang)區域，渦輪流量(liàng)計的誤差僅随(sui)雷諾數變化，工(gong)況壓力增加所(suǒ)對應的誤差數(shù)據可以認爲🤟是(shi)對流量☀️計精‼️度(du)性能的連續延(yan)拓。因此，基于雷(lei)諾數🔴重疊可㊙️以(yǐ)估計其他相近(jìn)壓力（或其他工(gōng)作介質）的誤差(cha)。
　　實驗結果并沒(méi)有發現不同的(de)工作介質（例如(ru)天然氣和空氣(qì)）對渦輪流量計(jì)的性能有明顯(xian)的影響，所以，在(zai)前述壓力🔱限制(zhi)條件✨下，使用空(kōng)氣标定高壓天(tian)然氣流量計是(shi)✊一種可行的方(fang)🥰案。目前國家級(jí)天然氣實流檢(jiǎn)定站都選址在(zai)主幹線附近，需(xū)🙇🏻要有穩定✉️的氣(qì)源和低壓天然(ran)氣用戶，且直排(pai)方案投資巨大(da)。而閉環式高壓(ya)空氣流量标準(zhǔn)裝置具有以下(xia)優點：①不存在測(cè)試用氣體的排(pái)放問題；②沒有防(fang)爆問題的困擾(rao)；③流量調節、壓力(lì)調節和更換氣(qì)體等問題迎刃(rèn)而解；④裝置🐉維持(chi)成本和能耗都(dōu)比較低，因而計(ji)💚量技術機構已(yǐ)經開始這方面(miàn)的研發工作[23]，大(da)批城市管網和(hé)地區輸配氣幹(gan)線上中🥰高壓天(tian)然氣流量計的(de)量傳溯源有望(wang)得到解決。

以上(shàng)内容源于網絡(luo)，如有侵權聯系(xì)即删除!