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1、孔板测量天然气的不确定度浅析 Uncertainty Analysis of Measuring Natural Gas with Throttle Device陈太莲(重庆燃气集团公司, 重庆 400020)摘? 要: 本文针对节流装置孔板测量天然气的各种因素对流量计量造成的影响, 分析了测量结果的不确定度, 为有效降低燃气供销差提供技术支持。关键词: 天然气; 孔板; 测量不确定度1? 各测量参数对流量测量的影响1?1? 从计算公式分析差压流量计以伯努利方程和流量连续性方程为依据。当流体流经节流件时, 在其两侧形成差压, 该差压与流量的平方成正比。计算公式如下:qm=c1- ?4?4d22
2、! P或qv=c1- ?4?4d22 P !式中: qm? ? 流体的质量流量, kg/ s ; qv? 流体的体积流量, m3/ s ; C ? ? 流出系数, ? 无量纲;? ? 天然气的可膨胀性系数, ? 1, ? 无量纲; d ? ?工作状况下节流件的开孔直径, m ; P ? 差压, P= P1- P2, Pa ; !? ? 工作状况下, 节流件( 前) 上游处流体的密度, kg/ m3 ; ? 直径比 ? 无量纲。?=d/ D。从公式中可以看出: 流量测量和 c、 ? 、 ! 、 d、 D、 p等因素有直接关系, 与压力温度有间接的关系。其中: c、 ?可以通过经验公式计算得出;!
3、与标准状态下的密度 !20有关, 通过测量天然气的温度和压力, 并根据压缩系数计算得出, 而标准状态下的密度 !20则是通过对天然气气质的分析计算得出;d、 D、 p 、 p 、 T 用仪器仪表直接测量。以下分析不包含等熵指数、 雷诺数、 流体粘度、 压缩系数等中间量的不确定度。1?2? 各分量的标准偏差c 的不确定度应为 0?8% ( 依据 GB2624- 93) , 按最新计算方法可达到 0?5%。估计为正态分布, 其标准偏差为 0?25% ;?的计算与 p、 p 测量的准确度有关, 测量要求比较准确时, 一般为 0?2%。由于? = 1- (0?351+ 0?256?4+ 0?93?8)
4、 1- (p- p p)1 k式中: p ? 孔板上游侧压力。估计 ?的相对标准偏差为 ( 0?22+ 0?22)0 ? 5/ k/ 2 %= 0?109%。灵敏度系数为 1/ k, 天然气的等熵指数一般在( 1?3 1?4) 之间, 取 1?3, 分析时估计为正态分布;D、 d 测量的准确度分别为 0?3% 和 0?1%, 估计为均匀分布, 其标准偏差分别为 0?17% 和 0?06% , 灵敏度系数分别为2?41- ?4和2 1- ?4, 在取 ?= 0?5 时分别为 0?13 和 2?13; p 测量的准确度一般为 0?2%, 估计为均匀分布,对流量测量的影响的相对标准偏差为 0?12%
5、, 灵敏度系数为1/ 2; !20的测量通常用计算法天然气组分分析得出,在标准状态下其准确度可达到( 0?3% 0?4% ) , 估计为正态分布, 其标准偏差为 0?2% ; 同时, 由于工作状态时压力 p 测量的准确度一般为 0?2% , 估计为均匀分布, 其标准偏差为 0?12%, 除此, 还应包含大气压力测量误差0?2%, 估 计标准偏 差为 0?12% 以及 温度测 量误差0?5%, 估计标准偏差为 0?29% 等因素造成的测量不确定度。工作状态下密度对流量的影响的标准偏差为( 0?22+0?122+ 0?122+ 0?292)0 ?5= 0?39%, 灵敏度系数为 1/ 2。1?3?
6、 合成不确定度综合以上各项u1= ( 0?252+ (0?109)2+ ( 0?13 0?17)2+ (2?13 0?06)2+ (0?12 2)2+ (0?39 2)2)0 ? 5%= 0?37%估计为正态分布。2? 流体对节流装置的影响节流装置对流体的要求较高。稳定的单向流体, 充分发展的紊流是最基本的要求。这首先要求在使用天然陈太莲: 孔板测量天然气的不确定度浅析? ? ?53? ? ?气时流体要保持稳定, 不能脉动使流量时大时小。通常上下游取压点处的流体存在低频高幅漩涡。差压信号的测量是不稳定的, 流体的脉动无疑使测量的差压更加不准确。这也决定了节流装置在高噪声背景下,测不出小的差压值
7、, 致使量程比太小。但是在民用天然气计量中, 由于高峰用气时的差压比非高峰时的差压相差太多, 远远超出节流装置能测量的范围。另一方面, 要求直管段比较长, 以利于流体的充分发展。从节流装置的实际安装来看, 大多数的节流装置因为场地的限制而不能满足标准或检定规程的要求, 使流体流经节流装置时产生脉动的压力, 使测量不准确。按新的国际标准对直管段的要求, 更加不容易实现。同样的道理, 管道内壁的粗糙度也要影响流体的平稳流态。同时使管道的内径测量不准。温度、 压力安装对流体的流态也有一定的影响。估计该项对流量测量准确度的影响为 0?5%, 按均匀分布, u2= 0?29% 。3? 孔板入口边缘磨损标
8、准或规程规定孔板入口边缘 G 应为尖锐的, 入口边缘的圆弧半径 rk应不大于 0?0004d, 入口边缘经过测量其圆弧半径, 根据半径实际的大小来决定是否进行补偿。实际上, 加工时就比较困难, 使用中亦无法保持。入口边缘的磨损会带来一个修正值, 该修正值要求准确测量入口边缘的圆弧半径, 但是实际测量的圆弧半径误差比较大。按标准 GB2624 规定, 通常当 bk不等于 1 时,应当对流出系数不确定度几何相加一个 0?5%的附加不确定度。下面引用天然气计量中常用的 bk修正系数表( 见表 1)表 1? bk与rk/ d 的关系rk/ d! 0?0004d0?0010?0020?0040?0060
9、?0080?0100?0120?0140?015bk11?0051?0121?0221?0321?0401?0481?0551?0621?065注: 孔板除实测rk外, 也可按rk= 0?165( 1- et 3) + 0?03 近似计算, 其中t 为使用年限。? ? bk的使用方法是直接和流量系数 C 相乘, 由于 C和流量成正比关系, 实际上是直接对流量的修正。从上表可看出, 各档的平均间隔相差为 0?7% , 由于 rk测量的不准, 即锐角修正系数对流量测量的影响应该在0?5% 0?7%之间。取不确定度为 0?6% , 按均匀分布,则: u3= 0?35%。4? 信号问题4?1? 小信号
10、使用时, 流量稳定在某个比较大的位置( 70%) 并全天 24 小时使用时, 小信号对节流装置几乎没有影响, 约为 0?2% 。但是, 如果 12 小时使用时累积流量误差约为6?39% , 8 小时使用时累积流量误差约为 12?78%。使用时, 流量稳定在某个比较适中位置( 50% ) 并全天 24 小时使用时, 小信号对节流装置影响开始显现, 约为 0?4%。同时, 如果 12 小时使用时累积流量误差约为9?34% , 8 小时使用时累积流量误差约为 18?28%。使用时, 流量稳定在某个比较小的位置( 30% ) 并全天 24 小时使用时, 小信号对节流装置影响开始明显, 约为 1?0%。
11、同时, 如果 12 小时使用时累积流量误差约为15?91% , 8 小时使用时累积流量误差约为 30?82%。虽然小信号对节流装置的测量准确度影响非常大。但却是可以消除掉的。可以从下面四方面处理:( 1) 确认小信号。小信号是在流量为 0 时, 观察到的流量积算系统的差压信号值。对于法兰取压的高级孔板阀, 也可以是在没有孔板时的差压信号值。( 2) 切除小信号。通过累积系统把没有差压信号时的所有信号扣掉, 并保证该信号能储存、 显示和查询;( 3) 计算流量的差压是扣掉了小信号的差压, 即 P= 差压变送器信号计算值- 小信号值;( 4) 建立相应的针对小信号的管理制度, 完善管理制度。估计该
12、项对流量( 适中且全天使用) 测量的影响为0?5%, 按均匀分布, u4= 0?29% 。4?2? 差压、 压力信号的传输对各种流量计, 定期清扫是必不可少的。两根导压管应该尽量短而且要相等, 同时千万保证不能泄漏。在检定时, 要通过差压变送器检查导压管是否泄漏。保守估计该项对流量测量的影响为 0?2%, 按均匀分布, u5= 0?12%, 灵敏度系数为 0?5。4?3? 电信号传输对流量测量的影响节流装置的压力、 差压、 温度等传感器输出的模拟信号要同时输送到累积计量系统中进行数据处理, 最终换算为标准状态( 101325Pa、 20 ) 下的气体体积。信号进入累积系统的过程是:差压、 压力
13、、 温度#传感器( 或变送器) #隔离器( 避雷器或安全栅等) #A/ D转换卡( 或模块) #累积系统可以看出, 传感器( 或变送器) 的信号是经过几个关卡后才进入到累积系统的, 每个环节都有可能使信号失真, 所以中途的隔离和转换是需要严格检测的, 以保证信号的线性。该项影响主要就是在线性上, 通常要求不能大于 0?5% 。估计该项对流量( 适中情况) 测量的影响为 0?5% ,按均匀分布, u6= 0?29% , 灵敏度系数为 0?5。54? ? ? ?计量与测试技术%2008 年第 35 卷第 9 期5? 瞬时流量计算和累积流量天然气 流量计 算系统 计算的 误差一 般不大 于0?1%
14、, 按均匀分布, u7= 0?06%;累积流量测量时, 由于时间测量准确度很高, 其不确定度忽略不计。6? 扩展不确定度的计算通过以上分析, 合成不确定度如下:u =u21+ u22+ u23+ u24+ 0?25u25+ 0?25u26+ u27= 0?68%扩展不确定度, 按正态分布, 取 k= 2。U= k u= 2 0?68%= 1?36%7? 结论节流装置在测量天然气时, 流量测量的不确定度为1?36%( 由合成不确定度 u= 0?68%, 按 t 分布其包含因子为 2 所得) 。表 2? 各分量对流量测量的影响序号不确定度来源( Xi)标准不确定度 u ( xi) 灵敏度系数 C(
15、 Xi)1各测量参数对流量测量的影响0?371 2流体对节流装置的影响0?2913入口边缘磨损0?3514信 ? 号小信号0?291差压(压力) 信号的传输0?120?5 电信号传输0?290?55瞬时流量计算和累积流量0?0618? 总结本文讨论的节流装置测量天然气的主要不确定度来源在以下五个方面: 流体对节流装置的影响 f1; ( 孔板入口边缘磨损f2; ) 小信号问题 f3; 电信号传输和转换 f4。则节流装置测量天然气的数学模型应为qv=c 1- ?4?4d22 p !f1f2f3f4从以上分析, 孔板计量是能够满足燃气计量准确度要求的。但值得注意的是实际供应天然气计量中难免有天然气的
16、峰谷波动、 孔板入口磨损、 导压管堵塞、 泄漏等应加以积极有效控制, 才能最大限度的保证计量的准确度。在此提出在选用孔板计量天然气时, 必须严格按照标准要求进行设计、 、 制造、 安装、 使用、 检验等工作; 加强计量管理, 加强对计量装置、 仪表、 管路的检查、 维护、 保养、 检定。才能确保计量准确可靠, 有效降低燃气供销差。作者简介: 陈太莲, 女, 工程师。工作单位: 重庆燃气集团公司。通讯地址:400020 重庆市江北区电测村 83 号。收稿时间: 2008- 06- 13( 上接第 52 页)u4= | #P被/ #R| 1/ 10/ (0?4 3)= 0?03%其估算值可靠性 50%, 故自由度为:v= 1/ 2 ( 50% )2= 24?5? P静压项规程要求被检表指针中心轴与压力计活塞下缘处在同一水平面上, 以避免介质液体产生静压差, 有相差时不作修正便引入误差。实验中实测存在高度差 h= 1cm,服从两
