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1    引 言

我國天然氣用量迅速增長，輸氣管網(wǎng)及用戶配套流量儀表需求量龐大。為滿足各類用戶的需求，流量計(jì)的選型不僅要考慮儀表的計(jì)量準(zhǔn)確度，還要考慮儀表采購、維護(hù)與校驗(yàn)成本。據(jù)統(tǒng)計(jì)，天然氣輸氣管網(wǎng)流量儀表主要為：標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)、渦輪流量計(jì)及氣體超聲流量計(jì)?？装辶髁坑?jì)由于有ISO5167-2003(E)標(biāo)準(zhǔn)及GB/T21446-2008的支持且應(yīng)用歷史久遠(yuǎn)，是目前國內(nèi)外天然氣流量測量的三大主力儀表之一。

標(biāo)準(zhǔn)噴嘴（本文指ISA1932噴嘴）與孔板一樣同屬標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件，其結(jié)構(gòu)形式和技術(shù)要求均已標(biāo)準(zhǔn)化，按ISO5167-2003(E)制造、安裝使用，無需實(shí)流檢定即可計(jì)算出流量及流量不確定度。噴嘴的入口是由兩個(gè)圓弧組成，耐磨性好，能長期保持流量特性的穩(wěn)定，檢規(guī)JJG640規(guī)定其檢定周期不超過4年，而且壓損小，所以噴嘴應(yīng)是比孔板更為優(yōu)良的節(jié)流件。但由于其廓形復(fù)雜，加工、檢驗(yàn)比較困難，所以長期以來標(biāo)準(zhǔn)噴嘴的使用量遠(yuǎn)比孔板少得多。上世紀(jì)90年代，流量測量專家和西安三聯(lián)測控工程討論組提出了“定值噴嘴”的概念，即一種管道口徑的噴嘴，僅設(shè)幾個(gè)喉部直徑值，這就大大簡化了生產(chǎn)工藝及檢驗(yàn)，可使儀表的檢定更具客觀性。這一概念的提出，推動(dòng)了噴嘴流量計(jì)的應(yīng)用。進(jìn)入21世紀(jì)，噴嘴流量計(jì)使用大幅增加，特別在水蒸氣流量測量領(lǐng)域，其性能穩(wěn)定、可靠已成為廣大用戶的共識。因此制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)噴嘴在天然氣流量測量中的應(yīng)用已是水到渠成之事。西安三聯(lián)測控作為流量測量行業(yè)的重要一員，一直想給中國流量儀表帶來一些新的改變。

國家標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會將《用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴流量計(jì)測量天然氣流量》列入2012年第二批國家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃，由石油工業(yè)油氣計(jì)量及分析方法專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會油氣計(jì)量分技術(shù)委員會組織實(shí)施。標(biāo)準(zhǔn)制訂目前已進(jìn)入報(bào)批稿階段。

2    在編標(biāo)準(zhǔn)與ISO5167-2003的異同

2.1 ISO5167為通用標(biāo)準(zhǔn)，而《用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴流量計(jì)測量天然氣流量》標(biāo)準(zhǔn)為標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)噴嘴特指ISA1932噴嘴，標(biāo)準(zhǔn)采用了ISO5167-2003(E)中有關(guān)ISA1932噴嘴的所有內(nèi)容。

2.2 增加了定值噴嘴的內(nèi)容，一種公稱管徑的標(biāo)準(zhǔn)噴嘴，喉部直徑有成千上萬種選擇，每加工某一喉部直徑的噴嘴，必須準(zhǔn)備數(shù)套樣板作為加工、檢查入口廓形之用，這給加工及檢驗(yàn)帶來不同程度的困難。

定值噴嘴也是標(biāo)準(zhǔn)噴嘴，只不過對一種公稱管徑只選取有限個(gè)喉部直徑值，直徑比范圍在0.42～0.6，加工、檢驗(yàn)就方便得多，有利于提高產(chǎn)品的一致性。所以在標(biāo)準(zhǔn)中作為重點(diǎn)推薦，同時(shí)考慮到極大流量、極小流量及一些特殊場合的應(yīng)用，也可在標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)選取其它的喉部直徑。

2.3增加了天然氣物性值（粘度、等熵指數(shù)、密度、壓縮系數(shù)等）、流量、能量及不確定的計(jì)算公式，這些公式參考了GB/T21446-2008。

2.4 增加了“天然氣流量計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本技術(shù)要求”，本部分仍參考了GB/T21446-2008。

2.5 JJG640檢定規(guī)程中，系數(shù)檢定只給出了檢定點(diǎn)的流出系數(shù)及重現(xiàn)性誤差，本標(biāo)準(zhǔn)在附錄中增加了“定值噴嘴及實(shí)流檢定”的內(nèi)容，給出了定值噴嘴檢定數(shù)據(jù)的回歸公式及不確定度計(jì)算公式。

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

3.1 雖然遵循ISO5167-2003規(guī)定制造、安裝，噴嘴流量計(jì)無需實(shí)流檢定*可以用于天然氣流量測量，但由于噴嘴在我國應(yīng)用中不是太多，特別沒有在天然氣系統(tǒng)檢定的先例，所以進(jìn)行一定的驗(yàn)證試驗(yàn)是必要的。

3.2  試驗(yàn)定值噴嘴口徑為DN50、DN80、DN100、DN150，每種口徑有三個(gè)β值，即0.42、0.51、0.6，流體分別為水、空氣。由于條件限制，在天然氣系統(tǒng)僅對DN80及DN100，β為0.51的二臺儀表進(jìn)行試驗(yàn)。每臺儀表均配*D、后5D的直管段，所用差壓變送器在檢定有效期內(nèi)。

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

    所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)已提供給西安三聯(lián)測控標(biāo)準(zhǔn)審查小組，本文僅列舉在水系統(tǒng)及天然氣系統(tǒng)試驗(yàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析。水試驗(yàn)是在安徽*進(jìn)行，水系統(tǒng)不確定度0.05％，天然氣試驗(yàn)在國家石油天然氣大流量計(jì)量站成都分站進(jìn)行，操作壓力1.6MPa，系統(tǒng)不確定度為0.25％ 。試驗(yàn)噴嘴口徑為DN80及DN100,直徑比均為0.51，試驗(yàn)所用兩臺差壓變送器量程分別為0-500kPa和0-100kPa(水試驗(yàn))及0-100kPa和0-10kPa（天然氣試驗(yàn)）,經(jīng)檢定其精度為0.075級，

表1 DN80水試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2   DN100水試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3  DN80天然氣試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4   DN100天然氣試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.4  數(shù)據(jù)回歸

（1）DN80定值噴嘴水試驗(yàn)平均流出系數(shù)回歸

      C= 0.973043-0.000195(106/ReD)^1.15

不確定度為 ：U(C)=0.084％

（2）DN100定值噴嘴水試驗(yàn)平均流出系數(shù)回歸

     C= 0.97356-0.000202(106/ReD)^1.15

不確定度為 ：U(C)=0.092％

（3）DN80定值噴嘴天然氣試驗(yàn)平均流出系數(shù)回歸

      C= 0.971602+0.000069(106/ReD)^1.15

不確定度為 ：U(C)=0.124％

（4）DN100定值噴嘴天然氣試驗(yàn)平均流出系數(shù)回歸

     C= 0.973658+0.000045(106/ReD)^1.15

不確定度為 ：U(C)=0.161％

由于水系統(tǒng)精度為0.05級，其不確定度為 ：U(q)=0.05％

天然氣系統(tǒng)精度為0.25級，其不確定度為 ：U(q)=0.25％

差壓變送器精度為0.075％，試驗(yàn)中采用雙差變，每個(gè)的測量范圍都小于10:1，不確定度zui大為：U(ΔP) =2/3×ξΔP×10=2/3×0.075×10=0.5％

考慮到這些因素，可以計(jì)算流出系數(shù)的合成不確定度。

對DN80的定值噴嘴水試驗(yàn) ：Uc(C)=(0.0842+0.052+0.25×0.52)0.5=0.268％

對DN100的定值噴嘴水試驗(yàn) ：Uc(C)=(0.0922+0.052+0.25×0.52)0.5=0.271％

對DN80的定值噴嘴天然氣試驗(yàn) ：Uc(C)=(0.1242+0.252+0.25×0.52)0.5=0.374％

對DN100的定值噴嘴天然氣試驗(yàn) ：Uc(C)=(0.1612+0.252+0.25×0.52)0.5=0.388％

（5）用水試驗(yàn)的回歸曲線替代天然氣回歸曲線測量天然氣流量，其偏差見表5，表6

               表5 DN80

表6 DN100

不確定度為：

對DN80定值噴嘴

％

對DN100定值噴嘴

％

考慮到差壓變送器及檢定系統(tǒng)的精度，流出系數(shù)的合成不確定度為：

對DN80的定值噴嘴測量天然氣 ： Uc(C)=(0.342+0.252+0.25×0.52)0.5=0.49％

對DN100的定值噴嘴測量天然氣 ：Uc(C)=(0.272+0.252+0.25×0.52)0.5=0.45％

3.5 結(jié)果分析

 （1）從表3，表4可看出，其流出系數(shù)與按標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的流出系數(shù)偏差，zui大為0.48％，說明按標(biāo)準(zhǔn)制造的定值噴嘴用于測量天然氣流量時(shí)無需實(shí)流標(biāo)定，即可測量流量及確定流量測量不確定度；

（2）如果需要更高的測量準(zhǔn)確度，可以在天然氣系統(tǒng)實(shí)流標(biāo)定，對標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸，流出系數(shù)不確定度在0.4％以內(nèi)。

（3）本次天然氣實(shí)流標(biāo)定僅對DN80、DN100兩種口徑噴嘴流量計(jì)，該表在水系統(tǒng)標(biāo)定數(shù)據(jù)的回歸方程，用于計(jì)算天然氣流量，其流出系數(shù)不確定度可控制在0.5％以內(nèi)，說明噴嘴流量計(jì)在水系統(tǒng)標(biāo)定，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸后，用于天然氣流量測量，流出系數(shù)不確定度優(yōu)于0.8％（GB/T2624-2006)。下一步的工作是：在不同壓力，不同口徑，不同直徑比條件下試驗(yàn)，用更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的驗(yàn)證。

4 結(jié)束語

多年來，許多流量測量專家在不同場合呼吁在天然氣流量測量中應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴流量計(jì)，西安三聯(lián)測控也一直響應(yīng)該項(xiàng)舉動(dòng)，但由于天然氣的特殊性，直到目前噴嘴流量計(jì)幾乎沒有用于天然氣流量測量中?！队脴?biāo)準(zhǔn)噴嘴流量計(jì)測量天然氣流量》標(biāo)準(zhǔn)的制定，必將改變這一現(xiàn)狀。我國天然氣流量測量儀表數(shù)量大，檢定系統(tǒng)遠(yuǎn)滿足不了儀表檢定的要求，標(biāo)準(zhǔn)噴嘴耐磨損、性能穩(wěn)定、檢定周期長的優(yōu)勢將使這一矛盾得到緩解。驗(yàn)證試驗(yàn)說明了無需實(shí)流標(biāo)定，標(biāo)準(zhǔn)噴嘴流量計(jì)就可以測量流量，并保證一定的測量不確定度。驗(yàn)證試驗(yàn)還提供了一種可能性，即在水系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，對標(biāo)定數(shù)據(jù)回歸，用于天然氣流量測量可獲得高的測量準(zhǔn)確度；其不僅適用于GB/T18603規(guī)定的B級和C級系統(tǒng)，也適用于*系統(tǒng)。另外，由于噴嘴流量計(jì)具有壓力損失小，結(jié)構(gòu)簡單、牢固，且采購、維護(hù)與校驗(yàn)成本低等優(yōu)勢，進(jìn)一步說明制定《用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴流量計(jì)測量天然氣流量》國家標(biāo)準(zhǔn)的必要性。