CN114858252A - 天然气质量-时间法原级标准装置智能校准装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了天然气质量‑时间法原级标准装置智能校准装置，包括原级标准设备、数采系统与智能校准算法，所述原级标准设备包括临界文丘里喷嘴、原级球罐、陀螺电子天平、多普勒气相色谱仪、工艺管道、一对快速联动阀、入口阀门、连接法兰、计时系统及相关的压力和温度变送器。通过分析原级标准装置、检定工艺及各喉径喷嘴检定数据，解决了现有校准过程中，存在若干影响因素，导致计算得到的质量流量并非精确值，其误差来源有，充气前后附加管容内实际气体质量的差值；称重球罐由于热应变与压应变导致所受浮力产生变化，影响电子陀螺仪数值；快速换向阀的系统时间差导致实际测试时间与预置测试时间存在差距的问题。
Description
技术领域
本发明属于智能校准技术领域，尤其涉及天然气质量-时间法原级标准装置智能校准装置。
背景技术
为了使计量符合国家法律规定与市场需求，就必须建立规范的量值溯源与溯源体系，将工作仪器和国家计量标准相联系，通过计量仪表的周期性溯源来保证计量准确性。mt法天然气流量原级标准、临界流文丘里法次级标准、标准涡轮流量计法工作标准和车载移动式标准装置，设计压力是10MPa，工作压力是(5.0～8.0)MPa，质量流量为(0.1～8.0)kg/s，复现的质量流量的扩展不确定度为0.1％。
质量-时间法原级标准装置的工作原理为：在测试开始前，调节临界流文丘里喷嘴的下游压力，使喷嘴流速达到滞止状态，即流过临界流文丘里喷嘴的流体在一定背压比下流速不随下游压力变化而变化；当流动稳定后，联动质量-时间法原级标准装置快速换向阀换向，使天然气流入称重球罐内，同时开始计时；到预置得到测试时间后，操作快速换向阀以停止进气，同时停止计时；用称重球罐和附加管容内天然气质量的变化量和测试时间可以计算出天然气的质量流量。由于校准过程中，存在若干影响因素，导致计算得到的质量流量并非精确值，其误差来源有，充气前后附加管容内实际气体质量的差值；称重球罐由于热应变与压应变导致所受浮力产生变化，影响电子陀螺仪数值；快速换向阀的系统时间差导致实际测试时间与预置测试时间存在差距等。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了天然气质量-时间法原级标准装置智能校准装置，具备校准精度高的优点，解决了现有校准过程中，存在若干影响因素，导致计算得到的质量流量并非精确值，其误差来源有，充气前后附加管容内实际气体质量的差值；称重球罐由于热应变与压应变导致所受浮力产生变化，影响电子陀螺仪数值；快速换向阀的系统时间差导致实际测试时间与预置测试时间存在差距的问题。
本发明是这样实现的，天然气质量-时间法原级标准装置智能校准装置，包括原级标准设备、数采系统与智能校准算法，所述原级标准设备包括临界文丘里喷嘴、原级球罐、陀螺电子天平、气相色谱仪、工艺管道、一对快速联动阀、入口阀门、连接法兰、计时系统及相关的压力和温度变送器；
所述数采系统实时采集压力数据、温度数据、湿度数据、质量数据、时间数据、气体组分数据、压缩因子数据和相对密度数据；
所述智能校准算法根据数采系统实时上传的数据判断原级标准装置的工况，并依据不同工况完成下发调节命令、在线计算不确定度、实时仿真与展示结果任务。
智能校准系统依托原级装置PLC数据板卡制作通信接口协议，将喷嘴检定任务中各个步骤的操作数据进行采集、识别和存储。
作为本发明优选的，所述原级标准设备还包括原级标准智能校准系统，所述原级标准智能校准系统包括数据通信系统与智能校准模型；
数据通信系统包含对压力、温度、湿度、质量、时间、气体组分、压缩因子、相对密度等工艺数据的实时采集，所述智能校准模型包含对球罐内部流场计算算法、外环境与热力学计算算法、静力学计算算法和基于实时数据的不确定度计算算法。
作为本发明优选的，所述质量流量计算式为：
式中：
qm——质量流量，kg/s。
△m——通过被测流量计的天然气质量，kg。
t——实际充气时间，s。
由式(1)，推导出质量流量的相对标准不确定度计算公式为：
式中：
ur(qm)——质量流量的相对标准不确定度，％。
ur(△m)——通过被测流量计的天然气质量的相对标准不确定度，％。
ur(t)2——实际充气时间的相对标准不确定度，％。
作为本发明优选的，所述天然气质量计算式为：
Δm＝Δm1+Δm2+Δm3+Δm4 (3)
式中：
△m1——称重球罐内天然气质量，kg。
△m2——滞留在附件管容1的天然气质量，kg。
△m3——滞留在附件管容2的天然气质量，kg。
△m4——称重前后空气浮力影响的修正质量，kg。
由式(3)，推导出通过被测流量计的天然气质量的相对标准不确定度计算公式如下：
式中：
ur(Δm1)——称重球罐内天然气质量的标准不确定度，kg。
ur(Δm2)——滞留在附件管容1的天然气质量的标准不确定度，kg。
ur(Δm3)——滞留在附件管容2的天然气质量的标准不确定度，kg。
ur(Δm4)——称重前后空气浮力影响的修正质量的标准不确定度，kg。
作为本发明优选的，所述实际充气时间计算式为：
t＝t1-Δt (5)
式中：
t1——计时器的计时时间，s。
△t——联动快速切换阀动作补偿时间，s。
由式(5)，推导出充气时间不确定度计算公式如下：
式中：
u(t1)——计时器计时时间的标准不确定度，s。
u(Δt)——联动快速切换阀动作补偿时间的标准不确定度，s。
作为本发明优选的，所述称重球罐内天然气质量计算公式为：
Δm1＝me-ms (7)
式中：
me——充气后称重质量，kg。
ms——充气前称重质量，kg。
由式(7)，推导出滞留在附件管容1的天然气质量的标准不确定度计算公式为：
式中：
u(me)——充气后称重质量的标准不确定度，kg。
u(ms)——充气前称重质量的标准不确定度，kg。
作为本发明优选的，所述滞留在附件管容1的天然气质量计算公式如下：
Δm2＝VL,1(p1,e-p1,s) (9)
式中：
VL,1——附加管容1体积，m3。
ρ1,e——附加管容1充气后气体密度，kg/m3。
ρ1,s——附加管容1充气前气体密度，kg/m3。
由式(9)，推导出滞留在附件管容2的天然气质量的标准不确定度计算公式为：
式中：
u(VL,1)——附加管容1体积的标准不确定度，m3。
u(p1,e)——附加管容1充气后气体密度的标准不确定度，kg/m3。
u(p1,S)——附加管容1充气前气体密度的标准不确定度，kg/m3。
作为本发明优选的，所述滞留在附件管容2的天然气质量计算公式如下：
Δm3＝VL,2(p2,e-p2,s) (11)
式中：V L,2——附加管容2体积，m3。
ρ2,e——附加管容2充气后气体密度，kg/m3。
ρ2,s——附加管容2充气前气体密度，kg/m3。
由式(11)，推导出称重球罐内天然气质量的标准不确定度计算公式为：
式中：
u(VL,2)——附加管容2体积的标准不确定度，m3。
u(p2,e)——附加管容2充气后气体密度的标准不确定度，kg/m3。
u(p2,s)——附加管容2充气前气体密度的标准不确定度，kg/m3。
作为本发明优选的，所述称重前后空气浮力影响的修正质量计算公式如下：
Δm4＝V罐,ep0,e-V罐,sp0,s (13)
式中：
V罐,e——称重球罐称重后与空气接触体积，m3。
V罐,s——称重球罐称重前与空气接触体积，m3。
ρ0,e——球罐充气后大气密度，kg/m3。
ρ0,s——球罐充气后大气密度，kg/m3。
式中：
u(V罐)——称重球罐与空气接触体积的标准不确定度，m3。
u(p0e)——球罐充气后大气密度的标准不确定度，kg/m3。
ρ0,s——球罐充气后大气密度，kg/m3。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明通过分析原级标准装置、检定工艺及各喉径喷嘴检定数据，结合水力仿真软件Fluent，构建检定站原级内部流场仿真模型；并以检定站提供的原级相关变送器在检定过程中的数值变化及检定完成后的输出结果为参考标准，检验了水力仿真模型的准确性。依据检定站原级系统不确定度评定标准，对不确定度计算方法做精细化更改，并编制计算软件；软件设有接口，可读取变送器数值及获取仿真结果，并展示在软件界面上，软件计算结果在检定站原级系统不确定度范围内。
2、本发明为了研究质量-时间法原级标准装置在工作过程中的物理场变化，以及误差产生原因，进一步优化原级标准设计或修正质量流量计算，运用大数据及人工智能技术开发训练智能控制器，实现水力仿真与智能控制器的交互运行。开展原级控制与数据采集系统优化及应用试验，对附加管路温度和压力测量技术、快速换向阀工艺和控制技术进行优化，合理确定快速换向方式、充气起止时刻、附加管路内压力温度测量时间，并对原级控制与数据采集系统进行升级。实现球罐流体力学仿真模型、原级校准工艺系统仿真模型与原级控制与数据采集系统联动。开发原级标准可视化功能，实现动态数据实时显示。最终实现原级校准喷嘴的“一键测试”。
附图说明
图1是本发明实施例提供的原级标准智能校准系统硬件图；
图2是本发明实施例提供的智能校准算法逻辑图；
图3是本发明实施例提供的浮力不确定度实验逻辑图；
图4是本发明实施例提供的原级标准智能校准系统功能图；
图5是本发明实施例提供的原级标准系统装置图；
图6是本发明实施例提供的不确定度计算逻辑图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的本发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。
下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。
如图1至图6所示，本发明实施例提供的天然气质量-时间法原级标准装置智能校准装置，包括原级标准设备、数采系统与智能校准算法，所述原级标准设备包括临界文丘里喷嘴、原级球罐、陀螺电子天平、多普勒气相色谱仪、工艺管道、一对快速联动阀、入口阀门、连接法兰、计时系统及相关的压力和温度变送器；
所述数采系统实时采集压力数据、温度数据、湿度数据、质量数据、时间数据、气体组分数据、压缩因子数据和相对密度数据；
所述智能校准算法根据数采系统实时上传的数据判断原级标准装置的工况，并依据不同工况完成下发调节命令、在线计算不确定度、实时仿真与展示结果任务。
智能校准系统依托原级装置PLC数据板卡制作通信接口协议，将喷嘴检定任务中各个步骤的操作数据进行采集、识别和存储。
所述原级标准设备还包括原级标准智能校准系统，所述原级标准智能校准系统包括数据通信系统与智能校准模型；
数据通信系统包含对压力、温度、湿度、质量、时间、气体组分、压缩因子、相对密度等工艺数据的实时采集，所述智能校准模型包含对球罐内部流场计算算法、外环境与热力学计算算法、静力学计算算法和基于实时数据的不确定度计算算法。
所述质量流量计算式为：
式中：
qm——质量流量，kg/s。
△m——通过被测流量计的天然气质量，kg。
t——实际充气时间，s。
由式(1)，推导出质量流量的相对标准不确定度计算公式为：
式中：
ur(qm)——质量流量的相对标准不确定度，％。
ur(△m)——通过被测流量计的天然气质量的相对标准不确定度，％。
ur(t)2——实际充气时间的相对标准不确定度，％。
所述天然气质量计算式为：
Δm＝Δm1+Δm2+Δm3+Δm4 (3)
式中：
△m1——称重球罐内天然气质量，kg。
△m2——滞留在附件管容1的天然气质量，kg。
△m3——滞留在附件管容2的天然气质量，kg。
△m4——称重前后空气浮力影响的修正质量，kg。
由式(3)，推导出通过被测流量计的天然气质量的相对标准不确定度计算公式如下：
式中：
ur(Δm1)——称重球罐内天然气质量的标准不确定度，kg。
ur(Δm2)——滞留在附件管容1的天然气质量的标准不确定度，kg。
ur(Δm3)——滞留在附件管容2的天然气质量的标准不确定度，kg。
ur(Δm4)——称重前后空气浮力影响的修正质量的标准不确定度，kg。
所述实际充气时间计算式为：
t＝t1-Δt (5)
式中：
t1——计时器的计时时间，s。
△t——联动快速切换阀动作补偿时间，s。
由式(5)，推导出充气时间不确定度计算公式如下：
式中：
u(t1)——计时器计时时间的标准不确定度，s。
u(Δt)——联动快速切换阀动作补偿时间的标准不确定度，s。
所述称重球罐内天然气质量计算公式为：
Δm1＝me-ms (7)
式中：
me——充气后称重质量，kg。
ms——充气前称重质量，kg。
由式(7)，推导出滞留在附件管容1的天然气质量的标准不确定度计算公式为：
式中：
u(me)——充气后称重质量的标准不确定度，kg。
u(ms)——充气前称重质量的标准不确定度，kg。
所述滞留在附件管容1的天然气质量计算公式如下：
Δm2＝VL,1(p1,e-p1,s) (9)
式中：
VL,1——附加管容1体积，m3。
ρ1,e——附加管容1充气后气体密度，kg/m3。
ρ1,s——附加管容1充气前气体密度，kg/m3。
由式(9)，推导出滞留在附件管容2的天然气质量的标准不确定度计算公式为：
式中：
u(VL,1)——附加管容1体积的标准不确定度，m3。
u(p1,e)——附加管容1充气后气体密度的标准不确定度，kg/m3。
u(p1,S)——附加管容1充气前气体密度的标准不确定度，kg/m3。
所述滞留在附件管容2的天然气质量计算公式如下：
Δm3＝VL,2(p2,e-p2,s) (11)
式中：V L,2——附加管容2体积，m3。
ρ2,e——附加管容2充气后气体密度，kg/m3。
ρ2,s——附加管容2充气前气体密度，kg/m3。
由式(11)，推导出称重球罐内天然气质量的标准不确定度计算公式为：
式中：
u(VL,2)——附加管容2体积的标准不确定度，m3。
u(p2,e)——附加管容2充气后气体密度的标准不确定度，kg/m3。
u(p2,s)——附加管容2充气前气体密度的标准不确定度，kg/m3。
采用上述方案：。
所述称重前后空气浮力影响的修正质量计算公式如下：
Δm4＝V罐,ep0,e-V罐,sp0,s (13)
式中：
V罐,e——称重球罐称重后与空气接触体积，m3。
V罐,s——称重球罐称重前与空气接触体积，m3。
ρ0,e——球罐充气后大气密度，kg/m3。
ρ0,s——球罐充气后大气密度，kg/m3。
式中：
u(V罐)——称重球罐与空气接触体积的标准不确定度，m3。
u(p0e)——球罐充气后大气密度的标准不确定度，kg/m3。
ρ0,s——球罐充气后大气密度，kg/m3；
为量化保温层对浮力不确定度的降低效果，建立二维等比模型进行原级球罐与外环境热力学仿真。建立无保温层时球罐的等比模型与有保温层时球罐的等比模型，通过仿真得到同一工况下有保温层时和无保温层时的球罐变形量和球罐平均温度，将两组数值进行对比，从而分析保温层效果。
该模型基于2.3所用模型修正，并增加保温层与空气层两个计算域。由于仿真模型在不考虑重力作用时，流场关于管道入口中心线所在轴线对称，故此二维模型的内部流场情况与2.3的模型的内部流场情况一致，故不作重复验证。两个新增计算域仅涉及热量传递。依据24.9199mm喉径喷嘴的若干次测试的数据，在室温为27.69℃时，喷嘴检测结束后球罐外壁的温度变送器数据的平均值维持在27℃左右。依据上述测试数据，仿真得到空气层的平均温度为300.34K，即27.19℃。检测值与仿真值绝对误差为0.5℃。
以24.9199mm喉径的喷嘴测试时的变送器数据为参考值。室内设有空调，假设环境温度始终保持300K。充气后，球罐内气体平均温度320K。由于原级系统处于大气环境中，可以假设与大气连通的称重球罐外近壁面空气的压力始终与大气压力保持一致，即假设在充气时间内，充气前与充气后的称重球罐外近壁面空气的压力不变。
仿真结果如表1所示：
表1保温层对充气前后球罐外壁附近空气温度的影响
由表1可见，在该种工况下，无保温层时，称重球罐外壁附近空气温度与环境的温差为2.61K；有保温层时，称重球罐外壁附近空气温度与环境的温差为0.34K，相比之下显著降低。体现在空气密度上的差异为，无保温层时，称重球罐外壁附近空气在充气前后的密度差为0.0103kg/m3；有保温层时，称重球罐外壁附近空气在充气前后的密度差为0.0013kg/m3。经仿真、计算后发现，敷设保温层后，称重球罐外壁附近空气在充气前后的密度变化显著减小。
该模型的广义坐标原点在球罐直径的中点。考虑到模型含有入口管道且管道有形变，且径向最大形变量相关的球体体积不便计算，故取径向平均形变量作为体积增量计算依据。对已有理论计算结果的两种典型工况进行仿真。充气前罐内压力240.405kPa，球壳平均温度27℃，保温层平均温度27℃：
工况1：以24.9199mm喉径的喷嘴测试时的变送器数据为参考值。充气后罐内压力4.739MPa，无保温层时球壳平均温度36.65℃；有保温层时球罐平均温度45.85℃，保温层平均温度28.37℃。
工况2：以9.4793mm喉径的喷嘴测试时的变送器数据为参考值。充气前罐内压力104.635kPa，球罐平均温度27℃。充气后罐内压力1.617MPa，无保温层时球罐平均温度33℃；有保温层时球罐平均温度39℃，保温层平均温度28℃。
仿真结果如表所示：
表2保温层对充气后球罐体积增量的影响
注：(1)径向平均形变量：模型上所有点到广义坐标系原点的距离变化值的平均值。(2)无保温层时球罐径向平均形变量与原级标准影响因素研究技术报告中的理论值相对误差在2％以内。
通过比对仿真结果，相同充气工况下，敷设保温层的球罐在充气后整体形变量较未敷设保温层明显降低两个数量级，原因是球罐膨胀量的计算值从球壳本体转移至保温层壳，故浮力温度影响减小。近壁面空气密度变化量仅为0.0013kg/m3，计算得到浮力数值变化量为3.0997×10-4N，与质量不确定度分量相比，可以忽略。根据仿真结果，计算充气前后浮力增量导致的质量增量，所得结果如表所示：
表3.6仿真结果
可见，敷设保温层后，浮力引起的质量增量虽不为0，但显著降低，约为无保温层时质量增量的0.6％。
经过静力学仿真、流体动力学仿真及数据计算，验证了对球罐所受浮力的原有假设，即假设球罐体积不变；假设温度变化符合实际工况，即球罐周围温度变送器在充气前后所测数值的平均值的差值为实际温度变化。此外，在仿真工况下，充气前后，球罐外近壁面空气密度变化量在0.01kg/m3以内，故可以认为保温层有效阻止了球罐内高温气体向环境传热，且有效阻止了内部高温高压条件下球罐的变形。
综合考虑，敷设保温层后，由浮力变化引起的质量增量由0.01数量级降至0.001数量级，其原因综合考虑气体逃逸和保温层阻止传热的两方面共同影响所致。经不确定度计算发现，浮力不确定度对质量流量不确定度的影响微小，以至于浮力不确定度无论考虑与否，质量流量扩展不确定度并无数值变化。
根据浮力公式，浮力不确定度由空气密度不确定度及球罐体积不确定度共同影响。空气密度不确定度主要与原级球罐外壁面附近较薄的空气层在喷嘴校准前后的密度变化有关，其密度又与球罐内外温度差致传热导致的温度变化有关；体积不确定度与球罐罐体在喷嘴校准前后的形变量有关，受罐内压力和罐内气体温度影响。
现设计以下实验方案用于判断密度不确定度项和体积不确定度项的必要性，或浮力不确定度的影响因素。此外，对于浮力不确定度的研究，设计一仿真模型，主旨为借助静力仿真软件，计算某些接触点在喷嘴校准前后两种状态下的受力差值。方法为建立原级球罐(无保温层或加保温层)、进口管段、裙座与球罐外空气流体域构成的几何模型，为降低仿真难度，省略球罐内部流体域。裙座底部为固定面，原级球罐与裙座的接触面为受力监测面，球罐内外壁面与管段内外壁面和入口断面为压力作用面，内壁面压力为喷嘴校准前后的罐内实际压力，外壁面压力为实际大气压力，固体域温度为球罐内部流场仿真后导出的球罐固体域温度场。在受力监测面取均布的若干点作为监测点，用于输出不同定解条件下的结果，并根据结果研究浮力变化量。
使用红外相机记录空气温度场，使用空调控制空气湿度，得到空气密度变化量Δρ，计算其不确定度u(Δρ)；若不确定度小于0.01％，则认为增加保温层后球罐外近壁面处空气密度不变，否则对比环境温度与不加保温层的仿真结果，通过其他数据(如环境温度变化曲线、壁面温度贴片)验证分析保温层效果。使用4组激光对照测距仪测量保温层外壁形变量ΔV，计算其不确定度u(ΔV)，若不确定度小于0.01％，则认为增加保温层后环境空气密度不变；否则建立保温层变形的仿真模型，分析仿真结果。
在不确定度计算功能中，将原先的大流量不确定度计算与小流量不确定度计算两种计算类型改为针对任意质量流量的不确定度计算。在计算公式上体现为将质量增量Δm默认的两种数值改为不同喷嘴测试时的实际测试值，实际测试时间t默认的两种数值改为不同喷嘴测试时的实际测试值。参考现场对24.9199mm喉径的临界流文丘里喷嘴的测试数据，使用该软件进行不确定度计算，以核验软件功能。输入数据见表3，得到质量流量相对不确定度为0.02171％，小于要求的0.05％。此外，另3种喷嘴的测试数据，计算得到被测喷嘴的不确定度为：18.9509mm喉径喷嘴测试60s，质量流量相对不确定度为0.02141％；9.4793mm喉径喷嘴测试180s，质量流量相对不确定度为0.01183％；4.7396mm喉径喷嘴测试300s，质量流量相对不确定度为0.02014％。均小于要求的0.05％。
表3输入数据
用(mt)法标准装置校准小喉径(低流量)临界流喷嘴，充气时间长，充气质量小，相应的，时间分量的相对不确定度小，而质量分量的不确定度大；用(mt)法标准装置校准大喉径(大流量)临界流喷嘴，充气时间短，充气质量大，相应的，质量分量的相对不确定度小，而时间分量的相对不确定度大。因此，在下面的分析过程中，将分别按装置在小流量下运行(充气质量为100kg，充气时间为200s)和在大流量下运行(充气质量为300kg，充气时间为60s)两种情况进行不确定度分析和计算。
质量时间(mt)法高压天然气流量标准装置质量流量不确定度及各分量不确定度评定结果汇于表4，在下文进行详细评定。
表4mt法流量标准质量流量不确定度及各影响量不确定度评定结果
表5质量流量计算公式中各量值符号及不确定度分析中的测试值
充气后质量的标准不确定度
由陀螺电子天平的技术指标可知，电子天平测量结果的最大允许误差不超过：示值为0时，±0.0125kg；0.005kg≤m≤250kg时：±0.025kg；250kg＜m≤1000kg时：±0.050kg。k＝2。历年检定证书中最大误差均在最大允许误差范围内，因此陀螺电子天平称量的扩展不确定度均使用最大允许误差计算。
在小流量下运行时：
在大流量下运行时：
充气前的质量不确定度
在每一次测试开始时，电子天平读数都进行归零处理，由电子天平校准证书可知，电子天平测量结果的扩展不确定度U＝0.0125kg，k＝2。
在大流量和小流量下运行时：
计算称重球罐内天然气质量的相对标准不确定度：
由式(8)，在小流量下运行时：
在大流量下运行时：
附加管容共有两段，分别称为附加管容1(V1)和附加管容2(V2)，其中附加管容1为称重球罐入口截止阀XV9004与联动快速换向阀XV9003之间的一段管容，附加管容2为被校准临界流文丘里喷嘴尾部与联动快速换向阀XV9005和XV9003之间的一段管容。
附加管容1、2体积测试及其不确定度计算
1)附加管容体积测量及计算
附加管容1用美国CEESI提供的小喉径临界流文丘里喷嘴装置直接测量，以纯氮气为介质，测得的附加管容容积用下式计算：
式中：V——附加管容容积，m3。
qm——临界流文丘里喷嘴质量流量，kg/s。
△t——测量时间，s。
ρs——测量开始时管容内部的气体密度，kg/m3。
ρe——测量结束时管容内部的气体密度，kg/m3。
在测量附加管容时，开始计时的压力为0.1724MPa，结束计时的压力为0.4413MPa，由于密度与压力成正比，因此ρe及ρs的灵敏度系数分别为：
根据美国CEESI提供的小喉径临界流文丘里喷嘴装置配备的测量仪表技术指标，各项不确定度评估如下表：
表6各项不确定度评估
附加管容2的测量分为两个部分进行：第一部分容积是被校准临界流文丘里喷嘴下游直管段的附加管容(对于DN50的管道还包括一段DN50×DN100的变径管)。第二部分容积为被校准临界流文丘里喷嘴下游直管段法兰与快速切换阀XV9003和XV9005间的管道容积。计算公式为：
VL,2＝VL,2,1+VL,2,2 (19)
式中：
VL,2,1——被校准临界流文丘里喷嘴下游直管段的附加管容，m3。
VL,2,2——被校准临界流文丘里喷嘴下游直管段法兰与快速切换阀XV9003和XV9005间的管道容积，m3。
由式(19)，推导出附加管容2体积的标准不确定度计算公式为：
式中：
u(VL,2,1)——被校准临界流文丘里喷嘴下游直管段附加管容的标准不确定度，m3。
u(VL,2,2)——被校准临界流文丘里喷嘴下游直管段法兰与快速切换阀XV9003和XV9005间管道容积的标准不确定度，m3。
VL,2,1通过临界流文丘里喷嘴所在的直管段容积减喷嘴尾部占用的体积计算得出。喷嘴尾部的体积用几何尺寸计算得到，下游直管段的容积用量杯测得。量杯的容积为1L，量杯的最大允许误差为0.5％。该部分附加管容计算公式如下：
VT＝V1-V2+V3 (21)
式中：VT——该段附加管容的总容积，m3。
V1——用量杯测得的喷嘴下游直管段的容积，m3。
V2——喷嘴尾部圆柱的实心体积，m3。
V3——喷嘴喉部以下圆锥台的空心容积，m3。
d2——喷嘴尾部圆柱的外围直径，m。
L2——喷嘴尾部圆柱的长度，m。
L3——喷嘴喉部以下的长度，m。
d3——喷嘴尾部开口直径，m。
d4——喷嘴喉径，m。
用量杯可测得DN50和DN100喷嘴下游直管段管容测量值分别为0.001914m3，和0.003707m3。
表7 DN50和DN100管道下游直管段管容测量值
考虑到喷嘴尾部的体积，利用式(21)、(22)、(23)，可算得12只喷嘴下游直管段的附加管容测量值。
表8不同喉径喷嘴下游直管段管容值
| 编号 | d<sub>4</sub>(mm) | V<sub>1</sub>(m<sup>3</sup>) | V<sub>2</sub>(m<sup>3</sup>) | V<sub>3</sub>(m<sup>3</sup>) | V<sub>T</sub>(m<sup>3</sup>) |
| 1 | 24.9199 | 0.003707 | 0.001110 | 0.000226 | 0.002822 |
| 2 | 18.9509 | 0.003707 | 0.000538 | 0.000028 | 0.003197 |
| 3 | 13.4112 | 0.003707 | 0.000806 | 0.000080 | 0.002981 |
| 4 | 9.4793 | 0.001914 | 0.000090 | 0.000010 | 0.001833 |
| 5 | 6.7005 | 0.001914 | 0.000058 | 0.000004 | 0.001860 |
| 6 | 4.7396 | 0.001914 | 0.000032 | 0.000001 | 0.001883 |
| 7 | 3.3503 | 0.001914 | 0.000014 | 0.000000 | 0.001900 |
VL,2,2的测量方法同VL,1的测量，每段各测3次，
表9附加管容容积测量记录表
由上表，附加管容1体积为：VL,1＝0.0222384m3
附加管容2第二部分体积为：VL,2,2＝0.0160830m3
附加管容2第一部分最大体积为：VL,2,1＝0.003197m3
附件管容2体积最大为：VL,2＝0.01928m3
2)附加管容1和附加管容2的不确定度：
附加管容1的相对标准不确定度为：(计算结果)
附加管容1体积的标准不确定度为：
u(VL1)＝0.0222384×0.5592％＝0.0001244m3
附加管容2不确定度：
附件管容2第一部分不确定度所使用的量杯的测量不确定度为0.5％。由量杯测量的测量不确定度和附加管容容积测量的重复性可计算得到利用量杯进行附加管容容积测量所得结果的相对标准不确定度为：
对于DN50管道附加管容容积的测量结果为：
对于DN100管道附加管容容积的测量结果为：
DN50管道附加管容2第一部分的容积不确定度为：
u(V''DN50-L1)＝0.001914×0.5％＝0.000010m3
DN100管道附加管容2第一部分的容积不确定度为：
u(VDN100-L1)＝0.003707×0.5％＝0.000019m3
附加管容2第二部分的容积不确定度为：
u(V'DN50-L1)＝0.016083×0.3668％＝0.000059m3
由式(20)，DN50管道附加管容2的容积不确定度为：
DN100管道附加管容2的容积不确定度为：
充气后附加管容1和附加管容2进气前后密度值及密度不确定度计算
工作条件下密度相对不确定度计算公式如下：
式中：
ur(M)——摩尔质量的相对标准不确定度，％。
ur(Z)——压缩因子的相对标准不确定度，％。
ur(p)——压力测量的相对标准不确定度，％。
ur(T)——温度测量的相对标准不确定度，％。
对公式中分量逐项进行不确定度评定：
1)附加管容中的天然气密度通过测量附加管容中的温度和压力，用气体状态方程计算。
附加管容内气体压力用ROSEMOUNT 3051S压力变送器进行测量，为0.05级，其测量的扩展不确定度U＝0.05％，k＝√3，压力测量的标准不确定度为：
2)附加管容内气体温度用ROSEMOUNT 3144P温度变送器进行测量，依据校准证书可知其测量的扩展不确定度优于0.1℃，k＝√3假设测量温度为20℃，则标准不确定度为：
3)使用一级标气作为标准物质分析天然气组分，其中甲烷是平衡气。各组分含量及不确定度见表5。
表10标准气体组分含量及不确定度
根据GB/T35186-2017《天然气计量系统性能评价》，式B.15，计算得到计算得天然气分子量相对标准不确定度为0.0210％。
当使用GB/T 17747计算工作条件下的压缩因子，输入的组成、温度和压力数值在管输气范围内，并且其不确定度在输入参数不确定度限内时，压缩因子的相对标准不确定度为0.05％。
将压力、温度、天然气分子量和压缩因子的相对标准不确定度代入式(24)，计算得到密度的相对标准不确定度为：
计算充气后附加管容1、2密度的不确定度，在小流量下运行时：
VL1×u(ρ1e)＝0.0222384×11.005×0.06742％＝0.0001650kg
VL2×u(ρ2e)＝0.0160830×11.005×0.06742％＝0.0001430kg
在大流量下运行时：
VL1×u(ρ1e)＝0.0222384×39.791×0.06742％＝0.0005966kg
VL2×u(ρ2e)＝0.0160830×39.791×0.06742％＝0.0005172kg
充气前附加管容1和附加管容2进气前后密度值及密度不确定度计算与充气后相同。
在小流量下运行时：
VL1×u(ρ1s)＝0.0222384×0.71874×0.06742％＝0.00001078kg
VL2×u(ρ2s)＝0.0160830×39.791×0.06742％＝0.0005172kg
在大流量下运行时：
VL1×u(ρ1s)＝0.0222384×0.71874×0.06742％＝0.00001078kg
VL2×u(ρ2s)＝0.0160830×39.791×0.06742％＝0.0005172kg
滞留在附件管容1的天然气质量的标准不确定度：
由式(10)，在小流量下运行时u(Δm2)为：
u(Δm2)＝0.001290kg
在大流量下运行时，u(Δm2)为：
u(Δm2)＝0.004895kg
滞留在附件管容2的天然气质量的标准不确定度：
由式(12)，在小流量下运行时为：
u(Δm3)＝0.001804kg
在大流量下运行时：
u(Δm3)＝0.0007310kg
由式(13)可知，引起球罐浮力变化的因素来源于充气前后球罐壳体体积膨胀以及充气前后球罐附近空气密度变化。
因称重球罐包有约70mm厚的保温层，球罐外保温层与空气接触部分体积不受充气前后影响，且环境温度变化对其影响可忽略，认为V罐，e＝V罐，s，则有：
Δm4＝V罐(ρ0e-ρ0s) (25)
称重球罐称重后与空气接触体积及其不确定度分量计算如下：
体积测量的不确定度u(V罐)，估算为体积量的5％，即：
u(V罐)＝5％V罐
＝0.6413m3
球罐充气前后大气密度及其不确定度计算：
空气密度计算引用潮湿空气密度公式(引自GB/T 5274《气体分析_校准用混合气体的制备_称量法》)计算，温度在0～27℃之间，可以用一个简化公式计算空气密度，该方程的不确定度为1×10-4kg/m3：
式中：
ρ0——空气密度，kg/m3。
p——压力，Pa。
t——温度，℃。
h——相对湿度，％。
根据空气密度计算模型，其不确定度计算如下：
其中，大气压不确定及其灵敏系数为：
选用测试大气压的压力变送器为0.05级，测试压力上限为110kPa，其不确定度为：
u(p)＝0.05％×110×1000/2
＝27.5Pa
空气温度测试不确定度及其灵敏系数为：
测量大气温度用Rosemount 3144P温度变送器进行测量，依据校准证书可知其测量的扩展不确定度优于0.1℃，k＝2。则温度测量不确定度为：
u(t)＝0.1/2
＝0.05℃
空气湿度测试不确定度及其灵敏系数为：
依据校准证书可知其测量的扩展不确定度优于5％RH，k＝2。则湿度测量不确定度为：
u(h)＝5/2
＝2.5％RH
空气密度及进气前后密度差估算：
选取12组不同月份测试时的空气温度、压力、湿度参数估算大气密度，取平均值计算各项参数：温度为20℃；大气压力为101518.3Pa；湿度为53％RH。代入式(60)，计算得大气压力为：ρ＝1.2013kg/m3。
根据历史数据，进气前后温度变化不超出1℃，压力变化不超过300Pa，湿度变化不超过1％RH。代入式(60)，得到两次称重条件下空气密度差：
ρe-ρs＝0.0081kg/m3
代入式(27)，计算空气密度不确定度：
u(ρ)＝0.000664kg/m3
称重前后空气浮力影响的修正质量的标准不确定度：
代入代入式(14)，称重前后空气浮力影响的修正质量的标准不确定度为：
u(m4)＝0.009973
代入式(4)，小流量下通过被测流量计的天然气质量的相对标准不确定度为：
大流量下通过被测流量计的天然气质量的相对标准不确定度为：
计时器的计时时间的相对标准不确定度
时间测量用原级检定系统计时模板，其不确定度为Urel＝0.0019％，k＝2。
在小流量下，计时器的计时时间的标准不确定度为：
在大流量下，计时器的计时时间的标准不确定度为：
联动快速切换阀动作补偿时间
由实验测试结果算得，快速切换阀切换时间系统差是0.051s，其标准偏差是0.012s。将此标准差作为快速切换阀切换时间差的标准不确定度。
实际充气时间的相对标准不确定度
将计时器的计时时间和快速切换阀切换时间系统差的标准不确定度代入式(5)，得到在在小流量下，时间测量的相对标准不确定度为：
在大流量下，时间测量的相对标准不确定度为：
将上述(1)-(64)中各分量的相对标准不确定数值代入式(2)，可得质量流量的相对标准不确定度。
在小流量下运行时：
在大流量下运行时：
大小流量质量流量相对标准不确定度最大值为0.0221％，取包含因子k＝2，可算得其相对扩展不确定度为0.0442％。
质量时间(mt)法天然气流量原级标准装置质量流量相对扩展不确定度取0.05％，即：Ur(qm)＝0.05％(k＝2)
本发明的工作原理：
在测试开始前，天然气流经测试管路里的临界流喷嘴后进人低压出站管线；待流动状态稳定后，联动快速切换阀换向，使天然气流入称重球罐内，同时开始计时；到预置的测试时间后，联动快速切换阀再次换向，使天然气再次切换到低压出站管线，同时停止计时。在这段时间内，通过被测流量计的天然气，经过附加管容1和2进入称重球罐，通过被测流量计的天然气质量等于称重球罐内天然气质量加上滞留在附加管容1和2的质量，以及称重前后空气浮力影响的修正质量。实际充气时间等于计时器的计时时间扣除联动快速切换阀动作补偿时间。通过被测流量计的天然气质量和实际充气时间的比值即为通过被测流量计的天然气质量流量。临界流喷嘴入口工况参数越稳定，计算的平均质量流量就越接近瞬时质量流量，现场数采系统实时采集压力、温度等变送器数据、气体组分分析仪数据、计时器数据及喷嘴安装状态，并实时上传至智能校准算法，由算法判断原级标准系统当前工况；如果工况判断为原级标准系统处于喷嘴测试准备状态，则算法下发流程切换命令：为一簇给到现场设备的指令；下发指令后，等待现场设备响应，算法监测到现场设备状态满足一定条件后，启动校准过程，并同步计算原级内部流场且实时显示；到达时间设定值后，算法下发命令使原级标准系统停止作业，等待相应设备响应结束后，依据原级标准系统各数据采集点的压力、温度等参数，计算被测喷嘴的不确定度；如果工况判断为原级标准系统处于喷嘴测试进行状态，则保持前1s工作状态；如果工况判断为原级标准系统处于喷嘴测试结束状态，则显示被测喷嘴的不确定度计算结果及仿真结果，等待其他命令；根据原级标准，得到质量流量计算式并推导得出其不确定度计算公式；不确定度主要源于各仪表误差、仪器误差等，包括质量称量、密度测算、容积确定、测量时间计算。
综上所述：该天然气质量-时间法原级标准装置智能校准装置，通过分析原级标准装置、检定工艺及各喉径喷嘴检定数据，结合水力仿真软件Fluent，构建检定站原级内部流场仿真模型；并以检定站提供的原级相关变送器在检定过程中的数值变化及检定完成后的输出结果为参考标准，检验了水力仿真模型的准确性，解决了现有校准过程中，存在若干影响因素，导致计算得到的质量流量并非精确值，其误差来源有，充气前后附加管容内实际气体质量的差值；称重球罐由于热应变与压应变导致所受浮力产生变化，影响电子陀螺仪数值；快速换向阀的系统时间差导致实际测试时间与预置测试时间存在差距的问题。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.天然气质量-时间法原级标准装置智能校准装置，包括原级标准设备、数采系统与智能校准算法，其特征在于：所述原级标准设备包括临界文丘里喷嘴、原级球罐、陀螺电子天平、气相色谱仪、工艺管道、一对快速联动阀、入口阀门、连接法兰、计时系统及相关的压力和温度变送器；
所述数采系统实时采集压力数据、温度数据、湿度数据、质量数据、时间数据、气体组分数据、压缩因子数据和相对密度数据；
所述智能校准算法根据数采系统实时上传的数据判断原级标准装置的工况，并依据不同工况完成下发调节命令、在线计算不确定度、实时仿真与展示结果任务。
智能校准系统依托原级装置PLC数据板卡制作通信接口协议，将喷嘴检定任务中各个步骤的操作数据进行采集、识别和存储。
2.如权利要求1所述的天然气质量-时间法原级标准装置智能校准装置，其特征在于：所述原级标准设备还包括原级标准智能校准系统，所述原级标准智能校准系统包括数据通信系统与智能校准模型；
数据通信系统包含对压力、温度、湿度、质量、时间、气体组分、压缩因子、相对密度等工艺数据的实时采集，所述智能校准模型包含对球罐内部流场计算算法、外环境与热力学计算算法、静力学计算算法和基于实时数据的不确定度计算算法。
3.如权利要求2所述的天然气质量-时间法原级标准装置智能校准装置，其特征在于：所述质量流量计算式为：
式中：
qm——质量流量，kg/s。
△m——通过被测流量计的天然气质量，kg。
t——实际充气时间，s。
由式(1)，推导出质量流量的相对标准不确定度计算公式为：
式中：
ur(qm)——质量流量的相对标准不确定度，％。
ur(△m)——通过被测流量计的天然气质量的相对标准不确定度，％。
ur(t)2——实际充气时间的相对标准不确定度，％。
4.如权利要求3所述的天然气质量-时间法原级标准装置智能校准装置，其特征在于：所述天然气质量计算式为：Δm＝Δm1+Δm2+Δm3+Δm4(3)
式中：
△m1——称重球罐内天然气质量，kg。
△m2——滞留在附件管容1的天然气质量，kg。
△m3——滞留在附件管容2的天然气质量，kg。
△m4——称重前后空气浮力影响的修正质量，kg。
由式(3)，推导出通过被测流量计的天然气质量的相对标准不确定度计算公式如下：
式中：
ur(Δm1)——称重球罐内天然气质量的标准不确定度，kg。
ur(Δm2)——滞留在附件管容1的天然气质量的标准不确定度，kg。
ur(Δm3)——滞留在附件管容2的天然气质量的标准不确定度，kg。
ur(Δm4)——称重前后空气浮力影响的修正质量的标准不确定度，kg。
5.如权利要求4所述的天然气质量-时间法原级标准装置智能校准装置，其特征在于：所述实际充气时间计算式为：
t＝t1-Δt (5)
式中：
t1——计时器的计时时间，s。
△t——联动快速切换阀动作补偿时间，s。
由式(5)，推导出充气时间不确定度计算公式如下：
式中：
u(t1)——计时器计时时间的标准不确定度，s。
u(Δt)——联动快速切换阀动作补偿时间的标准不确定度，s。
6.如权利要求5所述的天然气质量-时间法原级标准装置智能校准装置，其特征在于：所述称重球罐内天然气质量计算公式为Δm1＝me-ms(7)
式中：
me——充气后称重质量，kg。
ms——充气前称重质量，kg。
由式(7)，推导出滞留在附件管容1的天然气质量的标准不确定度计算公式为：
式中：
u(me)——充气后称重质量的标准不确定度，kg。
u(ms)——充气前称重质量的标准不确定度，kg。
7.如权利要求6所述的天然气质量-时间法原级标准装置智能校准装置，其特征在于：滞留在附件管容1的天然气质量计算公式如下：
Δm2＝VL,1(p1,e-p1,s) (9)
式中：
VL,1——附加管容1体积，m3。
ρ1,e——附加管容1充气后气体密度，kg/m3。
ρ1,s——附加管容1充气前气体密度，kg/m3。
由式(9)，推导出滞留在附件管容2的天然气质量的标准不确定度计算公式为：
式中：
u(VL,1)——附加管容1体积的标准不确定度，m3。
u(p1,e)——附加管容1充气后气体密度的标准不确定度，kg/m3。
u(p1,S)——附加管容1充气前气体密度的标准不确定度，kg/m3。
8.如权利要求7所述的天然气质量-时间法原级标准装置智能校准装置，其特征在于：所述滞留在附件管容2的天然气质量计算公式如下：
Δm3＝VL,2(p2,e-p2,s) (11)
式中：V L,2——附加管容2体积，m3。
ρ2,e——附加管容2充气后气体密度，kg/m3。
ρ2,s——附加管容2充气前气体密度，kg/m3。
由式(11)，推导出称重球罐内天然气质量的标准不确定度计算公式为：
式中：
u(VL,2)——附加管容2体积的标准不确定度，m3。
u(p2,e)——附加管容2充气后气体密度的标准不确定度，kg/m3。
u(p2,s)——附加管容2充气前气体密度的标准不确定度，kg/m3。
9.如权利要求8所述的天然气质量-时间法原级标准装置智能校准装置，其特征在于：所述称重前后空气浮力影响的修正质量计算公式如下：
Δm4＝V罐,ep0,e-V罐,sp0,s (13)
式中：
V罐,e——称重球罐称重后与空气接触体积，m3。
V罐,s——称重球罐称重前与空气接触体积，m3。
ρ0,e——球罐充气后大气密度，kg/m3。
ρ0,s——球罐充气后大气密度，kg/m3。
式中：
u(V罐)——称重球罐与空气接触体积的标准不确定度，m3。
u(p0e)——球罐充气后大气密度的标准不确定度，kg/m3。
ρ0,s——球罐充气后大气密度，kg/m3。
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|---|---|---|---|---|
| CN110926570A (zh) * | 2018-09-20 | 2020-03-27 | 中国石油天然气股份有限公司 | 对临界流文丘里喷嘴进行校准的方法和装置 |
| CN111337071A (zh) * | 2019-12-14 | 2020-06-26 | 中国石油化工股份有限公司天然气分公司计量研究中心 | 一种天然气计量评价系统 |
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