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超声流量计计量橇装系统不确定度评估方法

时间:2014/2/26 15:58:11 点击:1536

  核心提示:0 引言近年来随着国内天然气工业的飞速发展,国内引进了近千台美国和欧洲等公司的高压、大口径、高精度、多声道气体超声流量计及其橇装计量系统,预计到2020年国内超声流量计将达3000台。引进的超声流量计橇装系统产品性能良好,但对超声橇计量系统未给出系统不确定度评估,致使用户无法了解橇装后的计量系统不确...
    0 引言

    近年来随着国内天然气工业的飞速发展,国内引进了近千台美国和欧洲等公司的高压、大口径、高精度、多声道气体超声流量计及其橇装计量系统,预计到2020年国内超声流量计将达3000台。引进的超声流量计橇装系统产品性能良好,但对超声橇计量系统未给出系统不确定度评估,致使用户无法了解橇装后的计量系统不确定度是否满足国家标准GB/T18603《天然气计量系统技术要求》的要求。同时国内计量系统投入使用前,只进行了简单的验收,没有对系统测量不确定度进行评定。本文对超声流量计计量橇装系统的整体的不确定度进行分析研究,提出了超声流量计计量橇装系统的整体的不确定度评价方法,以确保橇装系统的不确定度满足国家标准要求。

    由于天然气流量计量是组合量的测量,涉及到流量测量、压力测量、温度测量、物性参数测定以及组成分析;在中国物性参数测定是采用国际常用的组成分析数据进行计算的间接测定方法。在贸易结算时,是使用一段时间内标准参比条件下天然气体积流量或能量流量。对于管输天然气计量,要求按GB/T18603配置和选择相应的计量器具和计量方法。GB/T18603把计量系统分为A、B、C3个等级,对应的计量不确定度(准确度等级)分别为1.0%、2.0%和3.0%,为了验证配置和选择的计量器具和计量方法满足GB/T18603的要求,就必须对建成的计量系统进行不确定度评定,不确定度评定也可以为计量系统设计中计量器具配置和计量方法选择提供理论和技术支持。

   本文按照GB/T18603并根据JJF1059《测量不确定度评定与表示》中的不确定度评定方法和天然气计量相关的标准,按其不确定度评定分解为组成分析、物性参数计算、流量、温度和压力测量,以及体积和能量计算各分量,并分别评定它们的测量和计算不确定度,而后合成,把复杂的不确定度评定问题通过分解和推导,得出实用的计算公式,方便推广使用。

    1 不确定度计算通用方法

    中国不确定度评定规范JJF1059是参照采用8个国际组织于1995年联合制定并发布的《测量不确定度表示导则》(GUM)[3]制定的。JJF1059是测量不确定度评定的通用方法,该方法是分别评定A类和B类标准不确定度,而后合成和扩展。

    1.1 A类标准不确定度计算

    在测量时,操作人员的熟练程度、仪器的稳定性和外界干扰等不可量化的影响因素属于A类标准不确定度,一般使用重复性或稳定性的方法进行计算,计算公式为

    

   (1)

    

   (2)

    式中:uA

—量x以绝对值表示的A类标准不确定度;

    R—量x在n次测量中的最大差值     

    C—极差系数,n=2,C=1.13,n=3,C=1.64,n=4,C=2.06;

    s(xi)—量x在n次测量的实验标准偏差;

    xi—量x在第i次测量值;

    

—量x的平均值。

    式(1)一般用于测量次数不大于4的A类标准不确定度计算,式(2)用于测量次数大于4的A类标准不确定度计算,m和n可以相同,也可以不同。

    由计算获得的量值,没有A类标准不确定度。     

    1.2 B类标准不确定度计算    

    标准物质、测量仪器的准确度等可量化的因素引入的不确定度属于B类标准不确定度,可使用标准物质证书和仪器检定或校准证书中的不确定度数据计算。B类标准不确定度计算公式为

    

   (3)

    式中:uB(x)—量x以绝对值表示的B类标准不确定度;

    cxi—量xi对于量x不确定度的灵敏系数;

    uc(xi)—量xi以绝对值表示的合成标准不确定度。

    灵敏系数计算公式可由量x与量xi的关系式推导,公式如下:

    

   (4)

    量xi可能是由其他量组合的,也可能是单独的测量参数。对于组合参数,可按式(3)的方法计算其合成标准不确定度,对于单独测量参数,其合成标准不确定度计算公式为

    

   (5)

    式中:U(xi)—量xi证书上的扩展不确定度(以绝对值表示);

    k——量xi的包含因子。

    与本专题相关的量及其包含因子规定如下:

    摩尔质量,正态分布,k=3;

    温度、压力,均匀分布

    流量(体积、质量或能量)、发热量、压缩因子和密度及天然气标准气体,梯形分布,k=2。

    1.3 合成标准不确定度

    由A类和B类标准不确定度计算量x的合成标准不确定度,计算公式为

    

   (6)    

    式中:uC(x)—量x以绝对值表示的合成标准不确定度。

    1.4 扩展不确定度

    扩展不确定度是由合成标准不确定度计算,与置信概率有关。本文采用的置信概率为95%,扩展不确定度计算公式为

    U(x)=kuC(x)   (7)

    式中:U(x)—量x以绝对值表示的扩展不确定度。

    以相对值表示的扩展不确定度计算公式为

    

   (8)    

    式中:Urel(x)—量x以相对值表示的扩展不确定度,%。

    2 流量计量不确定度计算通用方法

    2.1 标准参比条件下体积计量不确定度计算

    标准参比条件下体积计量不确定度计算公式为

    

   (9)    

    式中:Urel(Q)—标准参比条件下的体积计量相对扩展不确定度,%;

    Urel(qn)—标准参比条件下的体积流量测量相对扩展不确定度,%。

    标准参比条件下体积流量测量不确定度计算公式为

    

   (10)

    

   (11)

    

   (12)

    

   (13)

    式中:urel(qn)———标准参比条件下的体积计量相对标准不确定度,%;

    urel(qf)———工作条件下的体积测量相对标准不确定度,%;

    urel(pf)———工作条件下的压力测量相对标准不确定度,%;

    urel(Tf)———工作温度测量相对标准不确定度,%;

    urel(Zf)———工作条件下的压缩因子计算相对标准不确定度,%;

    urel(Zn)———参比条件下的压缩因子计算相对标准不确定度,%;

    urel(Fz)———超压缩系数计算相对标准不确定度,%;

    urel(qm)———质量流量测量相对标准不确定度,%;

    urel(ρn)———参比条件下的密度计算相对标准不确定度,%。

    对于标准孔板流量计,可使用GB/T21446-2008中规定的方法计算标准参比条件下体积测量不确定度。对于压力、差压和温度测量不确定度的计算,由于标准中采用原来双波纹压力(差压)和棒式温度的误差计算方法,如果计量系统使用变送器测量压力、差压和温度,则要使用2.4和2.5规定的方法计算。

    2.2 标准参比条件下能量计量不确定度计算

    标准参比条件下的能量计量不确定度计算公式为

    Urel(E)=Urel(qE)   (14)

    式中:Urel(E)———标准参比条件下的能量计量相对扩展不确定度,%;

    Urel(qE)———标准参比条件下的能量流量测量相对扩展不确定度,%。

    标准参比条件下能量流量测量相对标准不确定度计算公式为

    Urel(qE)=2urel(qE)    (15)

    

    (16)

    式中:urel(E)———标准参比条件下的能量流量测量相对标准不确定度,%;

    urel(Hs)———参比条件下的体积或质量基的高位发热量计算相对扩展不确定度,%。

    2.3 流量测量不确定度计算

    天然气流量测量不确定度计算公式如下:

    

    (17)

    

    (18)

    式中:uB,rel(qf)———工作条件下体积流量测量相对B类标准不确定度,%;

    uA,rel(qf)———工作条件下体积流量测量相对A类标准不确定度,%;

    urel(qa)———流量计安装引入的相对标准不确定度,%;

    uB,rel(qm)———质量流量测量相对B类标准不确定度,%;

    uA,rel(qm)———质量流量测量相对A类标准不确定度,%。

    根据检定或校准证书提供的资料,有如下处理方法:

    (1)当证书中提供了具体的不确定度数据,则用式(5)计算流量测量B类标准不确定度,如果证书中没有给出包含因子,k,则k取2,此时uA,rel(qm)=0;

    (2)当证书中没有提供(1)中的数据,而提供了标准设备的不确定度和检定的重复性数据,则使用标准设备的不确定度按式(5)计算流量测量B类标准不确定度,使用重复性数据按式(1)或式(2)计算流量测量A类标准不确定度;

    (3)当证书中没有(1)和(2)中的数据,只给出流量计的准确度等级和检定合格的结论,则使用该流量计准确度等级数据代替式(5)中的扩展不确定度,k取检定规程中标准设备与被检流量计准确度等级的倍数要求,如JJG1030-2007要求为3倍,则k取
3,计算流量测量B类标准不确定度,此时uA,rel(qm)=0;

    (4)进行在线检定或校准时,urel(qa)=0;当进行离线检定或校准时,应该考虑安装引起的附加流量测
量不确定度,可取流量测量B类不确定度的1/3,即:

    

    (19)

    用式(6)计算流量测量合成标准不确定度,用式(7)计算流量测量扩展不确定度,用式(8)计算流量测量相对扩展不确定度。

    2.4 压力或差压测量不确定度计算

    压力和差压测量不确定度计算公式如下:

    测量值在变送器的满量程的10%及以上:

    

   (20)

    测量值在在变送器的满量程的10%以下:

    

    (21)

    式中:uc(pf)———压力或差压测量合成标准不确定度;

    E(P)———压力或差压变送器检定证书或说明书中的准确度等级或误差;

    pf———压力或差压测量值;

    pmax———压力或差压变送器的最大量程。

    参照式(8),推导出压力和差压测量相对标准不确定度计算公式为

    

    (22)

    用式(7)计算压力和差压测量扩展不确定度,用式(8)计算压力和差压测量相对扩展不确定度

    2.5 温度测量不确定度计算

    温度测量不确定度计算公式为

    

    (23)

    

    (24)

    

    (25)

    式中:uc(t)———温度测量合成标准不确定度,℃;

    U(t1)———温度变送器测量扩展不确定度,℃;

    U(t2)———电阻准确度等级对应的扩展不确定度,℃;

    E(t1)———温度变送器检定证书或说明书中的准确度等级或误差,℃;

    Δt———温度测量量程,℃;

    E(t2)———电阻准确度等级对应的扩展不确定度,℃;

    t———测量温度,℃。

    参照式(8),推导出温度测量相对标准不确定度计算公式为:

    

    (26)

    用式(7)计算温度测量扩展不确定度。

    把温度换算成开尔文单位,再用式(8)计算温度相对扩展不确定度。

    2.6 工作条件下物性参数不确定度计算

    工作条件下压缩因子和超压缩系数相对标准不确定度计算公式为

    

    (27)

    

    (28)

    式中:Urel(Zf)———工作条件下压缩因子计算相对扩展不确定度,%;

    Urel(FZ)———超压缩系数计算相对扩展不确定度,%。

    当使用GB/T17747或ISO12213或AGA8号报告标准计算压缩因子,压力(0~12MPa)、温度(263~338K)和天然气组成数据在管输范围内时,其相对扩展不确定度取0.1%,Urel(Zf)=0.1%。

    当使用GB/T21446-2008提供的方法(NX-19)计算超压缩系数时,其相对扩展不确定度取0.5%,即:Urel(FZ)=0.5%。

    2.7 标准参比条件下物性参数不确定度计算

    天然气标准参比条件下物性参数计算不确定度计算公式为

    

    (29)

    

    (30)

    式中:Urel(PPn)———标准参比条件下天然气物性参数计算相对扩展标准不确定度,%;

    Urel(PPn,B)———GB/T11062标准中表1~表5中给出的基础数据的相对扩展不确定度,取0.05%;

    Urel(PPn,m)———GB/T11062标准中对应物性参数计算方法的相对扩展不确定度,取0.015%;

    Urel(PPn,C)———作为方法输入值的分析数据引入的相对扩展不确定度,%。

    标准参比条件下天然气压缩因子计算组成数据引入的标准不确定度计算公式为

    

    (31)

    式中:uc(Zn,c)———标准参比条件下天然气压缩因子计算组成数据引入的标准不确定度;

    uc(yi)———天然气第i组分的合成标准不确定度。

    标准参比条件下天然气发热量计算组成数据引入的标准不确定度计算公式为

    

    (32)

    式中:u(Hc)———标准参比条件下天然气发热量计算组成数据引入的标准不确定度;

    u(Hc0)———标准参比条件下天然气理想气体发热量计算组成数据引入的标准不确定度。

    标准参比条件下天然气理想气体发热量计算组成数据引入的标准不确定度计算公式为

    

    (33)

    标准参比条件下天然气相对密度计算组成数据引入的标准不确定度计算公式为

    

    (34)

    式中:u(Gr,c)———标准参比条件下天然气相对密度计算组成数据引入的标准不确定度;

    u(G0r,c)———标准参比条件下天然气理想气体相对密度计算组成数据引入的标准不确定度。

    标准参比条件下天然气理想气体相对密度计算组成数据引入的标准不确定度计算公式为

    

    (35)

    式中:uc(M)———天然气摩尔质量计算标准不确定度。

    天然气摩尔质量计算标准不确定度计算公式为

    

    (36)

    标准参比条件下天然气密度计算组成数据引入的标准不确定度计算公式为

    

    (37)

    式中:uc(ρn,c)———标准参比条件下天然气密度计算组成数据引入的标准不确定度;

    uc(ρ0n,c)———标准参比条件下天然气理想气体密度计算组成数据引入的标准不确定度。

    标准参比条件下天然气理想气体密度计算组成数据引入的标准不确定度计算公式为

    

    (38)

    用式(7)计算相应物性参数计算扩展不确定度,用式(8)计算相应物性参数计算相对扩展不确定度。

    2.8 组成分析数据不确定度计算

    在天然气流量测量中,天然气组成分析是执行GB/T13610标准规定的方法,各组分的不确定度有如下4个来源:

    (1)分析标准气体的重复性引入的不确定度,为A类标准不确定度;

    (2)分析样品气体的重复性引入的不确定度,为A类标准不确定度;

    (3)标准气体不确定度引入的不确定度,为B类标准不确定度;

    (4)由于标准气体与样品气体含量之差超出检测器的线性范围引入的不确定度,为B类标准不确定度,可通过测定检测器的线性范围,选择处于该检测器范围内的标准气体减少或消除其影响。

    2.8.1 A类标准不确定度计算

    分析天然气组成时,操作人员的熟练程度、仪器的稳定性和外界干扰等不可量化的影响因素属于A类标准不确定度,使用分析的重复性计算,方法如下:

    (1)对于离线分析,可用式(1)计算A类标准不确定度;由于标准气体和样品气体的分析都是在相同的条件下进行的,也可以使用样品气体分析的A类标准不确定度代替标准气体分析的A类标准不确定度;必要时,应该考虑组成变化而引起周期点样代表性引起的不确定度。

    (2)对于在线分析,应该根据实际选用式(1)或式(2)计算A类标准不确定度,A类不确定度一经计算,可以使用一段时间,但不能超过一个检定周期;由于标准气体和样品气体的分析都是在相同的条件下进行的,样品气体是流动可变的,一般使用标准气体分析的A类标准不确定度代替标样品体分析的A类标准不确定度。

    (3)不管是离线还在线分析,都要求使用相同的方法计算标准气体和样品气体分析的A类标准不确定度,再用式(6)合成组成分析A类标准不确定度。

    2.8.2 B类标准不确定度计算

    各组分分析B类标准不确定度计算公式为

    

    (39)

    式中:uB(yi)———样品中第i组分分析B类标准不确定度;

    Urel(ysi)———标准气体中第i组分的相对扩展不确定度(证书),%。

    离线分析时,碳六价分析B类标准不确定度计算公式为

    

    (40)

    式中:uB(yC6+)———样品中碳六加分析B类标准不确定度;

    yiC5———样品中异戊烷摩尔分数,由式(2)~式(15)计算;

    ynC5———样品中正戊烷摩尔分数,由式(2)~式(15)计算;

    uB(yiC5)———样品中异戊烷分析B类标准不确定度,由式(39)计算;

    uB(ynC5)———样品中正戊烷分析B类标准不确定度,由式(39)计算。

    组成分析时,如果甲烷直接定值,标准气体中甲烷的相对不确定度计算公式为

    

   (41)

    式中:Urel(ysc1)———标准气体中甲烷的相对扩展不确定度,%。

    2.8.3 合成标准不确定度

    用式(6)计算相应组成分析合成标准不确定度。

    组成分析时,如果甲烷使用差减方法计算,则气体中甲烷的合成不确定度计算公式为

    

   (42)

    式中:uc(yc1)———样品中甲烷分析合成标准不确定度。

    2.8.4 扩展不确定度计算

    用式(7)计算相应组成分析扩展不确定度,各组成分析相对扩展不确定度按式(8)计算。

    2.9 赋值不确定度计算

    当天然气组成数据或物性参数使用赋值方法获取时,其不确定度计算应该考虑赋值引入的不确定度。

    赋值不确定度可以通过对赋值结果计算而获得。当没有计算数据时,可以使用赋值周期内天然气组成数据或物性参数的稳定性(波动)数据作为附加A类标准不确定度。

    3 超声流量计计量橇装系统不确定度评估

    3.1 超声流量计计量橇装系统不确定度计算方法

    超声流量计计量橇装系统属于高级计量系统,一般用于长输管线和大用户的计量。单回路计量不确定度评定方法据如下:

    (1)标准参比条件下体积计量不确定度评定:使用式(9)、式(10)和式(14)进行评定;

    (2)标准参比条件下能量计量不确定度评定:使用式(15)、式(16)和式(17)进行评定;

    (3)工作条件下体积流量测量不确定度评定:使用2.3中规定的方法进行评定;

    (4)压力测量不确定度评定:使用2.4中规定的方法进行评定;

    (5)温度测量不确定度评定:使用2.5中规定的方法进行评定;

    (6)工作条件下压缩因子不确定度评定:使用2.6中规定的方法进行评定;

    (7)标准参比条件下压缩因子和高位发热量不确定度评定:使用2.7中规定的方法进行评定;

    (8)组成分析数据不确定度评定:使用2.8中规定的方法进行评定。

    超声流量计计量橇装系统都是由两个和两个以上回路组成的,当使用多回路并联计量时,该计量系统所计量的标准参比条件下体积计量和能量计量相对扩展不确定度公式为

    

    (43)

    式中:Urel(Q)———计量系统计量的标准参比条件下体积计量和能量计量相对扩展不确定度,%;

    Urel(Qi)———计量系统中第i回路计量的标准参比条件下体积计量和能量计量相对扩展不确定度,%。

    当计量回路中的流量计都是相同厂家和规格时,并联计量中各流量计的流量基本相同,则式(43)可简化为

    

    (44)

    3.2 超声流量计计量橇装系统不确定度评定示例

    下面以配置在线色谱仪和采用赋值及离线分析方法3个计量系统为例,说明超声流量计计量橇装系统不确定度评定方法的应用。

    某计量系统计量器具配置和使用方法及测量数据如下:

    (1)流量计为DN300多声道超声流量计计量橇装系统(三用一备、两用一备、一用一备,上下游直管段按GB/T18604要求),送国家石油天然气大流量计量站成都分站检定合格,准确度等级为1.0,3台流量计在量程的50%左右工作;

    (2)压力测量仪表为智能绝对压力变送器,0.075级,量程为0~4.0MPa,经法定计量检定机构检定合格,工作压力为1.502MPa;

    (3)温度测量仪表为智能一体化温度变送器,准确度等级为0.1℃,量程为0~100℃,经法定计量检定机构检定合格,测量温度为16.00℃;

    (4)组成数据分别采用在线色谱仪、赋值方法及离线分析方法获得;

    (5)工作条件下的压缩因子使用GB/T17747.2计算;

    (6)标准参比条件下的物性参数使用GB/T11062计算。

    超声流量计计量橇装系统流量测量不确定度评估结果如表1所示。可以看出本文给出的超声流量计量橇装系统不确定度方法得出的评估结果符合GB/T18603规定的A级计量系统,即系统计量不确定度(准确度等级)为1.0%。

表1 超声流量计计量橇装系统流量测量不确定度评估结果

    4 结束语

    本文按照GB/T18603和JJF1059要求,结合天然气计量的优点,提出了超声流量计计量橇装系统不确定度评定方法。本方法是应用国际上通用的测量不确定度评定方法研究编制,符合国际通用要求,属国内首创。本方法的创新点是按照超声流量计计量橇装系统计量优点,按其不确定度评定分解为组成分析、物性参数计算、流量、温度和压力测量,以及体积和能量计算各分量,并分别评定它们的测量和计算不确定度,而后合成,把复杂的不确定度评定问题通过分解和推导,得出实用的计算公式。应用研制的不确定度的评定方法,对超声流量计计量橇装系统中在线色谱仪、赋值和离线分析计量系统的不确定度进行评定,体积计量和能量计量不确定度评定结果都符合GB/T18603标准的要求。

作者:佚名 来源:不详
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