国内外天然气流量计检定流程及水平比较
■计 量
国内外天然气流量计检定流程及水平比较
随着世界经济的不断发展，保护环境、减少二氧化碳及二氧化硫的排放越来越得到各国的重视。在当今仍然倚重化石燃料的时代，天然气作为清洁能源，广泛被全世界采用。国家与国家之间，国家内行业与行业之间的天然气交易十分频繁。因此，天然气的计量工作凸显重要，天然气的计量及检定水平体现了国家工业化实力和现代化水平。根据IEA（国际能源署）2018报告[1]，在未来5～10年内，中国的天然气进口量将占到世界第一位（图1）。迅速提高我国的天然气计量检定水平，进入世界先进水平行列尤为重要。
1 国外大口径天然气流量计检定流程
纵观国外工业发达国家的天然气计量检定实验室，一般都具备大口径、高压力、高精度流量计的检定能力。国外主要大口径天然气流量计检定实验室装置水平大致如下[2-9]。
1.1 荷兰国家计量研究院（Groningen）
Groningen检定装置压力范围：0.9～4.1 MPa；流量计管径范围：≤Ф200mm；流量范围：45～2.5×103 m3/h；不确定度：≤0.30%，检定装置示意流程如图2所示。
原级标准装置为钟罩式，次级标准和工作标准装置分为两路，一路次级标准为10台平行布局，最大流量400 m3/h容积式流量计，用于高精度流量计检定；一路工作标准为1台400 m3/h容积式流量计。4台最大流量分别为650 m3/h、1 600 m3/h、4 000 m3/h（2台）的涡轮流量计，用于日常检定。次级标准可直接检定工作标准。
1.2 荷兰国家计量研究院（Bergum）
Bergum检定装置压力范围：0.9～5.0 MPa；流量计管径范围：Ф50～150 mm；流量范围：≤1.2×103 m3/h；不确定度：≤0.25%，检定装置示意流程如图3所示。
原级标准装置为钟罩式，次级标准装置为2台流量分别为400 m3/h和1 000 m3/h的容积式流量计，工作级为4台最大流量4 000 m3/h的涡轮流量计。该装置可通过次级标准溯源至Groningen检定站的主标准，也可内部进行溯源。
1.3 荷兰国家计量研究院（Westerbork）
Westerbork检定装置压力范围：4.1～6.3 MPa；流量计管径范围：≤Ф750 mm；流量范围：≤6.5×103 m3/h；不确定度：≤0.25%，检定装置示意流程如图4所示。
原级标准装置为钟罩式，次级标准装置可采用2只900 mm的文丘里临界喷嘴，工作级为10台最大流量4 000 m3/h的涡轮流量计。该装置有两条检定管路与工作级串联。
1.4 加拿大输气校准公司（TCC）
TCC检定装置压力范围：≤7.0 MPa；流量计管径范围：Ф200～750 mm；流量范围：50～6×104 m3/h；不确定度：≤0.2%。检定装置示意流程如图5所示。
原级标准装置为旋转活塞校准仪，核查标准由10台腰轮流量计构成，次级标准装置为2台最大流量2 500 m3/h和6台最大流量10 000 m3/h的涡轮流量计。核查标准定期对标准表进行检测，以确保标准表可靠稳定。TCC检定装置是目前世界上天然气流量计仪表检定压力最高、管径最大、检定能力最强的检定实验室。该装置可通过荷兰NMI提供的1台DN400 mm涡轮流量计和1台DN400 mm超声波流量计将装置溯源至NMI标准。
1.5 德国国家物理技术研究院（Pigsar）
Pigsar检定装置压力范围[10-13]：1.4～5.0 MPa；流量计管径范围：Ф80～500 mm；流量范围：4.8×102～2.0×104 m3/h；不确定度：≤0.16%。检定装置示意流程如图6所示。
原级标准装置为高压体积管（HPPP），次级标准装置为4台G250的涡轮流量计，工作标准装置为1台G100和4台G1000涡轮流量计。HPPP是不确定度最小的原级，其不确定度不超过0.01%。
1.6 美国气体研究所（GRI）
1）高压环道。GRI高压环道装置压力范围：1.0～8.3 MPa；流量计管径范围：Ф50～600 mm；流量范围：≤2.3×103 m3/h；不确定度：0.25%。
2）低压环道。GRI低压环道装置压力范围：0.14～1.45 MPa；流量计管径范围：Ф25～200 mm；流量范围：≤0.9×103 m3/h；不确定度：≤0.25%。
GRI检定装置的原级标准采用mt法，工作级标准装置为临界流文丘里喷嘴。其溯源的方法简单，可通过原级装置的量值直接溯源至NIST（美国国家标准与技术研究院National Institute of Standards and Technology）。检定装置示意流程如图7所示。
1.7 美国科罗拉多工程实验室（CEESI）
CEESI检定装置压力范围：≤7.0 MPa；流量计管径范围：≤Ф750 mm；流量范围：≤4.9×104 m3/h；不确定度：≤0.25%。
CEESI检定装置原级标准装置采用pVTt法，次级标准装置为文丘里临界喷嘴，工作标准装置为涡轮流量计。CEESI也是目前世界上能检定Ф750 mm口径流量计不多的实验室之一。
1.8 法国Alfortville检测中心（GdF）
GdF检定装置压力范围：1.0～6.0 MPa；流量计管径范围：≤Ф300 mm；流量范围：≤6.5×103 m3/h；不确定度：≤0.25%。
GdF检定装置原级标准采用pVTt法，工作级标准装置为文丘里临界流喷嘴。
另外，俄罗斯、挪威及日本的流量计检定实验室[2]也颇具一定规模，这里就不再一一介绍。
2 国内天然气流量计检定流程
国内从20世纪90年代后期就开始建立天然气流量计检定实验室，自第一条大口径天然气管道——陕京天然气管道建成后，国内流量计检定实验室已经初具规模，具备了对大管径、高压力及高精度管输天然气流量计的检定能力[5,9-13]。随着国内西气东输天然气管道工程、中亚及中俄等跨国天然气管道工程的建设，国内的天然气流量计检定工作不断与国际接轨，水平也不断提高。现将国内主要的流量计检定实验室分述如下。
2.1 大庆国家大流量计站
大庆站是国家一级标准站，检定装置压力范围：0.4～2.0 MPa；流量计管径范围：≤Ф300 mm；流量范围：10～1.5×103 m3/h；不确定度：≤0.5%。
大庆站原级标准装置采用10 m3钟罩，这也是国内目前准确度等级最高的钟罩式气体流量标准装置。这套检定装置以空气为介质，次级标准为文丘里临界喷嘴，工作级标准为涡轮流量计。另外，大庆站还有一套以天然气为介质，采用CEESI生产检定的16只不同管径的文丘里临界喷嘴并联组成的移动式检定装置，流量范围：10～1.5×103 m3/h，不确定度：≤0.25%。
2.2 南京天然气实流计量测试中心
南京站检定装置压力范围：2.5～10.0 MPa；流量计管径范围：Ф50～400 mm；流量范围：10～1.2×104 m3/h；不确定度：≤0.32%。检定装置示意流程如图8所示。
原级标准采用mt法，次级12只采用按照ISO9300标准设计、制造和安装的文丘里临界喷嘴并联安装。检定线路分为两路，大口径线路工作标准由1台DN150 mm和7台DN200 mm涡轮流量计并联安装组成，流量范围：50～12 000 m3/h，核查标准为2台超声波流量计（DN150 mm、DN400 mm）；小口径线路工作标准由1台DN50 mm、1台DN80 mm及1台DN100 mm涡轮流量计并联安装组成，流量范围：10～750 m3/h，核查标准为1台DN100 mm超声波流量计。另外，南京站还有一套移动式天然气流量检定标准，该移动标准由2台并联涡轮流量计工作标准及1台超声波流量计核查标准构成，其工作压力：1.6～10.0 MPa；流量范围：10～8 000 m3/h。
2.3 成都天然气流量分站
成都站检定装置压力范围：0.3～4.0 MPa；流量计管径范围：Ф50～400 mm；流量范围：16～8.0×103 m3/h；不确定度：≤0.33%。检定装置示意流程如图9所示。
原级标准采用mt法，次级采用13只美国CEESI检定通过的文丘里临界喷嘴并联安装构成，流量范围：26～100 000 m3/h，不确定度为0.25%，工作标准为5组并联涡轮流量计，可对口径DN25～400 mm的多种流量计进行检定，核查装置采用超声波流量计，流量范围：20～8 000 m3/h。另外，成都站还有一套移动式天然气流量检定标准，该移动标准为超声波流量计，其工作压力：0.3～4.0 MPa，流量范围：40～8 000 m3/h。
2.4 武汉天然气流量分站
武汉站检定装置压力范围：2.5～10.0 MPa；流量计管径范围：≤Ф300 mm；流量范围：20～8.0×104 m3/h；不确定度：≤0.33%。检定装置示意流程如图10所示。
武汉站是国内第一个使用HPPP原级标准装置的检定站，选用由2台G250涡轮流量计的平均值传递，流量范围：20～400 m3/h，配备两组限流喷嘴，实现16～400 m3/h 8个工况流量点的设定；工作标准装置由并联的11条标准管路构成，每条管路由标准涡轮流量计和核查超声波流量计串联而成。另外，武汉站还有一套移动式标准，由3台并联的标准涡轮流量计（口径分别为DN80、150、400 mm）与1台口径为DN300 mm的核查超声波流量计串联组成，设计压力为10 MPa，流量范围：20～8 000 m3/h，被检测流量计口径DN50～300 mm。鉴于HPPP原级装置检定系统不确定度的影响因素，减少管容是必要的办法。
2.5 重庆天然气流量分站
重庆站检定装置压力范围：0～1.2 MPa；流量计管径范围：Ф25～250 mm；流量范围：1～6.0×103 m3/h；不确定度：≤0.2%。
重庆站的原级标准装置采用pVTt法，次级标准采用文丘里临界流喷嘴，工作级标准为涡轮流量计。
2.6 乌鲁木齐站
新建的乌鲁木齐站检定装置压力范围：2.5～10 MPa；流量计管径范围：Ф50～400 mm；流量范围：7～8.0×103 m3/h；不确定度：≤0.1%。检定装置流程如图11所示。
乌鲁木齐站无原级标准装置，原级在南京站或成都站校准，次级标准为文丘里临界喷嘴，工作级标准为涡轮流量计。
2.7 广州站
新建的广州站检定装置压力范围：4.5～10 MPa；流量计管径范围：Ф50～400 mm；流量范围：8～1.2×104 m3/h；不确定度：≤0.1%。
与上述乌鲁木齐站类似，广州检定站无原级标准装置，仅含次级和工作级，原级在南京站或成都站校准，次级标准仍然为文丘里临界喷嘴，工作级标准为涡轮流量计。
此外，国内最近又在北京、塔里木、榆林、东北等地建立了工作级标准的计检定站[14-17]，其检定方式和原理大同小异，这里就不再赘述。
3 国内外天然气流量计检定水平比对
3.1 起步时间有差距
国外天然气流量计检定起步较早，随着工业化革命发展和天然气作为主要能源的普及，欧美国家的流量计检定实验室在20世纪70～80年代就相继建成[2-9]，并投用多年，形成了完善的标准体系。我国在改革开放后20世纪90年代开始建立大口径天然气流量计检定实验室[10-11]，随着陕京输气管道、涩宁兰天然气管道、西气东输管道及出川天然气管道的投用，国内在成都、大庆、南京、武汉、重庆等地都建立了大口径天然气流量计检定实验站。随着中亚天然气管道、中俄天然气管道及海上LNG等国际通道的开通，国内又在乌鲁木齐、广州及塔里木等地建成了新的一批流量计检定实验站。这些实验站的检定水平与欧美老牌实验室相比，在流量计管径、压力和精度方面都在不断缩小差距。
3.2 检定介质发生转变
通常流量计检定的介质一般选用空气、氮气和天然气。为了提高检定的准确度，采用天然气进行流程检定是检定流量计的最好介质，欧美工业发达国家的流量计检定实验室都从过去的空气或氮气介质转变为天然气介质，最大限度地消除介质重量和流动性差异引起的误差；国内后建或扩建的南京、成都及新建的乌鲁木齐、广州、塔里木等检定站也采用管输天然气作为检定介质，达到与国际水平同步。
3.3 原级标准装置在不断更新
原级标准装置在不断更新，流量计检定的原级装置过去一般采用的是钟罩式方法，后来逐步过度到mt法或pVTt法。目前，德国的Pigsar检测站和中国的武汉计量检测站采用HPPP法[17-18]。这些原级标准装置的更新，使原级的检定压力有很大变化，检定的不确定度得到提高。
3.4 次级标准装置以临界喷嘴居多
次级标准装置的形式主要包括旋转活塞流量计、容积流量计、涡轮流量计和文丘里临界流喷嘴等，文丘里临界流喷嘴作为次级流量标准装置不确定度达到0.15%～0.25%的范围。目前国际上先进的流量计检定实验室次级标准装置大多采用文丘里临界流喷嘴，国内的南京、成都、乌鲁木齐及广州等计量检定中心也都采用了文丘里临界流喷嘴作为次级流量标准装置。
3.5 工作级标准装置趋于固定
被直接用于流量计量值传递的工作级标准装置也趋于固定，通常工作级标准采用的涡轮流量计一般不确定度在0.25%～0.40%之间，涡轮流量计技术成熟，具有良好的流量特性，被广泛采用。国内所有的流量计检定站都采用涡轮流量计作为工作标准器，临界流文丘里喷嘴由于其压力损失较大，容积流量计对介质的清洁程度要求较高，这两种流量计作为工作级标准器一般仅限用于低压检定站。
3.6 检定规范和方式与国际一致
天然气流量计的检定原理一般采用容积值比较法，即在相同时间和工况条件下天然气通过标准装置和被检测流量计，比较两者流量值误差，从而确定流量计的性能。国际通行的流量计检定程序十分成熟，国内开展的流量计检定流程无一例外都是参照国外流程；检定装置的设计、制造和安装都是直接采用国际标准，因此检定方式与国际完全接轨。
3.7 计量标准采标欧美
中国天然气流量计量工作虽然起步较晚，但从一开始就以欧美标准为参考。国内的天然气流量计量标准都是参照欧美标准，通过采标的形式转化为国家标准（GB）或行业标准（SY）。表1列出了现行中国天然气流量计量标准与欧美天然气流量计量标准的对比[5,15-16]。
通过表1可以看出，中国目前采用的天然气流量计量标准都等效或等同于欧美国家的相应标准。从另一方面看出，中国天然气流量计量标准与国际标准基本是一致的。
3.8 检定管径和精度不断提高
随着流量计检定技术的不断发展，天然气流量计的检定管径和精度不断提高。表2列出国内外流量计检定实验室原级检定装置的最大流量、最大压力及不确定度比对数值。
表3列出工作级检定装置的最大流量、最大压力、检定最大管径及不确定度比对数值。从表3所列数据可以看出，目前国外流量计检定装置的最大管径已经达到750 mm，国内最大检定流量计管径不超过400 mm。不过最大流量和最大压力国内外没有明显的差别，不确定度的差距也在逐渐缩小。
从表2和表3的不确定度可以看出，虽然国内外检定实验室的不确定度差距在逐渐缩小。但不难看出：欧美特别是德国和荷兰的检定机构，其原级检定不确定值在0.064%～0.07%范围，工作级水平在0.13%～0.15%范围；国内检定机构的原级不确定值在0.1%左右，工作级不确定值在0.25%左右。从精度上看，国内检定水平与国际水平仍存在一定的差距。
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