郭婧

國家管網(wǎng)集團北京管道公司

2024年國家石油天然氣大流量計量站北京分站（簡稱北京分站）取得國家市場監(jiān)督管理總局頒發(fā)的社會公用計量標準證書，標志著次級計量標準裝置成功獲得授權，可面向全國開展檢定及校準業(yè)務，計量標準水平進一步提升。

1  臨界流文丘里噴嘴原理

臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標準裝置作為流量計量標準，由于其計量性能穩(wěn)定、可靠，一般用于天然氣流量計量的傳遞標準，向上溯源至原級計量標準，向下傳遞至工作級計量標準，起著承上啟下的作用。

裝置的核心部件臨界流文丘里噴嘴，是一個入口孔徑逐漸減小到喉部，經(jīng)過喉部又逐漸擴大的用于測量氣體流量的測量管。孔徑最小的部分稱為噴嘴的喉部，在喉部的后面有孔徑逐漸擴大的流道。噴嘴可隨著其下游擴大管長度的不同得到不同的臨界壓力比，當上游滯止壓力 P0 保持不變，逐漸減小噴嘴出口壓力 P2 ，即減小背壓力比（P2 / P0），通過噴嘴的氣體流量不斷增加。當達到臨界壓力比時，氣體在喉部達到臨界速度即等于當?shù)匾羲伲瑖娮炫R界流文丘里噴嘴的氣體質(zhì)量流量達到最大。進一步降低背壓比，流量保持不變。此時馬赫數(shù)為1，流量只與上游壓力有關（與下游壓力無關），流出系數(shù)只與雷諾數(shù)有關。

2  臨界流文丘里噴嘴標準裝置概述

臨界流文丘里噴嘴標準裝置的設計工作壓力最大為10 MPa，工作條件下體積流量范圍為8 m³/h～  2704 m³/h，由11路并聯(lián)安裝的臨界流文丘里噴嘴、壓力變送器、溫度變送器、色譜分析儀等組成。11支噴嘴在出廠之前經(jīng)過德國PTB進行了幾何檢定，其結(jié)果均符合ISO 9300加工的要求，喉徑范圍為3.5008 mm～25.9732 mm（表 1）。

表 1 噴嘴技術參數(shù)

3  建標測試

穩(wěn)定性實驗。選取DN80和DN250的渦輪流量計，選用音速噴嘴法氣體流量標準裝置進行測試。分別在4 MPa、6 MPa情況下對32 m³/h、760 m³/h、1448 m³/h進行實驗，結(jié)果表明裝置的穩(wěn)定性均≤0.22%（圖 1）。

圖 1 穩(wěn)定性實驗結(jié)果

測量審核結(jié)果。為了驗證裝置的校準能力，選用一臺Elster型號為SM-RI-X G650的DN150渦輪流量計作為傳遞標準，在本音速噴嘴裝置及中國計量科學研究院的環(huán)道式氣體流量標準裝置上進行測量審核，滿意度按式（1）計算：

式中：y0為中國計量科學研究院裝置測量得到的參考值；y為本裝置測量得到的參考值；U0為中國計量科學研究院參考值的測量不確定度（k=2）；U為本裝置參考值的測量不確定度（k=2）。

從測量審核結(jié)果可以看出（表 2），En值均在1以內(nèi)，結(jié)果為滿意。但在200 m³/h和1000 m³/h兩個流量點處，En值為0.82和0.83，已在臨界狀態(tài)，應檢查裝置技術能力，采取預防措施。

表 2 測量審核結(jié)果

建標存在的問題及相應對策。在測試過程中，由于氣源從陜京線氣源切換至中俄東線氣源，導致天然氣氣體組分變化較大，含氮量較多，氣體分子量變大。在音速噴嘴作標準，渦輪作被檢表的情況下，氣體組分變化導致測量誤差較大，測試中斷。為排除工況對計算結(jié)果的影響，采取閥門注脂，以排除上下游閥門漏氣的影響；清洗噴嘴，以排除噴嘴內(nèi)壁附著物的影響；核查檢定系統(tǒng)算法，以判斷其對結(jié)果的影響。嘗試這三種排查方法均無果，可排除硬件條件對測試結(jié)果的影響。在實際測試過程中，唯一可能導致計算結(jié)果有較大偏差的是氣質(zhì)組分變化。故認為在天然氣實流檢定中，組分變化對噴嘴的計算結(jié)果有直接影響。

4  啟示

臨界流文丘里噴嘴法標準裝置作為傳遞標準，在我國天然氣量值溯源傳遞鏈中起著重要的作用。由于臨界流文丘里噴嘴原理以質(zhì)量流量為基礎，在換算成體積流量過程中，流體的密度對結(jié)果有很大影響，且天然氣組分與密度有著直接聯(lián)系，故最終判斷天然氣組分對裝置影響較大，有待進一步研究驗證。

作者簡介：郭婧，1995年生，碩士研究生，工程師，二級工程師，主要從事天然氣計量管理工作。聯(lián)系方式：15958004703，guojing03@pipechina.com.cn。