陳群堯，趙 矛

中油國際管道有限公司 （北京 100007）

隨著世界經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，保護(hù)環(huán)境、減少二氧化碳及二氧化硫的排放越來越得到各國的重視。在當(dāng)今仍然倚重化石燃料的時(shí)代，天然氣作為清潔能源，廣泛被全世界采用。國家與國家之間，國家內(nèi)行業(yè)與行業(yè)之間的天然氣交易十分頻繁。因此，天然氣的計(jì)量工作凸顯重要，天然氣的計(jì)量及檢定水平體現(xiàn)了國家工業(yè)化實(shí)力和現(xiàn)代化水平。根據(jù)IEA（國際能源署）2018報(bào)告[1]，在未來5～10年內(nèi)，中國的天然氣進(jìn)口量將占到世界第一位（圖1）。迅速提高我國的天然氣計(jì)量檢定水平，進(jìn)入世界先進(jìn)水平行列尤為重要。

圖1 2017—2023年全球天然氣消費(fèi)增量構(gòu)成預(yù)測

1 國外大口徑天然氣流量計(jì)檢定流程

縱觀國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家的天然氣計(jì)量檢定實(shí)驗(yàn)室，一般都具備大口徑、高壓力、高精度流量計(jì)的檢定能力。國外主要大口徑天然氣流量計(jì)檢定實(shí)驗(yàn)室裝置水平大致如下[2-9]。

1.1 荷蘭國家計(jì)量研究院（Groningen）

Groningen檢定裝置壓力范圍：0.9～4.1 MPa；流量計(jì)管徑范圍：≤Ф200mm；流量范圍：45～2.5×103m3/h；不確定度：≤0.30%，檢定裝置示意流程如圖2所示。

圖2 Groningen檢定裝置示意流程

原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置為鐘罩式，次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和工作標(biāo)準(zhǔn)裝置分為兩路，一路次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為10臺(tái)平行布局，最大流量400 m3/h容積式流量計(jì)，用于高精度流量計(jì)檢定；一路工作標(biāo)準(zhǔn)為1臺(tái)400 m3/h容積式流量計(jì)。4臺(tái)最大流量分別為650 m3/h、1 600 m3/h、4 000 m3/h（2臺(tái)）的渦輪流量計(jì)，用于日常檢定。次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可直接檢定工作標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 荷蘭國家計(jì)量研究院（Bergum）

Bergum檢定裝置壓力范圍：0.9～5.0 MPa；流量計(jì)管徑范圍：Ф50～150 mm；流量范圍：≤1.2×103m3/h；不確定度：≤0.25%，檢定裝置示意流程如圖3所示。

原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置為鐘罩式，次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置為2臺(tái)流量分別為400 m3/h和1 000 m3/h的容積式流量計(jì)，工作級(jí)為4臺(tái)最大流量4 000 m3/h的渦輪流量計(jì)。該裝置可通過次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)溯源至Groningen檢定站的主標(biāo)準(zhǔn)，也可內(nèi)部進(jìn)行溯源。

圖3 Bergum檢定裝置示意流程

1.3 荷蘭國家計(jì)量研究院（Westerbork）

Westerbork檢定裝置壓力范圍：4.1～6.3 MPa；流量計(jì)管徑范圍：≤Ф750 mm；流量范圍：≤6.5×103m3/h；不確定度：≤0.25%，檢定裝置示意流程如圖4所示。

圖4 Westerbork檢定裝置示意流程

原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置為鐘罩式，次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置可采用2只900 mm的文丘里臨界噴嘴，工作級(jí)為10臺(tái)最大流量4 000 m3/h的渦輪流量計(jì)。該裝置有兩條檢定管路與工作級(jí)串聯(lián)。

1.4 加拿大輸氣校準(zhǔn)公司（TCC）

TCC檢定裝置壓力范圍：≤7.0 MPa；流量計(jì)管徑范圍：Ф200～750 mm；流量范圍：50～6×104m3/h；不確定度：≤0.2%。檢定裝置示意流程如圖5所示。

圖5 TCC檢定裝置示意流程

原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置為旋轉(zhuǎn)活塞校準(zhǔn)儀，核查標(biāo)準(zhǔn)由10臺(tái)腰輪流量計(jì)構(gòu)成，次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置為2臺(tái)最大流量2 500 m3/h和6臺(tái)最大流量10 000 m3/h的渦輪流量計(jì)。核查標(biāo)準(zhǔn)定期對(duì)標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行檢測，以確保標(biāo)準(zhǔn)表可靠穩(wěn)定。TCC檢定裝置是目前世界上天然氣流量計(jì)儀表檢定壓力最高、管徑最大、檢定能力最強(qiáng)的檢定實(shí)驗(yàn)室。該裝置可通過荷蘭NMI提供的1臺(tái)DN400 mm渦輪流量計(jì)和1臺(tái)DN400 mm超聲波流量計(jì)將裝置溯源至NMI標(biāo)準(zhǔn)。

1.5 德國國家物理技術(shù)研究院（Pigsar）

Pigsar檢定裝置壓力范圍[10-13]：1.4～5.0 MPa；流量計(jì)管徑范圍：Ф80～500 mm；流量范圍：4.8×102～2.0×104m3/h；不確定度：≤0.16%。檢定裝置示意流程如圖6所示。

圖6 Pigsar檢定裝置示意流程

原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置為高壓體積管（HPPP），次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置為4臺(tái)G250的渦輪流量計(jì)，工作標(biāo)準(zhǔn)裝置為1臺(tái)G100和4臺(tái)G1000渦輪流量計(jì)。HPPP是不確定度最小的原級(jí)，其不確定度不超過0.01%。

1.6 美國氣體研究所（GRI）

1）高壓環(huán)道。GRI高壓環(huán)道裝置壓力范圍：1.0～8.3 MPa；流量計(jì)管徑范圍：Ф50～600 mm；流量范圍：≤2.3×103m3/h；不確定度：0.25%。

2）低壓環(huán)道。GRI低壓環(huán)道裝置壓力范圍：0.14～1.45 MPa；流量計(jì)管徑范圍：Ф25～200 mm；流量范圍：≤0.9×103m3/h；不確定度：≤0.25%。

GRI檢定裝置的原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)采用mt法，工作級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置為臨界流文丘里噴嘴。其溯源的方法簡單，可通過原級(jí)裝置的量值直接溯源至NIST（美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院National Institute of Standards and Technology）。檢定裝置示意流程如圖7所示。

圖7 GRI環(huán)道檢定流程簡圖

1.7 美國科羅拉多工程實(shí)驗(yàn)室（CEESI）

CEESI檢定裝置壓力范圍：≤7.0 MPa；流量計(jì)管徑范圍：≤Ф750 mm；流量范圍：≤4.9×104m3/h；不確定度：≤0.25%。

CEESI檢定裝置原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置采用pVTt法，次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置為文丘里臨界噴嘴，工作標(biāo)準(zhǔn)裝置為渦輪流量計(jì)。CEESI也是目前世界上能檢定Ф750 mm口徑流量計(jì)不多的實(shí)驗(yàn)室之一。

1.8 法國Alfortville檢測中心（GdF）

GdF檢定裝置壓力范圍：1.0～6.0 MPa；流量計(jì)管徑范圍：≤Ф300 mm；流量范圍：≤6.5×103m3/h；不確定度：≤0.25%。

GdF檢定裝置原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)采用pVTt法，工作級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置為文丘里臨界流噴嘴。

另外，俄羅斯、挪威及日本的流量計(jì)檢定實(shí)驗(yàn)室[2]也頗具一定規(guī)模，這里就不再一一介紹。

2 國內(nèi)天然氣流量計(jì)檢定流程

國內(nèi)從20世紀(jì)90年代后期就開始建立天然氣流量計(jì)檢定實(shí)驗(yàn)室，自第一條大口徑天然氣管道——陜京天然氣管道建成后，國內(nèi)流量計(jì)檢定實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)初具規(guī)模，具備了對(duì)大管徑、高壓力及高精度管輸天然氣流量計(jì)的檢定能力[5,9-13]。隨著國內(nèi)西氣東輸天然氣管道工程、中亞及中俄等跨國天然氣管道工程的建設(shè)，國內(nèi)的天然氣流量計(jì)檢定工作不斷與國際接軌，水平也不斷提高?，F(xiàn)將國內(nèi)主要的流量計(jì)檢定實(shí)驗(yàn)室分述如下。

2.1 大慶國家大流量計(jì)站

大慶站是國家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)站，檢定裝置壓力范圍：0.4～2.0 MPa；流量計(jì)管徑范圍：≤Ф300 mm；流量范圍：10～1.5×103m3/h；不確定度：≤0.5%。

大慶站原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置采用10 m3鐘罩，這也是國內(nèi)目前準(zhǔn)確度等級(jí)最高的鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。這套檢定裝置以空氣為介質(zhì)，次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為文丘里臨界噴嘴，工作級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為渦輪流量計(jì)。另外，大慶站還有一套以天然氣為介質(zhì)，采用CEESI生產(chǎn)檢定的16只不同管徑的文丘里臨界噴嘴并聯(lián)組成的移動(dòng)式檢定裝置，流量范圍：10～1.5×103m3/h，不確定度：≤0.25%。

2.2 南京天然氣實(shí)流計(jì)量測試中心

南京站檢定裝置壓力范圍：2.5～10.0 MPa；流量計(jì)管徑范圍：Ф50～400 mm；流量范圍：10～1.2×104m3/h；不確定度：≤0.32%。檢定裝置示意流程如圖8所示。

原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)采用mt法，次級(jí)12只采用按照ISO9300標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、制造和安裝的文丘里臨界噴嘴并聯(lián)安裝。檢定線路分為兩路，大口徑線路工作標(biāo)準(zhǔn)由1臺(tái)DN150 mm和7臺(tái)DN200 mm渦輪流量計(jì)并聯(lián)安裝組成，流量范圍：50～12 000 m3/h，核查標(biāo)準(zhǔn)為2臺(tái)超聲波流量計(jì)（DN150 mm、DN400 mm）；小口徑線路工作標(biāo)準(zhǔn)由1臺(tái)DN50 mm、1臺(tái)DN80 mm及1臺(tái)DN100 mm渦輪流量計(jì)并聯(lián)安裝組成，流量范圍：10～750 m3/h，核查標(biāo)準(zhǔn)為1臺(tái)DN100 mm超聲波流量計(jì)。另外，南京站還有一套移動(dòng)式天然氣流量檢定標(biāo)準(zhǔn)，該移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)由2臺(tái)并聯(lián)渦輪流量計(jì)工作標(biāo)準(zhǔn)及1臺(tái)超聲波流量計(jì)核查標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成，其工作壓力：1.6～10.0 MPa；流量范圍：10～8 000 m3/h。

圖8 南京站天然氣實(shí)流計(jì)量測試中心流程示意

2.3 成都天然氣流量分站

成都站檢定裝置壓力范圍：0.3～4.0 MPa；流量計(jì)管徑范圍：Ф50～400 mm；流量范圍：16～8.0×103m3/h；不確定度：≤0.33%。檢定裝置示意流程如圖9所示。

圖9 成都站天然氣流量計(jì)檢定流程示意

原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)采用mt法，次級(jí)采用13只美國CEESI檢定通過的文丘里臨界噴嘴并聯(lián)安裝構(gòu)成，流量范圍：26～100 000 m3/h，不確定度為0.25%，工作標(biāo)準(zhǔn)為5組并聯(lián)渦輪流量計(jì)，可對(duì)口徑DN25～400 mm的多種流量計(jì)進(jìn)行檢定，核查裝置采用超聲波流量計(jì)，流量范圍：20～8 000 m3/h。另外，成都站還有一套移動(dòng)式天然氣流量檢定標(biāo)準(zhǔn)，該移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)為超聲波流量計(jì)，其工作壓力：0.3～4.0 MPa，流量范圍：40～8 000 m3/h。

2.4 武漢天然氣流量分站

武漢站檢定裝置壓力范圍：2.5～10.0 MPa；流量計(jì)管徑范圍：≤Ф300 mm；流量范圍：20～8.0×104m3/h；不確定度：≤0.33%。檢定裝置示意流程如圖10所示。

武漢站是國內(nèi)第一個(gè)使用HPPP原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置的檢定站，選用由2臺(tái)G250渦輪流量計(jì)的平均值傳遞，流量范圍：20～400 m3/h，配備兩組限流噴嘴，實(shí)現(xiàn)16～400 m3/h 8個(gè)工況流量點(diǎn)的設(shè)定；工作標(biāo)準(zhǔn)裝置由并聯(lián)的11條標(biāo)準(zhǔn)管路構(gòu)成，每條管路由標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計(jì)和核查超聲波流量計(jì)串聯(lián)而成。另外，武漢站還有一套移動(dòng)式標(biāo)準(zhǔn)，由3臺(tái)并聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)渦輪流量計(jì)（口徑分別為DN80、150、400 mm）與1臺(tái)口徑為DN300 mm的核查超聲波流量計(jì)串聯(lián)組成，設(shè)計(jì)壓力為10 MPa，流量范圍：20～8 000 m3/h，被檢測流量計(jì)口徑DN50～300 mm。鑒于HPPP原級(jí)裝置檢定系統(tǒng)不確定度的影響因素，減少管容是必要的辦法。

圖10 武漢站天然氣流量計(jì)檢定流程示意

2.5 重慶天然氣流量分站

重慶站檢定裝置壓力范圍：0～1.2 MPa；流量計(jì)管徑范圍：Ф25～250 mm；流量范圍：1～6.0×103m3/h；不確定度：≤0.2%。

重慶站的原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置采用pVTt法，次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)采用文丘里臨界流噴嘴，工作級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為渦輪流量計(jì)。

2.6 烏魯木齊站

新建的烏魯木齊站檢定裝置壓力范圍：2.5～10 MPa；流量計(jì)管徑范圍：Ф50～400 mm；流量范圍：7～8.0×103m3/h；不確定度：≤0.1%。檢定裝置流程如圖11所示。

圖11 烏魯木齊站檢定流程示意

烏魯木齊站無原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置，原級(jí)在南京站或成都站校準(zhǔn)，次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為文丘里臨界噴嘴，工作級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為渦輪流量計(jì)。

2.7 廣州站

新建的廣州站檢定裝置壓力范圍：4.5～10 MPa；流量計(jì)管徑范圍：Ф50～400 mm；流量范圍：8～1.2×104m3/h；不確定度：≤0.1%。

與上述烏魯木齊站類似，廣州檢定站無原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置，僅含次級(jí)和工作級(jí)，原級(jí)在南京站或成都站校準(zhǔn)，次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)仍然為文丘里臨界噴嘴，工作級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為渦輪流量計(jì)。

此外，國內(nèi)最近又在北京、塔里木、榆林、東北等地建立了工作級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)檢定站[14-17]，其檢定方式和原理大同小異，這里就不再贅述。

3 國內(nèi)外天然氣流量計(jì)檢定水平比對(duì)

3.1 起步時(shí)間有差距

國外天然氣流量計(jì)檢定起步較早，隨著工業(yè)化革命發(fā)展和天然氣作為主要能源的普及，歐美國家的流量計(jì)檢定實(shí)驗(yàn)室在20世紀(jì)70～80年代就相繼建成[2-9]，并投用多年，形成了完善的標(biāo)準(zhǔn)體系。我國在改革開放后20世紀(jì)90年代開始建立大口徑天然氣流量計(jì)檢定實(shí)驗(yàn)室[10-11]，隨著陜京輸氣管道、澀寧蘭天然氣管道、西氣東輸管道及出川天然氣管道的投用，國內(nèi)在成都、大慶、南京、武漢、重慶等地都建立了大口徑天然氣流量計(jì)檢定實(shí)驗(yàn)站。隨著中亞天然氣管道、中俄天然氣管道及海上LNG等國際通道的開通，國內(nèi)又在烏魯木齊、廣州及塔里木等地建成了新的一批流量計(jì)檢定實(shí)驗(yàn)站。這些實(shí)驗(yàn)站的檢定水平與歐美老牌實(shí)驗(yàn)室相比，在流量計(jì)管徑、壓力和精度方面都在不斷縮小差距。

3.2 檢定介質(zhì)發(fā)生轉(zhuǎn)變

通常流量計(jì)檢定的介質(zhì)一般選用空氣、氮?dú)夂吞烊粴?。為了提高檢定的準(zhǔn)確度，采用天然氣進(jìn)行流程檢定是檢定流量計(jì)的最好介質(zhì)，歐美工業(yè)發(fā)達(dá)國家的流量計(jì)檢定實(shí)驗(yàn)室都從過去的空氣或氮?dú)饨橘|(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)樘烊粴饨橘|(zhì)，最大限度地消除介質(zhì)重量和流動(dòng)性差異引起的誤差；國內(nèi)后建或擴(kuò)建的南京、成都及新建的烏魯木齊、廣州、塔里木等檢定站也采用管輸天然氣作為檢定介質(zhì)，達(dá)到與國際水平同步。

3.3 原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置在不斷更新

原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置在不斷更新，流量計(jì)檢定的原級(jí)裝置過去一般采用的是鐘罩式方法，后來逐步過度到mt法或pVTt法。目前，德國的Pigsar檢測站和中國的武漢計(jì)量檢測站采用HPPP法[17-18]。這些原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置的更新，使原級(jí)的檢定壓力有很大變化，檢定的不確定度得到提高。

3.4 次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置以臨界噴嘴居多

次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置的形式主要包括旋轉(zhuǎn)活塞流量計(jì)、容積流量計(jì)、渦輪流量計(jì)和文丘里臨界流噴嘴等，文丘里臨界流噴嘴作為次級(jí)流量標(biāo)準(zhǔn)裝置不確定度達(dá)到0.15%～0.25%的范圍。目前國際上先進(jìn)的流量計(jì)檢定實(shí)驗(yàn)室次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置大多采用文丘里臨界流噴嘴，國內(nèi)的南京、成都、烏魯木齊及廣州等計(jì)量檢定中心也都采用了文丘里臨界流噴嘴作為次級(jí)流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。

3.5 工作級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置趨于固定

被直接用于流量計(jì)量值傳遞的工作級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置也趨于固定，通常工作級(jí)標(biāo)準(zhǔn)采用的渦輪流量計(jì)一般不確定度在0.25%～0.40%之間，渦輪流量計(jì)技術(shù)成熟，具有良好的流量特性，被廣泛采用。國內(nèi)所有的流量計(jì)檢定站都采用渦輪流量計(jì)作為工作標(biāo)準(zhǔn)器，臨界流文丘里噴嘴由于其壓力損失較大，容積流量計(jì)對(duì)介質(zhì)的清潔程度要求較高，這兩種流量計(jì)作為工作級(jí)標(biāo)準(zhǔn)器一般僅限用于低壓檢定站。

3.6 檢定規(guī)范和方式與國際一致

天然氣流量計(jì)的檢定原理一般采用容積值比較法，即在相同時(shí)間和工況條件下天然氣通過標(biāo)準(zhǔn)裝置和被檢測流量計(jì)，比較兩者流量值誤差，從而確定流量計(jì)的性能。國際通行的流量計(jì)檢定程序十分成熟，國內(nèi)開展的流量計(jì)檢定流程無一例外都是參照國外流程；檢定裝置的設(shè)計(jì)、制造和安裝都是直接采用國際標(biāo)準(zhǔn)，因此檢定方式與國際完全接軌。

3.7 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)采標(biāo)歐美

中國天然氣流量計(jì)量工作雖然起步較晚，但從一開始就以歐美標(biāo)準(zhǔn)為參考。國內(nèi)的天然氣流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)都是參照歐美標(biāo)準(zhǔn)，通過采標(biāo)的形式轉(zhuǎn)化為國家標(biāo)準(zhǔn)（GB）或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（SY）。表1列出了現(xiàn)行中國天然氣流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)與歐美天然氣流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比[5,15-16]。

通過表1可以看出，中國目前采用的天然氣流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)都等效或等同于歐美國家的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。從另一方面看出，中國天然氣流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)與國際標(biāo)準(zhǔn)基本是一致的。

表1 國內(nèi)外天然氣流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)比較

3.8 檢定管徑和精度不斷提高

隨著流量計(jì)檢定技術(shù)的不斷發(fā)展，天然氣流量計(jì)的檢定管徑和精度不斷提高。表2列出國內(nèi)外流量計(jì)檢定實(shí)驗(yàn)室原級(jí)檢定裝置的最大流量、最大壓力及不確定度比對(duì)數(shù)值。

表2 國內(nèi)外流量計(jì)檢定實(shí)驗(yàn)室原級(jí)不確定值

表3列出工作級(jí)檢定裝置的最大流量、最大壓力、檢定最大管徑及不確定度比對(duì)數(shù)值。從表3所列數(shù)據(jù)可以看出，目前國外流量計(jì)檢定裝置的最大管徑已經(jīng)達(dá)到750 mm，國內(nèi)最大檢定流量計(jì)管徑不超過400 mm。不過最大流量和最大壓力國內(nèi)外沒有明顯的差別，不確定度的差距也在逐漸縮小。

從表2和表3的不確定度可以看出，雖然國內(nèi)外檢定實(shí)驗(yàn)室的不確定度差距在逐漸縮小。但不難看出：歐美特別是德國和荷蘭的檢定機(jī)構(gòu)，其原級(jí)檢定不確定值在0.064%～0.07%范圍，工作級(jí)水平在0.13%～0.15%范圍；國內(nèi)檢定機(jī)構(gòu)的原級(jí)不確定值在0.1%左右，工作級(jí)不確定值在0.25%左右。從精度上看，國內(nèi)檢定水平與國際水平仍存在一定的差距。

表3 國內(nèi)外流量計(jì)檢定實(shí)驗(yàn)室工作級(jí)不確定值