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基于HPPP法天然气流量原级标准的研究及应用
2020-06-19
天然气流量原级标准技术是确保天然气流量量值准确可靠的关键技术，由于天然气具有易燃、易爆、可压缩、组分复杂等特性，导致天然气计量一直是全球计量学领域中的难点，在2012 年以前我国高压天然气流量量值溯源体系仅建有质量－时间（mt）法原级标准装置，受技术原理限制，准确度提高难度大。
在原国家质量监督检验检疫总局和中国石油化工集团有限公司的支持下，中国石化天然气分公司计量研究中心联合中国计量科学研究院经过6 年深入系统研究和测试应用，建立了我国首套高压活塞体积管（HPPP）法天然气流量原级标准装置（图1），显著提升了原级标准装置技术水平。项目实施至今，已建立国家高压天然气流量标准装置3 套，在核心期刊发表技术论文9 篇，出版技术专著1 部。2018 年11 月经过中国计量测试学会组织的鉴定委员会评定，该项成果技术达到国际先进水平。
1 主要创新成果
（1）扩展了我国高压天然气流量原级标准装置测量能力，建立的HPPP 法天然气流量原级标准装置通过准确测量主标准器体积管容积（V）和天然气推动活塞在体积管内匀速运动的时间（Δt），计算得到天然气体积流量qv = V/Δt。该原级装置天然气体积流量测量不确定度提升至Urel=0.07%（k=2），工作压力达到8.7 MPa。研究建立了一套完整的天然气量值溯源与传递体系，量值溯源和传递框图见图2。
（2）研发了“四阀组流程切换技术”，实现了天然气介质快速换向，实时泄漏监测，解决了四通阀阀芯易损坏、泄露监测困难、气流不稳定等技术难题；提出了低阻力活塞动态密封技术方案，实现了高压下天然气推动活塞在体积管内低阻力匀速运动；首次在该技术领域应用天然气介质电加热温度调节技术，介质受热均匀、热效率高、调节速度快，实现了介质温度（20±0.5）℃的控制要求，确保了HPPP 原级标准装置的测量技术要求。
（3）设计了HPPP 法原级标准装置原位校准工作级标准涡轮流量计工艺流程，实现了原级标准装置直接对工作级标准装置涡轮流量计进行量值传递，缩短了溯源链，消除了安装条件影响，工作效率提高4 倍以上；结合“飞行时间法”和不同压力下“非定点使用的涡轮流量计计量性能评估模型”，实现了“纳秒级”的脉冲信号采集和修正，将工作级标准装置测量不确定度提升至Urel=0.16%（k=2）。
2 应用情况
（1）建立了HPPP 法原级标准装置、涡轮标准表法工作级标准装置和移动式天然气计量标准装置3 套天然气实流检定装置，通过国家计量标准考核和中国合格评定委员会（CNAS）实验室认可，在全国范围开展天然气流量计法制检定累计超过1 500 台，量值传递准确可靠。
（2）开展国际交流活动。
HPPP 天然气流量原级标准装置的建立在国际计量测试联合会（IMEKO）组织的“2017 年杭州国际测量技术研讨会”上被评为优秀论文；《中国石化新建HPPP 原级标准装置与德国PTB 已建HPPP 原级标准装置在8MPa 下测量结果一致性优于0.07%》在2018 年IMEKO 组织的“第10 届墨西哥国际流体流量测量学术会议”上进行了发布。
2016—2018 年期间，与德国pigsar 天然气检定站、国家石油天然气大流量计量站南京分站开展技术比对和测试试验，比对和测试结果均满意，进一步增进了中国与欧洲天然气计量量值的一致性。
（3）HPPP 原级标准装置的建立，为开展天然气计量科研提供了研究条件，目前正在开展“利用HPPP 原级标准装置校准音速喷嘴技术”“天然气计量系统性能评价技术”“压力条件对涡轮和超声流量计计量性能影响研究”等课题的研究。
3 社会效益
（1）在我国率先建立了基于HPPP 法原级标准装置的天然气体积流量量值传递体系，填补了我国在该领域的技术空白，成为我国天然气流量量值溯源传递体系的重要组成部分，进一步推进了天然气计量技术的进步，促进了我国天然气计量标准装置整体技术水平的提升。
（2）开展天然气流量计检定和校准，依法开展量值传递工作，缓解了全国天然气流量计检定资源供不应求的局面，保障了天然气计量的准确可靠和管道设备的安全平稳运行，为国家能源化工企业提供了技术支撑，满足国家“低碳环保”战略的实施和天然气工业发展的需要。
（3）该项研究成果今后可为国内外同类天然气计量标准装置建设提供技术服务。同时，为我国天然气计量科学研究提供了高水平的科研条件，未来将开展天然气计量领域难点及前瞻性技术科研课题的研究，并开展与国际天然气组织的交流与合作，进一步提高我国在天然气计量领域的国际影响力和话语权。
