摘要：随着天然气消费量的增加，准确计量高压大流量天然气对贸易结算和资源管理非常重要。文章提出了一种高压大流量天然气计量检定装置设计方案，旨在解决高压条件下天然气计量的技术难题。通过实验测试，验证了该装置在不同流量条件下的性能，结果表明装置的计量精度和稳定性均满足国家标准要求，该设计为高压大流量天然气计量提供了可靠的技术支持。

　　关键词：高压天然气；大流量；计量检定

　　0引言

　　随着我国天然气消费量的快速增长，高压大流量天然气的使用日益广泛，准确计量高压大流量天然气对于贸易结算、能源管理和优化资源配置具有重要意义。然而受到气体可压缩性、雷诺数效应等因素的影响，高压大流量天然气计量存在诸多技术难题[1]。为了确保计量设备的准确性和可靠性，迫切需要建立高压大流量天然气计量检定装置。本文在分析高压大流量天然气特征及计量难点的基础上，提出了一种高压大流量天然气计量检定装置的设计方案，并通过实验验证了该装置的性能，为相关领域提供了有益的参考。

　　1高压大流量天然气特征及计量难点分析

　　高压大流量天然气具有独特的物理化学特性，给计量带来一些挑战。第一，天然气在高压条件下表现出明显的可压缩性，其密度、黏度等参数随压力变化呈现非线性变化。以压力10 MPa、温度20℃的天然气为例，其密度可达到常压下的70倍以上[2]。密度的显著变化导致流量计的测量误差随之增大，尤其是在压力波动的工况下，误差更加难以控制。第二，高压天然气的流动处于高雷诺数区域，流场极为复杂，易产生旋流、湍流等不稳定流态，对流量测量的重复性和再现性产生不利影响。当管道直径DN300、流速20 m/s时，其雷诺数可达到4×106，远超常规流量计的适用范围。第三，高压环境对计量设备的材料、结构、密封等方面提出了更高要求，需要综合考虑强度、刚度、抗腐蚀性等因素，选择合适的高压部件与元器件，如高压球阀、高压变送器等，可确保系统的安全性与可靠性[3]。同时，在大流量条件下，计量设备的压损增大，导致能耗上升，需要优化设计以降低压损、提高能效。例如，采用流线型的流量计测量段，可有效减小压损，但加工制造难度也随之增加。由此可以看出，高压大流量天然气计量面临着诸多技术难点，涉及流体力学、传热学、材料学等多个领域，需要深入研究气体特性、优化计量方法、改进设备设计，才能实现高准确度、高稳定性、高可靠性的计量。

　　2高压大流量天然气计量检定装置设计

　　2.1装置工作流程

　　本文设计装置的工作流程始于原级标准装置，它提供高精度的流量测量基准。然后，该基准被传递到次级标准装置，用于实际的检定工作。在整个过程中，控制与数据采集系统实时监测压力、温度、流量等参数，确保检定条件符合规范，并记录所有数据。同时，安全控制系统始终监控运行状态，并在出现异常情况时立即采取措施，保障人员和设备安全。装置工作流程如图1所示。

　　2.2装置组成分析

　　2.2.1原级标准装置

　　原级标准装置是高压大流量天然气计量检定装置的核心组成部分，其作用是提供高精度、高稳定性的流量基准值。该装置采用了先进的PTB型号湿式气体流量标准装置，配备了高精度的多参数气体流量测量系统。装置内部集成了标准喷嘴流量计、涡轮流量计等多种流量测量单元，可实现0.2%的优异测量不确定度[4]。同时，装置还配备了精密的压力、温度传感器，压力测量范围达到0～25 MPa，温度测量范围为-20～+60℃,综合测量不确定度优于0.05%。在测量过程中，来自高压气源的天然气首先经过稳压系统，确保进气压力稳定在0.05%以内。然后，气体依次通过过滤器、流量调节阀，以去除杂质和调节流量。调节后的气体分别流经标准喷嘴流量计和涡轮流量计，通过测量喷嘴前后的压差，结合气体的热力学参数，如压缩因子、等熵指数等，即可计算出质量流量。两种流量计的测量结果通过不确定度评定后，取其加权平均值作为原级流量基准值。整个测量过程由高精度的数据采集系统实时监测，测量频率可达1 kHz，确保了动态测量的高速响应与高精度。原级标准装置通过了严格的计量检定与校准，其溯源链可追溯至国家计量基准，确保了流量基准值的权威性和可靠性。

　　2.2.2次级标准装置

　　次级标准装置是在原级标准装置的基础上，进一步扩大流量范围、提高检定效率的关键设备。该装置采用了模块化设计理念，集成了多种不同口径的涡轮流量计和超声波流量计，可覆盖DN50～DN600的管径范围和20～5 000 m³/h的流量范围[5]。装置的核心部件是高精度的流量比对测试段，其特点是引入了双向可拆卸的流量计安装法兰，配合精密的同心异径过渡件，实现了多种流量计的快速更换与精准定位，大大提高了检定效率。同时，测试段管路采用了3D激光切割技术加工而成的内壁超光滑不锈钢管，其表面粗糙度Ra可低至0.05μm，有效抑制了管路自身对流场的扰动，确保了流量计检定的高重复性。另外，次级标准装置还应用了气体质量流量校准方法，引入了高精度的气体质量流量计(MGFM)作为传递基准，其测量不确定度达到0.15%，通过质量流量与体积流量的换算，可实现流量计的直接校准。其换算公式为：

　　式中：QV为体积流量；Qm为质量流量；ρ为气体密度(kg/m³)。

　　装置还配备了先进的流量积分仪，采用了双CPU并行计算架构和高速同步采样技术，积分周期可低至10 ms，积分误差小于0.01%，为现场检定提供了可靠的流量积分值。通过次级标准装置的比对校准，可溯源传递原级标准装置的流量基准值，从而实现高压大流量天然气计量装置的量值传递与校准。

　　2.2.3控制与数据采集系统

　　高压大流量天然气计量检定装置的控制与数据采集系统是实现装置自动化、智能化运行的关键。该系统采用了基于实时以太网技术的分布式控制系统(DCS)，具有高速、高精度、高可靠性的特点。系统硬件平台选用了西门子最新的S7-1500系列PLC，配合高性能工业级计算机和多通道高速数据采集卡，可实现毫秒级的实时控制响应和千赫级的高速数据采集。软件平台基于SCADA架构，采用了WINCC作为上位机组态软件，实现了人机交互、数据可视化、历史数据存储等功能。同时，系统还集成了先进的边缘计算技术，在现场端部署了高性能工控机，并运行实时数据处理算法，如卡尔曼滤波、FFT等，可在线提取关键特征量，实现对装置状态的实时监测。

　　在控制流程方面，系统采用了基于状态机的控制策略，将装置运行划分为预热、稳定、测试、结束等多个状态，每个状态下又设置了相应的子状态，通过状态的切换实现对装置的精确控制。例如，在测试状态下，系统通过PID算法实现对压力、温度、流量等参数的精确控制，控制精度可达0.1%以内。同时，系统还引入了基于模糊逻辑的自适应控制算法，根据测试工况的变化自动调整PID参数，提高了控制的鲁棒性。

　　在数据采集方面，系统采用了基于时间戳的同步采集技术，保证了不同传感器之间数据的时间一致性。采集的原始数据经过滤波、线性化、补偿等预处理后，再进行流量计算。流量计算模型为：

　　式中：Q为体积流量(m³/h)；C为流出系数(无量纲)；E为速度因子(无量纲)；ΔP为差压(Pa)；ρ为气体密度(kg/m³)。

　　通过控制与数据采集系统的协同工作，实现了高压大流量天然气计量检定装置的全自动化运行，提高了检定效率和数据质量，为现场计量提供了有力的技术支撑。

　　2.2.4安全控制系统

　　安全控制系统主要功能是实时监测装置的运行状态，防止出现超压、超温、泄漏等危险工况，确保装置的安全可靠运行。该系统采用了基于故障树分析(FTA)和HAZOP分析相结合的设计方法，从硬件和软件两个层面入手，构建了一套完善的安全防护体系。

　　在硬件方面，系统选用了通过SIL3认证的安全型PLC，如西门子S7-1500F系列，具有容错冗余的CPU模块和高可靠性的I/O模块，可实现关键参数的双重测量和双重控制。同时，系统还配备了独立的安全仪表系统(SIS)，包括安全压力、温度、流量等传感器和安全阀门，可在检测到危险工况时自动切断气源，防止事故扩大。

　　在软件方面，安全控制系统采用了基于规则的专家系统技术，将操作人员的经验和知识转化为一系列IF-THEN规则，实现对装置运行状态的智能判断和决策。例如，当系统检测到管路压力超过设定的上限值时，就会自动触发安全联锁，切断气源并启动泄压程序。同时，系统还采用了基于模型的故障诊断技术，通过建立装置的数学模型，实时比对实测数据和模型预测数据，及时发现潜在的故障隐患。故障诊断模型可简化为：

　　式中：R为故障诊断指标；Ym为实测值；Yp为模型预测值。

　　当R超过设定的阈值时，系统就会发出故障警报，提示操作人员进行检查和维修。

　　此外，安全控制系统还具有完善的人机交互界面，可通过大屏幕显示实时的运行参数和报警信息，并通过语音提示和短信通知等方式，及时告知操作人员系统的安全状态。同时，系统还具有安全事件的自动记录和追溯功能，可对事故发生的时间、位置、原因等进行精确记录，为事故分析和改进提供数据支持。

　　3装置性能测试

　　3.1实验设计

　　为全面评估高压大流量天然气计量检定装置的性能，本文设计了一系列实验。实验材料选用了市场上常用的天然气，其组分如下：甲烷(92.46%)、乙烷(4.32%)、丙烷(1.45%)、丁烷(0.56%)、二氧化碳(0.68%)、氮气(0.53%)。实验方法采用了基于质量法的流量计量原理，通过比较被检表具示值与质量法流量基准值的偏差，评估装置的计量性能。实验流程为：首先，利用高精度的天然气组分分析仪对实验气体进行成分分析，得到详细的组分浓度数据；然后，将实验气体充入高压气瓶，并使用高压气体增压设备将气瓶压力升高至15 MPa以上；其次，将充气后的气瓶连接至检定装置的进气口，打开进气阀门，调节装置的稳压阀，使进气压力稳定在10.0 MPa±0.1 MPa；随后，调节装置的流量控制阀，使流量稳定在800、1 600、2 400 m³/h三个检定流量点，并记录质量法流量基准值和被检表具示值；最后，通过计算各检定点的示值误差、重复性误差等指标，评估装置的计量性能。实验指标包括示值误差(ε)、重复性误差(b)、回程误差(h)等，其中示值误差定义为：

　　式中：qv为被检表具示值流量(m³/h)；qs为质量法流量基准值(m³/h)。

　　实验严格按照JJG 1030—2007《超声流量计检定规程》中的相关要求进行，每个检定点重复测量3次，取其算术平均值作为最终结果。

　　3.2实验结果分析

　　根据3.1节的实验设计，对高压大流量天然气计量检定装置进行了性能测试，实验结果如表1所示。从表1数据可以看出，在三个检定流量点下，装置的示值误差均满足国家标准JJG 1035—2007中规定的±0.5%的要求。在1 600 m³/h的标称流量点处，示值误差最小，仅为0.12%，在800 m³/h的小流量点处，示值误差相对较大，为0.34%，这主要是由于流量越小，流速越低，雷诺数效应对计量产生的影响越显著。同时，装置的重复性误差也符合标准要求，最大重复性误差出现在2 400 m³/h的大流量点，其值为0.25%，说明装置在大流量条件下，受流场脉动、气体可压缩性等因素的影响，计量稳定性略有下降。

　　另外，通过对比装置在升流量和降流量两个方向上的测量结果，得到了回程误差指标。从表1可以看出，三个检定点的回程误差数值较为接近，最大值为0.20%，最小值为0.08%，表明装置具有较好的计量可重复性，受流量方向变化的影响较小。

　　综合以上实验数据分析，可得出以下结论：(1)高压大流量天然气计量检定装置各项计量性能指标均满足国家计量检定规程的要求，示值误差优于±0.5%，重复性误差优于0.3%，回程误差优于0.25%，具有较高的计量准确度和稳定性。(2)装置在标称流量点(1 600 m³/h)处性能最佳，计量误差最小，重复性最好；在小流量点(800 m³/h)和大流量点(2 400 m³/h)处，计量误差和重复性误差相对偏大，但仍控制在规程限值之内。(3)装置对流量方向变化不敏感，回程误差较小，表明其具有良好的计量可重复性和可逆性。

　　4结语

　　本文设计的高压大流量天然气计量检定装置，通过实验验证了其在不同流量条件下的高精度和高稳定性，示值误差、重复性误差和回程误差均满足国家标准要求。装置在标称流量点处表现最佳，在小流量和大流量点也保持了良好的计量性能。这一设计为高压大流量天然气计量提供了可靠的技术支持和参考。

　　参考文献：

　　[1]刘静.高压大流量溢流阀动态特性研究[D].沈阳:沈阳理工大学,2023.

　　[2]秦磊.高压大流量复杂液压管路空间路径规划及能量减损研究[D].上海:同济大学,2022.

　　[3]国家能源局.煤矿高压大流量乳化液泵站系统性能测试方法:NB/T 10750—2021[S].北京:中国标准出版社,2022.

　　[4]邹姜昆.高压大流量水介质间隙密封特性研究[D].兰州:兰州理工大学,2020.

　　[5]徐飞.关于伺服电机控制高压大流量双泵液压动力系统的分析[J].南方农机,2019,50(15):216.

　　[6]徐明,闫文灿,陆玉城.基于HPPP法的高压大流量天然气计量检定站系统工艺[J].油气储运,2018,37(7):810-815.