油气流量测量仪表的在线实流检定问题

概述

流量测量仪表的检定或校准是流量量值传递或溯源链中最重要的环节，通常可将其分为实流检定和干式检定（干检）两种方式。

实流检定是在检定过程中让试验流体流过被检流量仪表，并以流量标准装置或标准器具确定的标准流量为依据，评定流量仪表的准确度、稳定度等计量性能，或对流量仪表进行校准或定度，并确定其是否合格。如果实流检定的试验流体就是流量仪表所测量的流体，且检定在流量仪表的实际安装位置和实际操作条件下进行，则称为在线实流检定，否则称为离线检定。严格地讲，在线实流检定的基本特征是流量仪表在检定和实际使用过程中的安装、使用等条件相一致。

在干式检定过程中，并没有试验流体流过被检流量仪表，但是要检测流量仪表与流体相接触并影响流量测量结果的几何构造和各部分尺寸，校准与流量计算有关诸参数的测量仪表和涉及测量结果的附属装置，并检查仪表的安装、操作是否按规定进行。干检属于间接的组合测量方法，省去了实流测试过程，但是它只能给出流量测量的不确定度范围，不能对流量仪表进行校准或定度。

目前，用于原油贸易计量的流量仪表基本上实现了在线实流检定，即在现场用体积管检定流量计，用于过程检测和物料平衡的原油流量测量仪表尚大都采用离线检定方式。成品油流量仪表大部分采用离线检定方式，只有少数装车栈桥上的流量仪表实现了在线实流检定，所用的计量标准器为标准罐或电子秤。绝大多数用于贸易计量的天然气流量仪表采用干检方式，极少数采用临界流喷嘴在线实流检定。

在线实流检定的必要性

采用何种方法检定流量仪表取决于计量系统所要求的测量不确定度、被检流量计的类型、所具备的检定条件、检定所需费用等诸多因素，但是从计量学意义上讲，在线实流检定最符合准确性、一致性、溯源性和实验性等计量特点，尤其是在油气贸易计量中应优先推荐这种检定方法。

采用组合测量方法对流量仪表进行干式检定，是根据各有关参数的测量结果及其不确定度，按照一定的误差处理方法合成出该仪表流量测量的总不确定度。它只能以一定的置信度间接的确定流量仪表的不确定度范围，不能给出其具体误差值。干式检定往往是以丰富的实验数据和标准化的技术要求为前提的，从这一点上来看，它仍保持了计量的试验性和一致性特点。标准孔板节流装置、临界流文丘利喷嘴等都已有相当成熟的干检技术，气体超声流量计的干检试验虽已初见成效，但主要研究成果都是流量计制造厂提供的，尚没有形成标准，电磁流量计等仪表的干检只有个别制造厂家在摸索探讨。以孔板流量计为列，其统一的流出系数公式建立在极其丰富和充分的试验数据基础上，且给出了流出系数的误差范围，但我们只知道流出系数的误差不大于0.6，并不知道具体大小，也不知道是正是负。在合成孔板流量测量的不确定度时，也只能以一定的置信度给出一定的不确定度范围，例如对于仪表配置水平较高的孔板流量计，我们通常说在置信度为95时其不确定度不超出1.0或1.5。但要知道具体的流量测量误差，或要进一步提高某一孔板流量计的流量测量准确度，则必须对其进行实流检定。

虽然离线检定可给出流量仪表在检定条件下的误差值或流量计系数，但是其实际操作条件和安装条件不同于检定条件，介质的有关物性参数甚至介质本身也有所不同，因此这种检定不是真正意义上的校准或赋值。严格地讲，流量仪表的离线检定结果只能说明其在检定条件下的计量特性，当实际使用现场的安装条件、操作条件、环境条件不同于检定条件时，其计量性能会有所变化，给流量测量结果带来附加的误差。如果对流量测量结果要求不高，或者严格地说即使有该附加误差也能满足预定的测量要求，则离线检定不失为一种简单易行的选择。然而遗憾的是，我们往往并不知道该附加误差的大小甚至方向，判断其是否会引起测量超差也就无从谈起，此时多数是以一定的经验主观判断是否能接受离线检定结果。

只有在线实流检定才能实现真正的流量仪表校准或赋值，因为只有此时的校准或赋值才真正计入各种因素对流量仪表性能的影响，才能保证量值传递链或溯源链的连续和封闭。我们可以在配备体积管的原油外输计量站实现流量计系数交油，而对离线检定的成品油流量仪表和采用干式检定的天然气流量仪表不能按系数交接，恰恰说明了这一点。

在线实流检定的计量学特点

(1)对物性参数影响的修正

几乎所有流量仪表的测量结果都受到被测介质有关物性参数变化的影响，只是影响程度有大有小。物性参数对有些流量测量结果的影响是以显函数表现的，这主要体现在气体流量测量上，如孔板流量计中天然气相对密度、压缩因子、等熵指数等参数的影响。对于以显函数表现的影响，只要已知这些参数的实际值，就能对其进行修正。但对大多数流量仪表而言，物性参数对其计量性能的影响难以用数学公式精确地表达出来，而且流量仪表运行条件的变化往往也伴随着物性参数的变化，很难单独分离出各自的影响量，因此实流检定成为完全消除物性参数影响的唯一选择。

在液态烃计量中，容积流量计和涡轮流量计对液体粘度的变化都十分敏感，特别是在低粘度下和仪表测量范围的下限，目前尚没有通用的粘度修正公式。在天然气流量测量中，天然气密度变化对涡轮、涡街等流量计有明显的影响，因此要慎重考虑流量计在低压下用空气介质检定的结果是否能直接用于高压下的天然气，即在根据所要求的流量测量不确定度选择流量计及其检定方式时，是否考虑了因检定条件与使用条件不同而存在的附加误差。

(2)对操作条件影响的修正

流量仪表的操作条件或运行条件直接影响其计量性能，操作压力或温度变化对流量仪表的最直接影响就是其计量腔体的改变，其间接影响是被测介质粘度、密度等物性参数的变化，但间接影响可在修正物性影响时考虑。由于流量仪表结构和形状的复杂性及加工装配的离散性，几乎不可能采用计算的方法对其腔体随操作条件的变化精确地进行修正，也不可能根据试验数据针对所有流量计拟合出满足准确度要求的经验公式。

对于容积流量计而言，计量腔体变化会导致作为测量基准的容积单元的改变，还会引起内部漏失量的变化，从而影响流量测量结果。对于速度式涡轮流量计，操作条件改变将引起其流通面积的变化，从而导致仪表系数的变化。如果检定时流量仪表的操作条件能与实际使用时相同或接近，则离线检定即可满足要求。但是，由于操作条件的复杂性和多变性，离线检定往往不能复现实际操作条件，只有在线实流检定才能解决高准确度的流量测量问题，否则要考虑附加的误差。从广义上讲，被测介质的均匀度、含气（液）量、杂质含量等来流条件，也属于流量计操作条件的范畴，但其对流量仪表性能的影响更加复杂，有时在线实流检定也难以解决。

以国外某原油贸易计量站为列，只要涡轮流量计的操作温度变化达到±2.0℃或压力变化达到±350kpa，所有的流量计都要重新检定，以避免因操作条件变化而出现的附加误差。

(3)对安装条件影响的考虑

安装条件从两个方面影响流量仪表的计量性能：①涡轮、涡街、超声等速度式流量计和孔板、喷嘴等差压式流量计，都要求被测介质在进入流量计入口处时，达到充分发展或特定的速度分布，尽可能避免速度畸变、旋涡流和脉动流，而影响来流的因素包括管路的走向及布置形式、流量计前后阻流件形式、前后直管段长度及整流器形式、离脉动源的距离及阻尼方式等对安装条件；②科氏力质量流量计等对安装应力、机械震动比较敏感，不当安装所造成的多余应力会影响到流量计振动管的自由振动，影响流量计的频率输出，机械震动也会干扰输出信号的检测，从而影响流量计的示值。若采用离线检定方式，则不可能复现现场的来流、应力等实际安装条件，会使检定结果偏离实际情况，其具体偏离也难以量化。尽管已有许多经验数据可以利用，但现场条件千变万化，只有在线实流检定能将安装条件的影响计入检定结果，对流量测量的实际结果予以修正，实现准确地测量。

(4)对环境影响的考虑

在进行流量仪表的型式鉴定、样机试验或质检抽查时，一般要进行机械环境、气候环境和电磁干扰的试验，确定其整体性能。对于一般的计量检定，则只确定流量仪表的计量性能。但对于在线实流检定，流量仪表所处的环境就是其实际使用环境，用这种检定方法所确定的流量仪表性能已包括环境影响的因素，只是它不同于进行型式鉴定时的极限环境条件。

结论

（1）尽管有几种不同的流量仪表检定方式可供选择，但干式检定所适用的仪表十分有限，且它只能确定流量测量的不确定度范围，不能直接对流量仪表进行校准或赋值，其最大的优点就是省去了实流检定的过程。

（2）流量仪表的离线检定适合与对流量测量准确度要求不十分高的测量场合，它体现了流量溯源的动态特点，但很难做到溯源或传递链的封闭，因为流量仪表的检定条件难于同实际使用条件相一致，选择这种检定方法的代价是所引入的附加误差。