1 引 言
我国天然气用量迅速增长，输气管网及用户配套流量仪表需求量庞大。为满足各类用户的需求，流量计的选型不仅要考虑仪表的计量准确度，还要考虑仪表采购、维护与校验成本。据统计，天然气输气管网流量仪表主要为：标准孔板流量计、涡轮流量计及气体超声流量计。孔板流量计由于有ISO5167-2003(E)标准及GB/T21446-2008的支持且应用历史久远，是目前国内外天然气流量测量的三大主力仪表之一。
标准喷嘴（本文指ISA1932喷嘴）与孔板一样同属标准节流件，其结构形式和技术要求均已标准化，按ISO5167-2003(E)制造、安装使用，无需实流检定即可计算出流量及流量不确定度。喷嘴的入口是由两个圆弧组成，耐磨性好，能长期保持流量特性的稳定，检规JJG640规定其检定周期不超过4年，而且压损小，所以喷嘴应是比孔板更为优良的节流件。但由于其廓形复杂，加工、检验比较困难，所以长期以来标准喷嘴的使用量远比孔板少得多。上世纪90年代，流量测量专家和西安三联测控工程讨论组提出了“定值喷嘴”的概念，即一种管道口径的喷嘴，仅设几个喉部直径值，这就大大简化了生产工艺及检验，可使仪表的检定更具客观性。这一概念的提出，推动了喷嘴流量计的应用。进入21世纪，喷嘴流量计使用大幅增加，特别在水蒸气流量测量领域，其性能稳定、可靠已成为广大用户的共识。因此制定相应标准，推动喷嘴在天然气流量测量中的应用已是水到渠成之事。西安三联测控作为流量测量行业的重要一员，一直想给中国流量仪表带来一些新的改变。
国家标准化技术委员会将《用标准喷嘴流量计测量天然气流量》列入2012年第二批国家标准计划，由石油工业油气计量及分析方法专业标准化技术委员会油气计量分技术委员会组织实施。标准制订目前已进入报批稿阶段。
2 在编标准与ISO5167-2003的异同
2.1 ISO5167为通用标准，而《用标准喷嘴流量计测量天然气流量》标准为标准，标准喷嘴特指ISA1932喷嘴，标准采用了ISO5167-2003(E)中有关ISA1932喷嘴的所有内容。
2.2 增加了定值喷嘴的内容，一种公称管径的标准喷嘴，喉部直径有成千上万种选择，每加工某一喉部直径的喷嘴，必须准备数套样板作为加工、检查入口廓形之用，这给加工及检验带来不同程度的困难。
定值喷嘴也是标准喷嘴，只不过对一种公称管径只选取有限个喉部直径值，直径比范围在0.42～0.6，加工、检验就方便得多，有利于提高产品的一致性。所以在标准中作为重点推荐，同时考虑到极大流量、极小流量及一些特殊场合的应用，也可在标准允许的范围内选取其它的喉部直径。
2.3增加了天然气物性值（粘度、等熵指数、密度、压缩系数等）、流量、能量及不确定的计算公式，这些公式参考了GB/T21446-2008。
2.4 增加了“天然气流量计算机系统基本技术要求”，本部分仍参考了GB/T21446-2008。
2.5 JJG640检定规程中，系数检定只给出了检定点的流出系数及重现性误差，本标准在附录中增加了“定值喷嘴及实流检定”的内容，给出了定值喷嘴检定数据的回归公式及不确定度计算公式。
3 验证试验
3.1 虽然遵循ISO5167-2003规定制造、安装，喷嘴流量计无需实流检定*可以用于天然气流量测量，但由于喷嘴在我国应用中不是太多，特别没有在天然气系统检定的先例，所以进行一定的验证试验是必要的。
3.2 试验定值喷嘴口径为DN50、DN80、DN100、DN150，每种口径有三个β值，即0.42、0.51、0.6，流体分别为水、空气。由于条件限制，在天然气系统仅对DN80及DN100，β为0.51的二台仪表进行试验。每台仪表均配*D、后5D的直管段，所用差压变送器在检定有效期内。
3.3 试验数据
所有试验数据已提供给西安三联测控标准审查小组，本文仅列举在水系统及天然气系统试验部分数据进行分析。水试验是在安徽*进行，水系统不确定度0.05％，天然气试验在国家石油天然气大流量计量站成都分站进行，操作压力1.6MPa，系统不确定度为0.25％ 。试验喷嘴口径为DN80及DN100,直径比均为0.51，试验所用两台差压变送器量程分别为0-500kPa和0-100kPa(水试验)及0-100kPa和0-10kPa（天然气试验）,经检定其精度为0.075级，
表1 DN80水试验数据
| 试验点 | 试验 次数 | 流量 t/h | 定值喷嘴 | ||||||
雷诺数 ReD
| 计算流 出系数 Co | 差压ΔPkPa | 实际流出系数 Ci | 平均流出系数 Ccp | 重复性Er％ | 偏差 E％ | |||
| 1 | 1 | 15.1576 | 67560 | 0.97005 | 5.1434 | 0.9692 | 0.9683 | 0.093 | -0.21 |
| 2 | 15.1365 | 5.1482 | 0.9674 | ||||||
| 3 | 15.1551 | 5.1513 | 0.9683 | ||||||
| 2 | 1 | 20.1386 | 89577 | 0.97160 | 9.071 | 0.9697 | 0.97027 | 0.051 | -0.15 |
| 2 | 20.1234 | 9.-04 | 0.9706 | ||||||
| 3 | 20.372 | 9.267 | 0.9705 | ||||||
| 3 | 1 | 40.5165 | 181703 | 0.97386 | 36.496 | 0.9726 | 0.9725 | 0.078 | -0.16 |
| 2 | 40.5216 | 36.574 | 0.9717 | ||||||
| 3 | 40.5038 | 36.428 | 0.9732 | ||||||
| 4 | 1 | 60.0968 | 266769 | 0.97451 | 80.326 | 0.9724 | 0.9721 | 0.045 | -0.25 |
| 2 | 59.9554 | 79.964 | 0.9723 | ||||||
| 3 | 59.8684 | 79.842 | 0.9716 | ||||||
| 5 | 1 | 97.9393 | 435639 | 0.97501 | 213.79 | 0.9714 | 0.97183 | 0.069 | -0.33 |
| 2 | 97.9552 | 213.82 | 0.9715 | ||||||
| 3 | 98.034 | 213.68 | 0.9726 | ||||||
表2 DN100水试验数据
| 试验点 | 试验 次数 | 流量 t/h | 定值喷嘴 | ||||||
雷诺数 ReD
| 计算流 出系数 Co | 差压 ΔPkPa | 实际流出系数 Ci | 平均流出系数 Ccp | 重复性 Er％ | 偏差 E％ | |||
| 1 | 1 | 18.585 | 67560 | 0.9697 | 3.1726 | 0.9685 | 0.9687 | 0.018 | -0.108 |
| 2 | 18.591 | 3.1755 | 0.9688 | ||||||
| 3 | 18.602 | 3.1767 | 0.9688 | ||||||
| 2 | 1 | 25.307 | 89577 | 0.9715 | 5.8564 | 0.9707 | 0.9709 | 0.048 | -0.073 |
| 2 | 25.350 | 5.8672 | 0.9715 | ||||||
| 3 | 25.272 | 5.840 | 0.9707 | ||||||
| 3 | 1 | 51.324 | 181703 | 0.9738 | 24.028 | 0.9719 | 0.9717 | 0.051 | -0.228 |
| 2 | 51.301 | 24.001 | 0.972 | ||||||
| 3 | 51.366 | 24.111 | 0.9711 | ||||||
| 4 | 1 | 81.449 | 266769 | 0.9745 | 60.337 | 0.9733 | 0.9735 | 0.049 | -0.116 |
| 2 | 81.484 | 60.308 | 0.974 | ||||||
| 3 | 81.476 | 60.409 | 0.9731 | ||||||
| 5 | 1 | 119.30 | 435639 | 0.9750 | 129.65 | 0.9726 | 0.9724 | 0.029 | -0.262 |
| 2 | 119.27 | 129.57 | 0.9726 | ||||||
| 3 | 119.22 | 129.59 | 0.9721 | ||||||
表3 DN80天然气试验数据
试验点 | 试验 次数 | 流量 Kg/s | 定值喷嘴 | ||||||
雷诺数ReD ×105 | 计算流 出系数 Co | 差压 ΔPkPa | 实际流出系数 Ci | 平均流出系数 Ccp | 重复性 Er％ | 偏差 E％ | |||
1 | 1 | 0.2564 | 3.706 | 0.9749 | 1.567 | 0.9725 | 0.9724 | 0.014 | -0.264 |
2 | 0.2563 | 1.566 | 0.9724 | ||||||
3 | 0.2562 | 1.565 | 0.9722 | ||||||
2 | 1 | 0.4483 | 6.49 | 0.9753 | 4.771 | 0.9706 | 0.9707 | 0.007 | -0.478 |
2 | 0.4484 | 4.771 | 0.9707 | ||||||
3 | 0.4485 | 4.772 | 0.9706 | ||||||
3 | 1 | 0.9657 | 13.992 | 0.9756 | 21.716 | 0.97075 | 0.97078 | 0.0125 | -0.441 |
2 | 0.9659 | 21.727 | 0.97067 | ||||||
3 | 0.9661 | 21.711 | 0.97091 | ||||||
4 | 1 | 1.5486 | 22.479 | 0.9756 | 56.524 | 0.9720 | 0.9719 | 0.0124 | -0.383 |
2 | 1.549 | 56.54 | 0.97194 | ||||||
3 | 1.5496 | 56.581 | 0.97176 | ||||||
5 | 1 | 1.7652 | 25.668 | 0.97565 | 76416 | 0.9727 | 0.97267 | 0.0057 | -0.305 |
2 | 1.7643 | 76377 | 0.9727 | ||||||
3 | 1.7643 | 76386 | 0.9726 | ||||||
表4 DN100天然气试验数据
| 试验点 | 试验 次数 | 流量 Kg/s | 定值喷嘴 | ||||||
雷诺数 ReD ×105 | 计算流 出系数 Co | 差压 ΔP kPa | 实际流出系数 Ci | 平均流出系数 Ccp | 重复性 Er％ | 偏差 E ％ | |||
| 1 | 1 | 0.4841 | 5.660 | 0.9752 | 2.229 | 0.9744 | 0.9743 | 0.007 | -0.081 |
| 2 | 0.4840 | 2.228 | 0.9744 | ||||||
| 3 | 0.4839 | 2.228 | 0.9742 | ||||||
| 2 | 1 | 0.8004 | 9.359 | 0.9755 | 6.141 | 0.9732 | 0.9733 | 0.015 | -0.21 |
| 2 | 0.8005 | 6.139 | 0.9734 | ||||||
| 3 | 0.8005 | 6.139 | 0.9734 | ||||||
| 3 | 1 | 1.3177 | 15.387 | 0.9756 | 16.558 | 0.9717 | 0.9719 | 0.028 | -0.36 |
| 2 | 1.3194 | 16.564 | 0.9719 | ||||||
| 3 | 1.3204 | 16.564 | 0.9722 | ||||||
| 4 | 1 | 2.0308 | 23.7 | 0.9756 | 38.182 | 0.9737 | 0.9740 | 0.041 | -0.16 |
| 2 | 2.0308 | 38.122 | 0.9745 | ||||||
| 3 | 2.0295 | 38.147 | 0.9738 | ||||||
| 5 | 1 | 2.7229 | 31.776 | 0.9757 | 69.262 | 0.9752 | 0.975 | 0.021 | .0624 |
| 2 | 2.7237 | 69.333 | 0.9749 | ||||||
| 3 | 2.7176 | 69.207 | 0.9749 | ||||||
3.4 数据回归
（1）DN80定值喷嘴水试验平均流出系数回归
C= 0.973043-0.000195(106/ReD)1.15
不确定度为 ：U(C)=0.084％
（2）DN100定值喷嘴水试验平均流出系数回归
C= 0.97356-0.000202(106/ReD)1.15
不确定度为 ：U(C)=0.092％
（3）DN80定值喷嘴天然气试验平均流出系数回归
C= 0.971602+0.000069(106/ReD)1.15
不确定度为 ：U(C)=0.124％
（4）DN100定值喷嘴天然气试验平均流出系数回归
C= 0.973658+0.000045(106/ReD)1.15
不确定度为 ：U(C)=0.161％
由于水系统精度为0.05级，其不确定度为 ：U(q)=0.05％
天然气系统精度为0.25级，其不确定度为 ：U(q)=0.25％
差压变送器精度为0.075％，试验中采用双差变，每个的测量范围都小于10:1，不确定度zui大为：U(ΔP) =2/3×ξΔP×10=2/3×0.075×10=0.5％
考虑到这些因素，可以计算流出系数的合成不确定度。
对DN80的定值喷嘴水试验 ：Uc(C)=(0.0842+0.052+0.25×0.52)0.5=0.268％
对DN100的定值喷嘴水试验 ：Uc(C)=(0.0922+0.052+0.25×0.52)0.5=0.271％
对DN80的定值喷嘴天然气试验 ：Uc(C)=(0.1242+0.252+0.25×0.52)0.5=0.374％
对DN100的定值喷嘴天然气试验 ：Uc(C)=(0.1612+0.252+0.25×0.52)0.5=0.388％
（5）用水试验的回归曲线替代天然气回归曲线测量天然气流量，其偏差见表5，表6
表5 DN80
| ReD(×105) | 实际流出系数CCi | 计算流出系数Cji | ui=(CCi-CJi)/CCi (％) |
1 | 3.706 | 0.9724 | 0.97249 | -0.01 |
2 | 6.49 | 0.9707 | 0.97281 | -0.217 |
3 | 13.992 | 0.9708 | 0.97301 | -0.227 |
4 | 22.479 | 0.9719 | 0.97305 | -0.118 |
5 | 25.668 | 0.97267 | 0.97309 | -0.045 |
表6 DN100
| ReD(×105) | 实际流出系数CCi | 计算流出系数Cji | ui=(CCi-CJi)/CCi (％) |
1 | 5.660 | 0.9745 | 0.97314 | 0.14 |
2 | 9.359 | 0.9735 | 0.97336 | 0.02 |
3 | 15.387 | 0.9721 | 0.97344 | -0.14 |
4 | 23.7 | 0.9741 | 0.97344 | 0.067 |
5 | 31.776 | 0.9751 | 0.9735 | 0.164 |
不确定度为：
对DN80定值喷嘴
％
对DN100定值喷嘴
％
考虑到差压变送器及检定系统的精度，流出系数的合成不确定度为：
对DN80的定值喷嘴测量天然气 ： Uc(C)=(0.342+0.252+0.25×0.52)0.5=0.49％
对DN100的定值喷嘴测量天然气 ：Uc(C)=(0.272+0.252+0.25×0.52)0.5=0.45％
3.5 结果分析
（1）从表3，表4可看出，其流出系数与按标准计算的流出系数偏差，zui大为0.48％，说明按标准制造的定值喷嘴用于测量天然气流量时无需实流标定，即可测量流量及确定流量测量不确定度；
（2）如果需要更高的测量准确度，可以在天然气系统实流标定，对标定数据进行回归，流出系数不确定度在0.4％以内。
（3）本次天然气实流标定仅对DN80、DN100两种口径喷嘴流量计，该表在水系统标定数据的回归方程，用于计算天然气流量，其流出系数不确定度可控制在0.5％以内，说明喷嘴流量计在水系统标定，对试验数据回归后，用于天然气流量测量，流出系数不确定度优于0.8％（GB/T2624-2006)。下一步的工作是：在不同压力，不同口径，不同直径比条件下试验，用更多的试验数据作进一步的验证。
4 结束语
多年来，许多流量测量专家在不同场合呼吁在天然气流量测量中应用标准喷嘴流量计，西安三联测控也一直响应该项举动，但由于天然气的特殊性，直到目前喷嘴流量计几乎没有用于天然气流量测量中。《用标准喷嘴流量计测量天然气流量》标准的制定，必将改变这一现状。我国天然气流量测量仪表数量大，检定系统远满足不了仪表检定的要求，标准喷嘴耐磨损、性能稳定、检定周期长的优势将使这一矛盾得到缓解。验证试验说明了无需实流标定，标准喷嘴流量计就可以测量流量，并保证一定的测量不确定度。验证试验还提供了一种可能性，即在水系统进行标定，对标定数据回归，用于天然气流量测量可获得高的测量准确度；其不仅适用于GB/T18603规定的B级和C级系统，也适用于*系统。另外，由于喷嘴流量计具有压力损失小，结构简单、牢固，且采购、维护与校验成本低等优势，进一步说明制定《用标准喷嘴流量计测量天然气流量》国家标准的必要性。
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