郭婧

國家管網集團北京管道公司

2024年國家石油天然氣大流量計量站北京分站（簡稱北京分站）取得國家市場監督管理總局頒發的社會公用計量標準證書，標志著次級計量標準裝置成功獲得授權，可面向全國開展檢定及校準業務，計量標準水平進一步提升。

1  臨界流文丘里噴嘴原理

臨界流文丘里噴嘴法氣體流量標準裝置作為流量計量標準，由于其計量性能穩定、可靠，一般用于天然氣流量計量的傳遞標準，向上溯源至原級計量標準，向下傳遞至工作級計量標準，起著承上啟下的作用。

裝置的核心部件臨界流文丘里噴嘴，是一個入口孔徑逐漸減小到喉部，經過喉部又逐漸擴大的用于測量氣體流量的測量管。孔徑最小的部分稱為噴嘴的喉部，在喉部的后面有孔徑逐漸擴大的流道。噴嘴可隨著其下游擴大管長度的不同得到不同的臨界壓力比，當上游滯止壓力 P0 保持不變，逐漸減小噴嘴出口壓力 P2 ，即減小背壓力比（P2 / P0），通過噴嘴的氣體流量不斷增加。當達到臨界壓力比時，氣體在喉部達到臨界速度即等于當地音速，噴嘴臨界流文丘里噴嘴的氣體質量流量達到最大。進一步降低背壓比，流量保持不變。此時馬赫數為1，流量只與上游壓力有關（與下游壓力無關），流出系數只與雷諾數有關。

2  臨界流文丘里噴嘴標準裝置概述

臨界流文丘里噴嘴標準裝置的設計工作壓力最大為10 MPa，工作條件下體積流量范圍為8 m³/h～  2704 m³/h，由11路并聯安裝的臨界流文丘里噴嘴、壓力變送器、溫度變送器、色譜分析儀等組成。11支噴嘴在出廠之前經過德國PTB進行了幾何檢定，其結果均符合ISO 9300加工的要求，喉徑范圍為3.5008 mm～25.9732 mm（表 1）。

表 1 噴嘴技術參數

3  建標測試

穩定性實驗。選取DN80和DN250的渦輪流量計，選用音速噴嘴法氣體流量標準裝置進行測試。分別在4 MPa、6 MPa情況下對32 m³/h、760 m³/h、1448 m³/h進行實驗，結果表明裝置的穩定性均≤0.22%（圖 1）。

圖 1 穩定性實驗結果

測量審核結果。為了驗證裝置的校準能力，選用一臺Elster型號為SM-RI-X G650的DN150渦輪流量計作為傳遞標準，在本音速噴嘴裝置及中國計量科學研究院的環道式氣體流量標準裝置上進行測量審核，滿意度按式（1）計算：

式中：y0為中國計量科學研究院裝置測量得到的參考值；y為本裝置測量得到的參考值；U0為中國計量科學研究院參考值的測量不確定度（k=2）；U為本裝置參考值的測量不確定度（k=2）。

從測量審核結果可以看出（表 2），En值均在1以內，結果為滿意。但在200 m³/h和1000 m³/h兩個流量點處，En值為0.82和0.83，已在臨界狀態，應檢查裝置技術能力，采取預防措施。

表 2 測量審核結果

建標存在的問題及相應對策。在測試過程中，由于氣源從陜京線氣源切換至中俄東線氣源，導致天然氣氣體組分變化較大，含氮量較多，氣體分子量變大。在音速噴嘴作標準，渦輪作被檢表的情況下，氣體組分變化導致測量誤差較大，測試中斷。為排除工況對計算結果的影響，采取閥門注脂，以排除上下游閥門漏氣的影響；清洗噴嘴，以排除噴嘴內壁附著物的影響；核查檢定系統算法，以判斷其對結果的影響。嘗試這三種排查方法均無果，可排除硬件條件對測試結果的影響。在實際測試過程中，唯一可能導致計算結果有較大偏差的是氣質組分變化。故認為在天然氣實流檢定中，組分變化對噴嘴的計算結果有直接影響。

4  啟示

臨界流文丘里噴嘴法標準裝置作為傳遞標準，在我國天然氣量值溯源傳遞鏈中起著重要的作用。由于臨界流文丘里噴嘴原理以質量流量為基礎，在換算成體積流量過程中，流體的密度對結果有很大影響，且天然氣組分與密度有著直接聯系，故最終判斷天然氣組分對裝置影響較大，有待進一步研究驗證。

作者簡介：郭婧，1995年生，碩士研究生，工程師，二級工程師，主要從事天然氣計量管理工作。聯系方式：15958004703，guojing03@pipechina.com.cn。