郭婧

国家管网集团北京管道公司

2024年国家石油天然气大流量计量站北京分站（简称北京分站）取得国家市场监督管理总局颁发的社会公用计量标准证书，标志着次级计量标准装置成功获得授权，可面向全国开展检定及校准业务，计量标准水平进一步提升。

1  临界流文丘里喷嘴原理

临界流文丘里喷嘴法气体流量标准装置作为流量计量标准，由于其计量性能稳定、可靠，一般用于天然气流量计量的传递标准，向上溯源至原级计量标准，向下传递至工作级计量标准，起着承上启下的作用。

装置的核心部件临界流文丘里喷嘴，是一个入口孔径逐渐减小到喉部，经过喉部又逐渐扩大的用于测量气体流量的测量管。孔径最小的部分称为喷嘴的喉部，在喉部的后面有孔径逐渐扩大的流道。喷嘴可随着其下游扩大管长度的不同得到不同的临界压力比，当上游滞止压力 P0 保持不变，逐渐减小喷嘴出口压力 P2 ，即减小背压力比（P2 / P0），通过喷嘴的气体流量不断增加。当达到临界压力比时，气体在喉部达到临界速度即等于当地音速，喷嘴临界流文丘里喷嘴的气体质量流量达到最大。进一步降低背压比，流量保持不变。此时马赫数为1，流量只与上游压力有关（与下游压力无关），流出系数只与雷诺数有关。

2  临界流文丘里喷嘴标准装置概述

临界流文丘里喷嘴标准装置的设计工作压力最大为10 MPa，工作条件下体积流量范围为8 m³/h～  2704 m³/h，由11路并联安装的临界流文丘里喷嘴、压力变送器、温度变送器、色谱分析仪等组成。11支喷嘴在出厂之前经过德国PTB进行了几何检定，其结果均符合ISO 9300加工的要求，喉径范围为3.5008 mm～25.9732 mm（表 1）。

表 1 喷嘴技术参数

3  建标测试

稳定性实验。选取DN80和DN250的涡轮流量计，选用音速喷嘴法气体流量标准装置进行测试。分别在4 MPa、6 MPa情况下对32 m³/h、760 m³/h、1448 m³/h进行实验，结果表明装置的稳定性均≤0.22%（图 1）。

图 1 稳定性实验结果

测量审核结果。为了验证装置的校准能力，选用一台Elster型号为SM-RI-X G650的DN150涡轮流量计作为传递标准，在本音速喷嘴装置及中国计量科学研究院的环道式气体流量标准装置上进行测量审核，满意度按式（1）计算：

式中：y0为中国计量科学研究院装置测量得到的参考值；y为本装置测量得到的参考值；U0为中国计量科学研究院参考值的测量不确定度（k=2）；U为本装置参考值的测量不确定度（k=2）。

从测量审核结果可以看出（表 2），En值均在1以内，结果为满意。但在200 m³/h和1000 m³/h两个流量点处，En值为0.82和0.83，已在临界状态，应检查装置技术能力，采取预防措施。

表 2 测量审核结果

建标存在的问题及相应对策。在测试过程中，由于气源从陕京线气源切换至中俄东线气源，导致天然气气体组分变化较大，含氮量较多，气体分子量变大。在音速喷嘴作标准，涡轮作被检表的情况下，气体组分变化导致测量误差较大，测试中断。为排除工况对计算结果的影响，采取阀门注脂，以排除上下游阀门漏气的影响；清洗喷嘴，以排除喷嘴内壁附着物的影响；核查检定系统算法，以判断其对结果的影响。尝试这三种排查方法均无果，可排除硬件条件对测试结果的影响。在实际测试过程中，唯一可能导致计算结果有较大偏差的是气质组分变化。故认为在天然气实流检定中，组分变化对喷嘴的计算结果有直接影响。

4  启示

临界流文丘里喷嘴法标准装置作为传递标准，在我国天然气量值溯源传递链中起着重要的作用。由于临界流文丘里喷嘴原理以质量流量为基础，在换算成体积流量过程中，流体的密度对结果有很大影响，且天然气组分与密度有着直接联系，故最终判断天然气组分对装置影响较大，有待进一步研究验证。

作者简介：郭婧，1995年生，硕士研究生，工程师，二级工程师，主要从事天然气计量管理工作。联系方式：15958004703，guojing03@pipechina.com.cn。