天然氣作爲(wei)一種高(gao)效(xiao)清潔(jie)能源(yuan)，其(qi)需(xu)求量(liang)随着(zhe)全(quan)球低碳經濟的發展呈(cheng)現快速增(zeng)長趨(qu)勢，預(yu)計 2020 年國内(nei)天然氣需(xu)求量将達(da) 3 000×108m3。進口渦輪(lun)流量計一(yi)直占(zhan)據着(zhe)高壓管道(dao)貿易計量市場(chang)，而國(guo)産渦(wo)輪流(liu)量計通常(chang)應用于低(di)壓(ya)管道，用(yong)戶主要爲(wei)城市燃氣的工(gong)業用(yong)戶。
　　随(sui)着工(gong)業過程控(kong)制自動化(hua)的實(shi)施(shi)及(ji)輸氣(qi)管道(dao)的大量建(jian)設，對(dui)貿易(yi)計量(liang)所需(xu)的渦輪流(liu)量計(ji)和具(ju)有強(qiang)大功能的(de)流量(liang)計算(suan)機的需求(qiu)量也(ye)不斷增大(da)，因此，擁有(you)自主知識(shi)産權(quan)且滿(man)足工業(ye)性應用(yong)要求(qiu)的(de)高精度(du)高壓(ya)渦輪(lun)流量(liang)計與(yu)流量(liang)計算(suan)機，對(dui)實現(xian)管道設備的國産化(hua)，打破國外(wai)技術壟斷，保障管道(dao)安全(quan)、經(jing)濟(ji)、高效運行(hang)，具有(you)十分(fen)重要的意(yi)義。爲了評價國産化(hua)流量(liang)計在(zai)實際運行(hang)過程(cheng)中的(de)精度、可重(zhong)複性(xing)、穩定(ding)性及(ji)安全(quan)性等指标，爲後續新(xin)建(jian)管道的(de)推廣應用(yong)及流量計(ji)的(de)制(zhi)造、改(gai)進提供依據，對(dui) 4 台國(guo)産氣(qi)體高(gao)壓渦輪流(liu)量計(ji)和FC 型流量計算(suan)機進行了(le)現場(chang)工業(ye)性(xing)。
1　TBQM 型高壓(ya)氣體渦輪(lun)流量計
1.1　工(gong)作(zuo)原(yuan)理
　　高(gao)壓氣體渦(wo)輪流(liu)量計是(shi)一(yi)種帶(dai)機械計(ji)數器并(bing)用于精确(que)測量(liang)氣體(ti)流量(liang)的流量計(ji)，其(qi)工(gong)作原(yuan)理：當(dang)高壓(ya)氣流進入流(liu)量計時(shi)，首先經(jing)過(guo)整流器整(zheng)流(liu)并加速(su)，在流(liu)體的作用(yong)下，渦(wo)輪克服阻(zu)力矩開(kai)始(shi)轉動(dong)；當力矩達到平(ping)衡時，渦輪轉速(su)穩定(ding)，此時其轉(zhuan)速與氣體(ti)工況(kuang)流量(liang)成正比，并(bing)通過齒輪(lun)減速(su)傳動(dong)；磁耦合聯(lian)接驅(qu)動字(zi)輪計(ji)數器(qi)轉動(dong)，直接(jie)累積氣體的工(gong)況體積總(zong)量。因(yin)爲通(tong)過渦(wo)輪的流量與(yu)渦(wo)輪轉(zhuan)速成正比(bi)，所以(yi)高頻(pin)信号脈沖(chong)輸出頻率(lü)與渦(wo)輪轉速存在以(yi)下關系(xi)[7]：
f=nZ （1）
式(shi)中：f 爲(wei)脈沖(chong)頻率(lü)，Hz；n 爲渦(wo)輪轉速(su)，r/s；Z 爲(wei)渦輪(lun)
葉片(pian)數(shu)。
　　爲了使(shi)高壓(ya)渦輪(lun)流量計在(zai)一定的流(liu)量範圍内(nei)正常工作(zuo)，其(qi)儀表系(xi)數K 應(ying)爲常(chang)數，但實際(ji)上儀表系(xi)數K與體積(ji)流量(liang)q 成一定的(de)函數(shu)關系，即：
q=f/K （2）
将(jiang)式（1）代(dai)入式(shi)（2），可得：
K=nZ/q （3）
　　式中(zhong)：K 爲儀表系(xi)數，爲工況(kuang)條件下每(mei)立方(fang)米天然氣(qi)通過(guo)流量(liang)傳感(gan)器時(shi)輸出(chu)的脈(mo)沖數(shu)，1/m3；q 爲工況體(ti)積流量，m3/s。
綜上所(suo)述，儀(yi)表(biao)系(xi)數K 除(chu)與渦輪導(dao)程、葉(ye)片數、葉片(pian)寬度(du)、螺旋(xuan)升角(jiao)、流量計流體通道等(deng)結構因(yin)素(su)有關外，還(hai)與介質流(liu)體黏性、軸(zhou)承本(ben)身阻尼、軸承潤(run)滑油黏(nian)度(du)等有(you)關，若以上(shang)其中(zhong)一種(zhong)或幾(ji)種相關因素發(fa)生改(gai)變，則儀表(biao)系數(shu)K 也會相(xiang)應改變(bian)，因此流(liu)量(liang)計應(ying)通過(guo)線(xian)性檢定(ding)等方式進(jin)行最(zui)終設(she)計确認。
1.2　性(xing)能測試(shi)
　　以(yi) EN 12261-2002《Gas meters - Turbine gasmeters》[8]和 OIML R137-1-2006《氣(qi)體流(liu)量(liang)計(ji)》作爲(wei)流量計(ji)産(chan)品的(de)研制(zhi)依據(ju)，并嚴(yan)格按照(zhao)标(biao)準進(jin)行性(xing)能(neng)測試，主(zhu)要包括：耐(nai)久性(xing)、彎矩與扭矩、短(duan)時過載、擾(rao)動以及高(gao)低(di)溫性能(neng)測試等。
1.2.1　耐久性(xing)測試(shi)
　　渦(wo)輪(lun)流量(liang)計進(jin)行(hang)耐(nai)久性(xing)測試(shi)的目的在(zai)于确認(ren)流量計在指(zhi)定條(tiao)件下(xia)的計(ji)量(liang)性(xing)能是否符合分(fen)段要(yao)求[9]，即(ji)：

　　式中(zhong)：δ爲計(ji)量相(xiang)對誤差；Qmax爲(wei)工況最大(da)流量，m3/h；Qmin爲工況最(zui)小流(liu)量，m3/h；Qt爲分界(jie)流量(liang)點，其(qi)值等(deng)于 20％Qmax，m3/h。
　　确(que)認各種(zhong)安(an)裝位置是(shi)否影響測(ce)試樣機的(de)計量(liang)性能(neng)，安裝位置(zhi)可分爲水平方向、垂直(zhi)向上與(yu)垂直(zhi)向(xiang)下(xia)。在不(bu)同安(an)裝(zhuang)位(wei)置情(qing)況下，樣機在耐(nai)久性測試(shi)前後(hou)指示誤差(cha)的變(bian)化量(liang)不(bu)得超過(guo)式（4）要求值(zhi)的 1/3。
以(yi) DN80-G100 樣機(ji)爲例(li)，進行(hang)耐久性測(ce)試說(shuo)明。首先将(jiang) 3 台樣(yang)機分别安(an)裝在(zai)同一管道(dao)的不(bu)同位(wei)置，管(guan)道内 0.8 MPa 壓縮(suo)氣體以樣(yang)機最大流量進(jin)行循(xun)環(huan)運行，以(yi)每 1 000 h 爲(wei)運(yun)行(hang)單位，将樣(yang)機拆卸并(bing)在标準氣體流(liu)量裝(zhuang)置上進行(hang)相應(ying)性能(neng)測試，得到(dao) 7 000 h 運行測試(shi)數據（圖 1）。

　　結果表(biao)明：該測試(shi)樣機滿足(zu)耐久性測(ce)試(shi)要(yao)求，指(zhi)示誤差(cha)的(de)變化(hua)量未超過(guo)最大(da)允許誤差的 1/3；軸承經過長(zhang)時間(jian)運行磨合(he)更趨(qu)于穩(wen)定，長期運(yun)行後非線性段更趨于理(li)想特(te)性曲線。
1.2.2　彎(wan)扭矩測試(shi)
　　對(dui)于高壓(ya)渦輪流量計，應(ying)該詳細說明流(liu)量計(ji)所需的彎曲與扭力力矩(ju)的保護(hu)水(shui)平[2]。該(gai)數據(ju)可(ke)以通過(guo)直接(jie)獲得（圖 2，其(qi)中直管段 1 連接(jie)氣體流(liu)量标準(zhun)裝置(zhi)，圖 2a 中(zhong)在直(zhi)管段(duan) 2 預(yu)先(xian)确定(ding)的力(li)臂L 位(wei)置附(fu)加垂(chui)直(zhi)方(fang)向的(de)力F 而(er)形(xing)成彎矩(ju)M；圖 2b 中在直(zhi)管段(duan) 2 側面(mian)預先确定(ding)的力臂(bi)L 位(wei)置附(fu)加垂(chui)直方向的(de)力F 而形成(cheng)扭矩T，而彎(wan)矩與扭矩(ju)均是作用于流量計(ji)入口與出(chu)口法(fa)蘭(lan)處(chu)）。由于(yu)該項測試主要(yao)是針(zhen)對(dui)流量計(ji)強度(du)的校核，爲(wei)了使(shi)測(ce)試結果更具(ju)說服力，并(bing)且提高其可靠性，将(jiang)鋁(lü)合金殼(ke)體的中低(di)壓渦(wo)輪流量計(ji) DN80-G100 用于(yu)此次(ci)測(ce)試。測試過程(cheng)中按(an)照 EN 12261-2002 表(biao) 10中要求(qiu)施(shi)加 1 倍(bei)、2 倍直至(zhi) 4 倍(bei)（即力(li)矩爲 3 040 N·m）的砝(fa)碼F，未(wei)發現(xian)流量(liang)計殼(ke)體有任何異常(chang)變化(hua)。施(shi)加(jia)砝碼(ma)F 時及(ji)卸下(xia)砝碼(ma)之後得到的指(zhi)示誤差與施加砝碼F 之前的指(zhi)示誤差(cha)無明顯(xian)變化(hua)，實際(ji)變化(hua)量均(jun)在(zai)最大允(yun)許誤(wu)差的 1/3 以内(nei)。

1.2.3　常(chang)壓與高(gao)壓對(dui)比
　　爲了确認高(gao)壓(ya)渦輪流(liu)量計(ji)在高(gao)壓氣(qi)體介(jie)質中(zhong)計量(liang)性能(neng)是否(fou)滿足工業(ye)貿易計量(liang)要求(qiu)，将多(duo)台 DN80-G160樣(yang)機發往國(guo)家石(shi)油天(tian)然(ran)氣(qi)大流(liu)量計(ji)量站南京(jing)分站進(jin)行(hang) 6 MPa 實流(liu)檢定。使(shi)用(yong)小流(liu)量标準(zhun)裝(zhuang)置對(dui)編号(hao)爲131228041 的 DN80 渦輪(lun)流量計進(jin)行了(le)檢定（圖(tu) 3）。流(liu)量計(ji)的儀表(biao)系(xi)數K 的(de)計算(suan)公式(shi)[10]：

　　式中(zhong)（Ki）max、（Ki）min分别爲(wei)流(liu)量計在qt～qmax流(liu)量範圍各(ge)流量檢定點得(de)到的(de)Ki中(zhong)的最大(da)值和(he)最小(xiao)值。

2 FC 型流量計算(suan)機
　　流量計算機是一(yi)種可對多(duo)個流量(liang)測(ce)量點(dian)集中進行數據(ju)采集、精(jing)度高補(bu)償運算、數(shu)據顯(xian)示存儲(chu)及運用(yong)網絡(luo)實(shi)現通信(xin)功能的新一代以工業微型計(ji)算機爲(wei)内核的(de)計量(liang)儀表。與體(ti)積修正(zheng)儀相比(bi)，其數(shu)據(ju)采集頻(pin)率高，運算(suan)速度(du)快且(qie)準确(que)，可以(yi)同時對多台流(liu)量計(ji)進行溫度(du)壓力修正(zheng)和計(ji)量，廣(guang)泛應用于(yu)石油(you)、化工(gong)、冶金、電力(li)、城市燃氣(qi)及供熱等(deng)行業(ye)的重(zhong)要(yao)貿易計(ji)量場合和(he)工廠計量管理網絡(luo)。
　　FC 型流量(liang)計(ji)算機最多(duo)可以連接(jie) 4 路流量計(ji)，可以(yi)與渦(wo)輪(lun)流量計(ji)、腰輪流(liu)量(liang)計、孔(kong)闆流量計(ji)等配(pei)套使用。當(dang)流量輸入(ru)爲脈(mo)沖信(xin)号時(shi)，其體(ti)積流(liu)量爲：
Qv=3 600 f/K 　　　　（6）
式中(zhong)：Qv爲未(wei)經修正(zheng)的體積流量，m3/h。
當連接孔(kong)闆流量計(ji)時，體(ti)積流(liu)量爲[11]：

　　式中(zhong)：qv爲工作狀(zhuang)态下體積流(liu)量，m3/h；d 爲工(gong)作條件(jian)下(xia)孔闆(pan)開孔(kong)直徑，mm；C 爲流(liu)出系數，對(dui)于孔(kong)闆，按(an)标(biao)準計算(suan)；? 爲可膨脹(zhang)系數；? 爲節流件等效(xiao)直徑(jing)比；Δp爲介質(zhi)流經(jing)孔闆時産(chan)生的壓(ya)差，kPa；?1爲介(jie)質在(zai)工作(zuo)狀态(tai)下的(de)密度(du)，kg/m3。
此外(wai)，FC 型流(liu)量(liang)計(ji)算機(ji)還具(ju)有能(neng)量計(ji)量功(gong)能，可(ke)以直(zhi)接通過配置的(de) RS485 通信接口接收(shou)氣相色(se)譜儀的組分分析結果(guo)，也可(ke)以(yi)在(zai)流量(liang)計算(suan)機(ji)手動輸(shu)入天(tian)然氣(qi)組分數據後，計(ji)算發(fa)熱量，再根(gen)據所(suo)計量的(de)标準體(ti)積量(liang)計算(suan)天然氣能量[12]：
E=∑VnHs　　　　（8）
　　式中：E 爲(wei)天然氣的(de)能量(liang)，kW·h；Vn爲天(tian)然(ran)氣基準(zhun)狀态(tai)下(xia)的(de)體積(ji)，m3；Hs爲天(tian)然(ran)氣基準(zhun)狀态(tai)下的(de)單位(wei)發熱(re)量(liang)，MJ/m3。
FC 型(xing)流量(liang)計算(suan)機内(nei)置多種壓(ya)縮因(yin)子計(ji)算模(mo)型，且(qie)含有多種通信(xin)接口(kou)，可以(yi)使用 RS485 接口(kou)與上位機或色(se)譜儀通信(xin)，也可(ke)以通過 RJ45 接口使(shi)用 Modbus/TCP通信協(xie)議與上位(wei)機通(tong)信。
　　爲(wei)了滿(man)足流量計(ji)算機對多通道(dao)數據快速(su)處理(li)的要(yao)求，同時，考(kao)慮到(dao)流量計算(suan)機硬(ying)件(jian)配置的(de)靈活性，FC型(xing)流量計算機采(cai)用模(mo)塊化的結構設(she)計方(fang)案，數據采(cai)集模塊(kuai)采用可插拔(ba)的(de)闆卡形(xing)式，每(mei)張闆(pan)卡均(jun)配有單獨(du)的微(wei)處理器，由(you)該處理器(qi)負責(ze)接收(shou)處理輸(shu)入到該(gai)數據(ju)采(cai)集(ji)模塊(kuai)的與(yu)流(liu)量、溫度和壓力(li)相(xiang)關的(de)電信号，同時，數據采集模(mo)塊可(ke)以根據(ju)輸入信(xin)号的(de)不同(tong)進行(hang)相應(ying)的配(pei)置（圖(tu) 4）。

4　結論(lun)
　　通(tong)過超過(guo)半年的(de)現場工(gong)業性，高壓渦輪(lun)氣體(ti)流(liu)量(liang)計和(he)配套(tao)流量計算(suan)機精度(du)符合設計要求(qiu)，具有較(jiao)高的(de)可(ke)靠(kao)性，各項指(zhi)标(biao)和技術(shu)性能(neng)完(wan)全(quan)滿足(zu)工業貿易計量(liang)的要求，打(da)破了國外高壓長輸(shu)管道領域(yu)的技(ji)術壟(long)斷(duan)，積累了(le)一定數據和經(jing)驗，爲(wei)今後高壓(ya)長輸管(guan)道長期(qi)運行(hang)奠(dian)定(ding)了堅(jian)實的(de)基礎。随着(zhe)我國(guo)工(gong)業計量(liang)事業(ye)和城市燃(ran)氣的發(fa)展(zhan)，以及(ji)能量(liang)計量(liang)的逐(zhu)步實(shi)施，國産化(hua)流量計具有很(hen)強的(de)市場競争(zheng)力和較大(da)的市場潛(qian)力，也(ye)爲天(tian)然氣的計(ji)量管(guan)理提供(gong)了(le)保障(zhang)。

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