天(tian)然氣作爲(wei)一種高效(xiao)清潔能源(yuan)，其需求量(liang)随着全球(qiu)✨低碳經濟(ji)的發展呈(cheng)現快速增(zeng)長趨勢，預(yu)計2020 年國内(nei)天然氣需(xu)求量将📐達(da) 3 000×108m3[1-4]。進口渦輪(lun)流量計一(yi)直占據着(zhe)高壓管道(dao)貿🚶‍♀️易計量(liang)市場，而國(guo)産 渦輪流(liu)量計 通常(chang)應用于低(di)壓管道，用(yong)戶主要爲(wei)城市燃氣(qi)的工業🙇🏻用(yong)🐆戶。
    随着工(gong)業過程控(kong)制自動化(hua)的實施及(ji)輸氣管道(dao)的大⛹🏻‍♀️量🛀建(jian)設，對✊貿易(yi)計量所需(xu)的渦輪流(liu)量計和具(ju)有☁️強大功(gong)能的流量(liang)計算機的(de)需求量也(ye)不斷增大(da)，因此，擁有(you)自主知識(shi)産權且滿(man)足工業性(xing)應用要求(qiu)的🈲精度好(hao)的高壓渦(wo)輪流量計(ji) 與流量計(ji)算機，對實(shi)現管道設(she)備的國産(chan)化，打破國(guo)外技🐅術壟(long)斷，保障管(guan)道安全、經(jing)濟、高效運(yun)行，具有十(shi)🔞分重要的(de)意義。爲了(le)評價👉國産(chan)化流量計(ji)在實際運(yun)行過程中(zhong)的準确度(du)、可重複性(xing)、穩定性及(ji)安全性等(deng)指标，爲後(hou)續新建管(guan)道的推廣(guang)應用及流(liu)量計的制(zhi)造、改進提(ti)供依據，對(dui) 4 台國産 氣(qi)體高壓渦(wo)輪流量計(ji)和FC 型流量(liang)計算機進(jin)行了現場(chang)工業性試(shi)驗。
1　高壓氣(qi)體渦輪流(liu)量計
1.1　工作(zuo)原理
    高壓(ya)氣體渦輪(lun)流量計 是(shi)一種帶機(ji)械計數器(qi)并用于準(zhun)确測量氣(qi)體流量的(de)📱流🏃‍♂️量計，其(qi)🌂工作原理(li)：當高壓氣(qi)流進入流(liu)量計時，首(shou)先經過整(zheng)流📞器整流(liu)并⭐加速，在(zai)流體的作(zuo)用下，渦輪(lun)克服阻力(li)矩👣開始轉(zhuan)動；當力🌐矩(ju)達到平衡(heng)時，渦輪轉(zhuan)速穩定，此(ci)時其轉速(su)與氣體工(gong)況流量🌈成(cheng)正比，并🧡通(tong)過齒輪減(jian)速傳動；磁(ci)耦🙇‍♀️合聯接(jie)驅動字輪(lun)計數器轉(zhuan)動，直接累(lei)積氣體的(de)工況體積(ji)總量。
因爲(wei)通過渦輪(lun)的流量與(yu)渦輪轉速(su)成正比，所(suo)以高頻信(xin)☔号脈沖輸(shu)出頻率與(yu)渦輪轉速(su)存在以下(xia)關系[7]：

   綜上(shang)所述，儀表(biao)系數K 除與(yu)渦輪導程(cheng)、葉片數、葉(ye)片寬㊙️度、螺(luo)旋升角、流(liu)量計流體(ti)通道等結(jie)構因素有(you)關外，還與(yu)介質流體(ti)黏性㊙️、軸承(cheng)本身阻尼(ni)、軸承潤滑(hua)油黏度等(deng)有關，若以(yi)上其中一(yi)種或🏃🏻幾種(zhong)相關因素(su)發生改變(bian)，則儀表系(xi)數K 也會相(xiang)應改變，因(yin)此流量計(ji)應通過線(xian)性檢定等(deng)試驗方式(shi)進行最終(zhong)設計确認(ren)。
1.2　性能測試(shi)
   以 EN 12261-2002《Gas meters - Turbine gasmeters》[8]和 OIML R137-1-2006《氣體(ti)流量計》作(zuo)爲流量計(ji)産品的研(yan)制依據，并(bing)嚴格按照(zhao)♌标🔴準進行(hang)性能測試(shi)，主要包括(kuo)：耐久性試(shi)驗、彎矩與(yu)扭矩試驗(yan)、短時過載(zai)試驗、擾動(dong)試驗以及(ji)高低溫性(xing)能測試等(deng)。
1.2.1　耐久性測(ce)試
渦輪流(liu)量計進行(hang)耐久性測(ce)試的目的(de)在于确認(ren)流✌️量計‼️在(zai)指定條件(jian)下的計量(liang)性能是否(fou)符合分段(duan)要求[9]，即🙇🏻：

   确(que)認各種安(an)裝位置是(shi)否影響測(ce)試樣機的(de)計量性🏃🏻能(neng)，安🌈裝位置(zhi)🔴可分爲水(shui)平方向、垂(chui)直向上與(yu)垂直向💞下(xia)。在不同安(an)裝位置情(qing)況🍓下，樣機(ji)在耐久性(xing)測試前後(hou)指示誤差(cha)的變化量(liang)不得超過(guo)式（4）要求值(zhi)的 1/3。
   以 DN80-G100 樣機(ji)爲例，進行(hang)耐久性測(ce)試說明。首(shou)先将 3 台樣(yang)機分别安(an)裝在同一(yi)管道的不(bu)同位置，管(guan)道内 0.8 MPa 壓縮(suo)氣體以樣(yang)機⚽最大流(liu)量進行循(xun)環運行，以(yi)每 1 000 h 爲運行(hang)單💘位，将樣(yang)機拆卸并(bing)在标準氣(qi)體流量裝(zhuang)置上進行(hang)相應性能(neng)測✉️試，得到(dao) 7 000 h 運⭐行測試(shi)數據（圖 1）。

   結(jie)果表明：該(gai)測試樣機(ji)滿足耐久(jiu)性測試要(yao)求，指示誤(wu)差的變⭐化(hua)量未超過(guo)最大允許(xu)誤差的 1/3；軸(zhou)承經過長(zhang)時間運行(hang)磨合更趨(qu)于🌈穩定，長(zhang)期運行後(hou)非線性段(duan)更趨于理(li)想特性曲(qu)線。
1.2.2　彎扭矩(ju)測試
   對于(yu)高壓渦輪(lun)流量計，應(ying)該詳細說(shuo)明流量計(ji)所需的彎(wan)曲🌏與☁️扭力(li)力矩的保(bao)護水平[2]。該(gai)數據可以(yi)通過試驗(yan)直接獲得(de)（圖 2，其中直(zhi)📞管段 1 連接(jie)氣體流量(liang)标準裝置(zhi)，圖 2a 中在直(zhi)管段 2 預先(xian)确定的力(li)臂L 位置附(fu)加垂直方(fang)向的力F 而(er)形成彎矩(ju)M；圖 2b 中✍️在直(zhi)管段 2 側面(mian)預先确定(ding)的力臂L 位(wei)置附加垂(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(yong)于流量計(ji)入口與出(chu)口法蘭處(chu)）。由于該項(xiang)測試主要(yao)是針對流(liu)量計強度(du)的校核，爲(wei)了使測試(shi)結果✂️更具(ju)說服力，并(bing)且提高其(qi)可靠性，将(jiang)鋁合金殼(ke)體的中低(di)壓渦輪流(liu)量計 DN80-G100 用于(yu)此次測試(shi)。測試過程(cheng)中按照 EN 12261-2002 表(biao) 10中要求施(shi)加 1 倍🔞、2 倍直(zhi)至 4 倍（即力(li)矩爲 3 040 N·m）的砝(fa)碼F，未發現(xian)流量計殼(ke)體有任何(he)異常變化(hua)♻️。施加砝碼(ma)F 時及卸下(xia)砝碼之後(hou)得到的指(zhi)示誤差與(yu)施加砝碼(ma)F 之前的指(zhi)示誤差🐆無(wu)明顯變化(hua)，實際變化(hua)量均在最(zui)大允許誤(wu)差的 1/3 以内(nei)。

1.2.3　常壓與高(gao)壓試驗對(dui)比
   爲了确(que)認高壓渦(wo)輪流量計(ji)在高壓氣(qi)體介質中(zhong)計🏃‍♀️量🔴性🧑🏾‍🤝‍🧑🏼能(neng)是否👌滿足(zu)工業貿易(yi)計量要求(qiu)，将多台 DN80-G160樣(yang)機♈發往國(guo)家石油💞天(tian)然氣大流(liu)量計量站(zhan)南京分站(zhan)進行 6 MPa 實流(liu)檢定。使用(yong)小流量标(biao)準裝置對(dui)編号爲131228041 的(de) DN80 渦輪流量(liang)計😄進行了(le)檢定（圖 3）。流(liu)量🛀計的儀(yi)表系數K 的(de)計算公式(shi)[10]


2 　FC 型流(liu)量計算機(ji)
   流量計算(suan)機是一種(zhong)可對多個(ge)流量測量(liang)點集中進(jin)㊙️行數👣據采(cai)集、精度高(gao)補償運算(suan)、數據顯示(shi)存儲及運(yun)🏃🏻‍♂️用網絡實(shi)現通信功(gong)能的♍新一(yi)代以工業(ye)微型計算(suan)機爲内核(he)的計量儀(yi)表。與體積(ji)🍓修正儀相(xiang)比，其數據(ju)采集頻率(lü)高，運算速(su)度快且準(zhun)确，可以同(tong)時對多台(tai)流量計進(jin)行溫度壓(ya)力修正和(he)計量，廣泛(fan)應用于石(shi)🔞油、化工、冶(ye)金、電力、城(cheng)市燃氣及(ji)供熱等行(hang)業的重要(yao)🏃🏻‍♂️貿易計量(liang)場合和工(gong)廠計量管(guan)理網絡。
   FC 型(xing)流量計算(suan)機最多可(ke)以連接 4 路(lu)流量計，可(ke)以與渦輪(lun)流量計🏃🏻、腰(yao)輪流量計(ji)、 孔闆流量(liang)計 等配套(tao)使用。當流(liu)量輸入爲(wei)脈沖信号(hao)時，其體積(ji)流量爲⛷️：

   此(ci)外，FC 型流量(liang)計算機還(hai)具有能量(liang)計量功能(neng)，可以直接(jie)通過配置(zhi)☁️的 RS485 通信接(jie)口接收氣(qi)相色譜儀(yi)的組分分(fen)析結果，也(ye)可以在🌐流(liu)量🈲計算機(ji)手動輸入(ru)天然氣📞組(zu)分數據後(hou)，計算發熱(re)量，再根‼️據(ju)所計量的(de)标準體積(ji)量計算天(tian)然氣能量(liang)[12]：

   FC 型流量計(ji)算機内置(zhi)多種壓縮(suo)因子計算(suan)模型，且含(han)有多種通(tong)信接口，可(ke)以使用 RS485 接(jie)口與上位(wei)機或色譜(pu)儀通信，也(ye)💋可以通過(guo) RJ45 接口🛀🏻使用(yong) Modbus/TCP通信協議(yi)與上位機(ji)通信。
   爲了(le)滿足流量(liang)計算機對(dui)多通道數(shu)據快速處(chu)理的要求(qiu)，同✨時🚶，考慮(lü)到流量計(ji)算機硬件(jian)配置的靈(ling)活性，FC型流(liu)量計算機(ji)采用模塊(kuai)化的結構(gou)設計方案(an)，數據🔞采集(ji)模塊采用(yong)可插拔的(de)闆卡形式(shi)，每張闆卡(ka)均配置有(you)單獨🤞數據(ju)采集模塊(kuai)可以根據(ju)輸入信号(hao)的不🌈同進(jin)行相應的(de)配置（圖 4）。的(de)微處理器(qi)，由該處理(li)器負責接(jie)收處理輸(shu)入到該數(shu)據采集模(mo)塊的與流(liu)量、溫度和(he)壓力相關(guan)的電信号(hao)，同時，數據(ju)采集模塊(kuai)可以根據(ju)輸入信号(hao)的不同進(jin)行相應的(de)配置👄（圖 4）。

3　現場工業(ye)性試驗
   對(dui) 4 台高壓氣(qi)體渦輪流(liu)量計及流(liu)量計算機(ji)進行現👌場(chang)💛工業性試(shi)驗，試驗場(chang)地爲鎮江(jiang)分輸站（DN80）、滁(chu)州分輸站(zhan)（DN80）、青🐆山分輸(shu)清☎️管站（DN50），站(zhan)場設計壓(ya)力均爲 10 MPa。以(yi)滁州分輸(shu)站爲例，介(jie)紹🏃‍♂️現場工(gong)💋業性試🤩驗(yan)的情況。
   滁(chu)州分輸站(zhan)用戶分輸(shu)路共 2 台 Elster-InstrometTRZ G160 DN80 渦(wo)輪流量計(ji)，設置 1 座計(ji)量橇（圖 5），具(ju)備比對流(liu)程。選擇 FE3401 備(bei)用回路進(jin)行 TBQM型流❗量(liang)計的替換(huan)試用，同時(shi)将配套的(de)流量計算(suan)機更換爲(wei) FC 型流量計(ji)算機，調試(shi)正常後與(yu) FE3301 回路流量(liang)計進行比(bi)對運行⭕。從(cong)流量計算(suan)機機櫃鋪(pu)設一根 3 芯(xin)信号線🌈到(dao) PLC 機櫃，PLC 機櫃(gui)安裝 SD16X 防雷(lei)及 485-232 轉換分(fen)支器。流量(liang)計算機通(tong)過 RS485 信号連(lian)接至站控(kong)系統，站🌂控(kong)系統通過(guo) Modbus 協議讀取(qu)流量計♋算(suan)機的計量(liang)數據。試運(yun)行期間，每(mei) 3 個月将 流(liu)👣量計拆卸(xie)下來，送南(nan)京計量中(zhong)心檢定。

   流(liu)量計同時(shi)輸出高頻(pin)脈沖和低(di)頻脈沖，其(qi)中高頻信(xin)号用于⛷️計(ji)量，低頻信(xin)号用于比(bi)對。當兩信(xin)号的誤差(cha)超出一定(ding)範✨圍時，流(liu)量♉計算機(ji)會提示。如(ru)渦輪流💋量(liang)計共有 12 個(ge)葉♉片，當某(mou)一葉片損(sun)壞時高頻(pin)和低頻信(xin)号将會産(chan)生 1/12 的誤差(cha)。
   流量計算(suan)機可通過(guo) RS485 信号直接(jie)與氣相色(se)譜儀連接(jie)，讀取⛹🏻‍♀️天㊙️然(ran)🚶‍♀️氣組分數(shu)據，也可以(yi)通過站控(kong)機發送或(huo)🌈手動♊設置(zhi)天然氣組(zu)分數據。由(you)于滁州站(zhan)的氣相色(se)譜儀停用(yong)，因此 FE3301 路和(he) FE3401 路流量計(ji)算機的天(tian)然氣組分(fen)均爲每天(tian)手動輸入(ru)。
   開始現場(chang)安裝試驗(yan)前，分别将(jiang) 4 台渦輪流(liu)量計和流(liu)㊙️量🏃‍♀️計算🔴機(ji)送第三方(fang)檢定機構(gou)檢定。其中(zhong)，渦輪流量(liang)計送南京(jing)✍️計量中心(xin)檢定（圖 6，編(bian)号爲 131228042 的DN80-G160 流(liu)量計的檢(jian)定結果）。流(liu)量計算機(ji)送至上海(hai)儀器儀表(biao)自控系統(tong)✨檢驗測試(shi)所進行校(xiao)🌈準測試（表(biao) 1，編号爲 131227004 的(de)流量計算(suan)機校準測(ce)試數據），在(zai)壓力🙇🏻、溫度(du)爲數字量(liang)輸入的情(qing)況下，流量(liang)計算機的(de)誤差來源(yuan)爲脈沖測(ce)量、壓縮因(yin)子計算以(yi)❌及标況🛀🏻流(liu)量計算。


   試(shi)驗期間，各(ge)站點每天(tian)會記錄兩(liang)台作比對(dui)的流量🙇‍♀️計(ji)的标☀️況‼️累(lei)積量，從而(er)統計計量(liang)誤差。根據(ju)滁州站FC 型(xing)流量計♍算(suan)機和 Elster 流量(liang)計算機（精(jing)度爲 0.5，流量(liang)範圍爲 13～250 m
3/h）部(bu)分日累積(ji)量的比對(dui)數據（表 2），偏(pian)差量大部(bu)分爲負偏(pian)差且🌈最✌️大(da)💋值爲 0.33％，說明(ming) FC 型流量計(ji)算機計量(liang)準确且穩(wen)定。

   試運行(hang) 3 個月後，将(jiang)鎮江站 渦(wo)輪流量計(ji)和青山站(zhan) 渦㊙️輪流量(liang)計👌拆卸下(xia)來，送南京(jing)計量中心(xin)檢定。根據(ju)鎮江分輸(shu)站編号🏃🏻‍♂️爲(wei) 131228041 的流量計(ji)試運行前(qian)後檢定結(jie)果（圖 7a）、青山(shan)分輸清管(guan)站編号爲(wei) 131228036 的流量計(ji)試運行前(qian)後檢定結(jie)果（圖 7b），
   流量(liang)計仍然滿(man)足 ±1％誤差的(de)要求。而與(yu) Elster 流量計的(de)對比🔞數👄據(ju)🚶表明：該㊙️類(lei)型國産渦(wo)輪流量計(ji)與流量計(ji)算機達到(dao)了國際水(shui)🌈準，滿足工(gong)業計量要(yao)求。

4　結論
   通(tong)過超過半(ban)年的現場(chang)工業性試(shi)驗，高壓渦(wo)輪氣體💃🏻流(liu)量計和配(pei)套流量計(ji)算機精度(du)符合設計(ji)要求，具有(you)較高的可(ke)靠㊙️性，各項(xiang)指标和技(ji)術性能完(wan)全滿足工(gong)業貿易計(ji)量的要求(qiu)，打破了國(guo)外高壓長(zhang)輸管道領(ling)域的技術(shu)壟斷，積累(lei)了一定試(shi)驗數據和(he)經驗，爲今(jin)後高壓長(zhang)輸管道長(zhang)期運行奠(dian)定了堅實(shi)的基礎。随(sui)着我國工(gong)業計量事(shi)業和城市(shi)燃氣的發(fa)展，以及能(neng)量計量的(de)逐步實施(shi)，國産化流(liu)量計具有(you)很強的市(shi)場競争力(li)和較大的(de)市場潛力(li)，也爲📐天然(ran)氣的計量(liang)管理提供(gong)了技術保(bao)障。

以上内(nei)容來源于(yu)網絡，如有(you)侵權請聯(lian)系即删除(chu)!