天然氣作爲一(yi)種高效清潔能(néng)源，其需求量随(suí)着全球低碳經(jing)濟的發展呈現(xiàn)快速增長趨勢(shì)，預計2020 年國内天(tiān)然氣需求㊙️量将(jiāng)達 3 000×108m3[1-4]。進💰口渦輪流(liú)量計一直占據(ju)着高壓管道貿(mao)👨‍❤️‍👨易計量市場，而(ér)☀️國産 渦輪流量(liàng)計 通常應用于(yú)低壓管道，用戶(hù)主要爲城市燃(rán)氣的工業用戶(hu)。
    随着工業過程(cheng)控制自動化的(de)實施及輸氣管(guǎn)道的大☔量建設(she)，對貿易計量所(suo)需的渦輪流量(liang)計和具有強大(da)功能⛹🏻‍♀️的流量計(ji)算機💃🏻的需求量(liang)也不斷增大，因(yin)此，擁有自主知(zhi)識産權且滿足(zu)工業性應用要(yao)求的🙇‍♀️精度好的(de)高壓渦輪流量(liang)計 與流量計算(suàn)機，對實現管道(dao)設備的國産化(huà)，打破國外技術(shu)壟斷，保障管道(dao)安全、經濟、高效(xiao)運行，具有十分(fèn)重要的意義。爲(wèi)了評價國産化(huà)流量計在實際(ji)運行過程中的(de)準确度、可重複(fú)性、穩定性及安(ān)全性等指标，爲(wèi)後續新建管道(dao)的推廣應用及(jí)流量計的制造(zao)、改進提供依據(ju)，對 4 台國産 氣體(ti)高壓渦輪流量(liàng)計🌈和FC 型流量計(jì)算機進行了現(xiàn)場工業性試驗(yàn)。
1　高壓氣體渦輪(lun)流量計
1.1　工作原(yuán)理
    高壓氣體渦(wō)輪流量計 是一(yī)種帶機械計數(shù)器并用于準确(que)測量氣體流量(liàng)❌的流量💯計，其工(gong)作原理：當高壓(ya)氣流進入流量(liang)計時，首先💃🏻經過(guò)整流器整流并(bìng)加速，在流體的(de)作用下，渦🔴輪克(kè)服阻力矩開始(shǐ)轉動；當力📞矩達(dá)到平衡時，渦輪(lun)轉速穩定，此時(shí)其轉速與氣體(tǐ)工況流量成正(zheng)比，并通過齒輪(lun)減速傳動；磁耦(ǒu)合聯接驅動字(zì)輪計數器轉動(dòng)，直接累積氣體(tǐ)的工況體積總(zǒng)量。
因爲通過渦(wō)輪的流量與渦(wō)輪轉速成正比(bǐ)，所以高頻信号(hào)脈沖♉輸出頻率(lü)與渦輪轉速存(cun)在以下關系[7]：

   綜(zōng)上所述，儀表系(xi)數K 除與渦輪導(dao)程、葉片數、葉片(pian)寬度、螺旋升角(jiao)、流量計流體通(tong)道等結構因素(sù)有關外，還與🌈介(jie)質流體黏性❓、軸(zhou)承本身阻尼、軸(zhou)承潤滑油黏度(dù)等有關，若以上(shàng)其中一種或幾(ji)種相關因素發(fā)生改變，則儀表(biao)系數K 也🆚會相應(ying)改變，因此流量(liàng)計應通💛過線性(xing)檢定等試驗方(fāng)式進行最終設(she)計确認。
1.2　性能測(cè)試
   以 EN 12261-2002《Gas meters - Turbine gasmeters》[8]和 OIML R137-1-2006《氣體流(liu)量計》作爲流量(liang)計産品的研制(zhì)依據，并嚴格👈按(àn)‼️照标準進行性(xìng)能測試，主要包(bao)括：耐久性試驗(yan)、彎矩與扭矩試(shì)驗、短時過載試(shi)驗、擾動試驗以(yi)及高低溫性能(néng)測♊試等。
1.2.1　耐久性(xìng)測試
渦輪流量(liàng)計進行耐久性(xing)測試的目的在(zài)于确認流量計(ji)在指定條件下(xià)的計量性能是(shì)否符合分段要(yào)求[9]，即：

   确認各種(zhǒng)安裝位置是否(fou)影響測試樣機(ji)的計量性能，安(an)裝位置可分爲(wèi)水平方向、垂直(zhi)向上與垂直向(xiang)下。在不同安裝(zhuāng)位置情況😄下，樣(yàng)機在耐久性測(cè)試前後指示✏️誤(wù)差的🚩變化量不(bú)得超過式（4）要求(qiu)值的 1/3。
   以 DN80-G100 樣機爲(wèi)例，進行耐久性(xìng)測試說明。首先(xian)将 3 台樣機分㊙️别(bie)安裝在同一管(guan)道的不同位置(zhi)，管道内 0.8 MPa 壓縮氣(qì)㊙️體以🥵樣機最大(da)流量進行循環(huán)運行，以每 1 000 h 爲運(yun)行單位，将樣機(ji)拆卸并在标準(zhun)氣體流量裝置(zhi)上進行相✉️應性(xìng)能測💞試，得到 7 000 h 運(yùn)🈚行測試數據（圖(tu) 1）。

   結果表明：該測(cè)試樣機滿足耐(nai)久性測試要求(qiú)，指示誤差的變(bian)化量未超過最(zui)大允許誤差的(de) 1/3；軸承經過長時(shi)🌍間運行磨合更(gèng)趨于穩定，長期(qī)運行後非線性(xing)段更趨于理想(xiǎng)特性曲線。
1.2.2　彎扭(niǔ)矩測試
   對于高(gāo)壓渦輪流量計(jì)，應該詳細說明(míng)流量計所需🥵的(de)彎🚶‍♀️曲與扭力力(li)矩的保護水平(ping)[2]。該數據可以通(tōng)過☂️試驗直接獲(huo)得（圖 2，其中直管(guan)段 1 連接氣體流(liu)量标準裝置，圖(tú) 2a 中在直管段 2 預(yù)先确定的力臂(bi)L 位置附加垂♻️直(zhi)方向的💃🏻力F 而形(xing)成彎矩M；圖 2b 中在(zài)直管段 2 側面預(yu)先🤩确定的力臂(bi)L 位置附加垂直(zhi)方向的力♻️F 而形(xíng)成扭矩T，而彎矩(ju)與扭矩均是作(zuo)用于流量計入(ru)口與出口法✌️蘭(lan)處）。由于該項測(ce)試主要是針對(dui)流量計強度的(de)校核，爲了使測(ce)試結果更具說(shuo)服力，并且提高(gao)其可靠✉️性，将鋁(lǚ)合金殼體的中(zhōng)低壓渦🏃‍♀️輪流量(liàng)計 DN80-G100 用于✍️此次測(ce)試。測試過程中(zhong)按照 EN 12261-2002 表 10中要求(qiú)施加 1 倍、2 倍直至(zhì) 4 倍（即力矩爲 3 040 N·m）的(de)砝碼F，未發現流(liu)量計殼體有任(rèn)何異常變化。施(shī)加砝碼F 時及卸(xie)下砝碼之後得(dé)到的指示誤差(cha)與施加砝碼F 之(zhī)前的指示誤差(chà)無明顯變化，實(shi)際變化量均在(zai)最🥰大允許誤差(cha)的 1/3 以内☂️。

1.2.3　常(cháng)壓與高壓試驗(yan)對比
   爲了确認(ren)高壓渦輪流量(liàng)計在高壓氣體(tǐ)介質中計量性(xìng)能是否滿足工(gōng)業貿易計量要(yào)求，将多台 DN80-G160樣機(ji)發往國家石油(yóu)天然氣大流量(liàng)計量站南京分(fen)站進行 6 MPa 實流🏒檢(jian)定。使💃用小流量(liang)标準⛹🏻‍♀️裝置對編(biān)号爲131228041 的 DN80 渦輪流(liu)量計㊙️進行了檢(jiǎn)定（圖 3）。流量計的(de)儀表系數K 的計(ji)算公式[10]


2 　FC 型(xing)流量計算機
   流(liu)量計算機是一(yī)種可對多個流(liú)量測量點集中(zhong)進行數據🧑🏾‍🤝‍🧑🏼采集(jí)☔、精度高補償運(yun)算、數據顯示存(cún)儲及運用網絡(luò)實現通信功能(neng)的新一代以工(gong)業微型計算機(ji)爲内核的計量(liàng)儀表👄。與體積修(xiu)正儀🌈相比，其數(shu)據采集頻率高(gao)，運算速度快且(qiě)準确，可以同🔴時(shi)對多台㊙️流量計(ji)進行🔞溫度壓力(li)修🌈正和計量，廣(guang)泛應用于石油(yóu)、化工、冶金、電力(li)、城市燃氣及供(gong)熱等行業的㊙️重(zhòng)要貿易計量場(chang)合和工廠計量(liàng)管理網絡。
   FC 型流(liú)量計算機最多(duō)可以連接 4 路流(liú)量計，可以與渦(wō)輪流量🈲計、腰輪(lún)流量計、 孔闆流(liú)量計 等配套使(shi)用。當流量輸入(rù)爲脈沖信号時(shi)，其體積流👌量爲(wei)：

   此外，FC 型流量計(ji)算機還具有能(néng)量計量功能，可(kě)以直接通🏃過♉配(pèi)置📐的 RS485 通信接口(kǒu)接收氣相色譜(pǔ)儀的組分分析(xi)結果，也可❓以在(zai)流量計算機手(shou)動輸入天然氣(qì)🌍組分數據後，計(jì)算發熱量，再根(gen)據所計量的标(biao)準體積量計算(suan)天然氣能量[12]：

   FC 型(xíng)流量計算機内(nèi)置多種壓縮因(yin)子計算模型，且(qie)含🌈有多種通信(xin)㊙️接口，可以使用(yong) RS485 接口與上位機(jī)或色譜🔆儀通信(xin)，也可以通過 RJ45 接(jiē)口使用 Modbus/TCP通信協(xié)議與上位機📐通(tong)信。
   爲了滿足流(liu)量計算機對多(duō)通道數據快速(su)處理的要求，同(tóng)時，考慮到流量(liang)計算機硬件配(pei)置的靈活性，FC型(xíng)流量計算機采(cai)用模塊👉化的結(jié)構設計方案，數(shu)據采集模塊采(cǎi)用可插拔☔的闆(pǎn)卡🐅形式，每張闆(pǎn)卡均配置有單(dan)獨數據采集模(mó)塊可以根據輸(shu)入信号的不同(tóng)進行相應的配(pèi)置（圖 4）。的微處理(lǐ)器，由✏️該處理器(qì)負✨責接收處理(li)輸❓入到該數據(jù)采✌️集模塊的與(yu)流量、溫度和壓(yā)力相關的電信(xìn)号，同時，數據采(cai)集模塊可以根(gēn)據輸入信号的(de)不同進行相應(ying)的配👌置（圖 4）。

3　現(xiàn)場工業性試驗(yan)
   對 4 台高壓氣體(tǐ)渦輪流量計及(ji)流量計算機進(jìn)行現場🌈工業性(xìng)試驗，試驗場地(dì)爲鎮江分輸站(zhàn)（DN80）、滁州分輸站（DN80）、青(qīng)山分輸清管站(zhan)🚶‍♀️（DN50），站場設計壓力(li)均爲 10 MPa。以滁州分(fen)輸站爲例，介紹(shao)現場工業性試(shì)♉驗的情🔞況。
   滁州(zhōu)分輸站用戶分(fèn)輸路共 2 台 Elster-InstrometTRZ G160 DN80 渦輪(lún)流量計，設置 1 座(zuo)計量橇（圖 5），具備(bèi)比對流程。選擇(ze) FE3401 備用回路進行(hang) TBQM型流量計的替(ti)換試用，同時将(jiāng)🌈配套的流量計(jì)算機更換爲 FC 型(xing)流量計算機，調(diào)試❓正常後與 FE3301 回(hui)路流量計進行(hang)比對運行。從流(liú)量計算機機櫃(gui)鋪設一根 3 芯信(xin)号線到 PLC 機櫃，PLC 機(ji)櫃安裝 SD16X 防雷及(ji) 485-232 轉換分支器。流(liú)量計算機通過(guò) RS485 信号連接至站(zhàn)控系統，站控系(xì)統通過 Modbus 協議讀(dú)取流量計算機(ji)的計量數據。試(shì)運行期間，每 3 個(gè)月将 流量計拆(chai)卸下來，送南京(jīng)計量中心檢定(dìng)。

   流量計同時輸(shu)出高頻脈沖和(he)低頻脈沖，其中(zhong)高頻信号用于(yú)計量，低頻信号(hào)用于比對。當兩(liang)信号的誤差超(chao)出一🎯定範圍時(shi)，流量計算機會(hui)提示。如渦輪流(liú)量計共有 12 個葉(yè)片，當某一葉片(piàn)損壞時高頻和(hé)低頻🔞信号将會(huì)💚産生 1/12 的誤差。
   流(liú)量計算機可通(tōng)過 RS485 信号直接與(yu)氣相色譜儀連(lián)接，讀取天❤️然氣(qi)組分數據，也可(kě)以通過站控機(jī)發送或🌈手動設(shè)置天然📞氣組👅分(fen)數據。由于滁州(zhōu)站的氣相色譜(pǔ)儀停用，因此🔴 FE3301 路(lu)和 FE3401 路流量計算(suan)機的天然氣組(zǔ)分均爲每天手(shǒu)動輸入。
   開始現(xiàn)場安裝試驗前(qián)，分别将 4 台渦輪(lun)流量計和流量(liang)計算機送🙇‍♀️第三(san)方檢定機構檢(jiǎn)定。其中，渦輪流(liú)量計送南京計(ji)量中心檢定（圖(tu) 6，編号爲 131228042 的DN80-G160 流量(liàng)計的檢定結果(guo)）。流量計算機送(sòng)♈至上海儀器儀(yi)表自控系統檢(jian)驗測試㊙️所進行(háng)校準測試（表 1，編(bian)号爲 131227004 的流量計(jì)算機校準測試(shì)♉數據），在壓力、溫(wen)度爲數字量輸(shu)入的情❗況下，流(liu)量計⛷️算機的誤(wu)差來源爲脈沖(chong)測量、壓縮因🐇子(zǐ)計算以及标況(kuang)流量計算。


   試驗(yan)期間，各站點每(mei)天會記錄兩台(tai)作比對的流量(liang)計的标🔞況累積(ji)量，從而統計計(jì)量誤差。根據滁(chú)州站FC 型流量計(ji)算機✏️和 Elster 流🎯量計(ji)算機（精度爲 0.5，流(liú)量範圍爲 13～250 m
3/h）部分(fèn)日累積量的比(bǐ)對數據（表 2），偏差(chà)量大部分爲負(fu)偏差且最👨‍❤️‍👨大值(zhí)爲 0.33％，說明 FC 型流量(liàng)計算機計量準(zhǔn)确且穩定。

   試運(yùn)行 3 個月後，将鎮(zhèn)江站 渦輪流量(liang)計和青山站 渦(wō)輪流量計🈲拆卸(xiè)下來，送南京計(ji)量中心檢定。根(gēn)據鎮江分輸站(zhan)編号爲 131228041 的流量(liang)計試運行前後(hòu)檢定結果（圖 7a）、青(qīng)山分輸清管站(zhàn)編号爲 131228036 的流量(liang)計試運行前後(hou)檢定結果（圖 7b），
   流(liu)量計仍然滿足(zú) ±1％誤差的要求。而(ér)與 Elster 流量計的對(duì)比♈數據表明✌️：該(gāi)類型國産渦輪(lún)流量計與流量(liang)計算機達到❗了(le)國際水準，滿足(zu)工業計量要求(qiú)。

4　結論
   通過超過(guo)半年的現場工(gong)業性試驗，高壓(ya)渦輪氣體流量(liang)計和配套流量(liang)計算機精度符(fu)合設計要求，具(ju)有較高的♍可靠(kao)性，各項指标和(he)技術性能完全(quan)滿足工業貿易(yi)計量的要求，打(dǎ)破了國外高壓(ya)長輸管道❌領域(yu)的技術壟斷，積(ji)累了一定💰試驗(yan)數據㊙️和經驗，爲(wei)今後高壓長輸(shū)管道長期運行(hang)奠定了堅實的(de)基礎。随着我國(guó)工業計量事業(yè)和城市燃氣的(de)發展，以及能量(liàng)計量💯的逐步實(shí)施，國産化流量(liang)🍓計具有很強的(de)🐅市場競争力和(hé)較大⛷️的市場潛(qián)力，也爲天然氣(qi)的計量管理提(ti)供了技術保㊙️障(zhàng)。

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