天然氣作(zuo)爲一種高(gao)效清潔能(neng)源，其需求(qiu)量随着全(quan)球低碳經(jing)💁濟的發展(zhan)呈現快速(su)增長趨勢(shi)，預計 2020 年國(guo)内天然氣(qi)需求量将(jiang)達 3 000×108m3。進♈口渦(wo)輪流量計(ji)一直占據(ju)着高壓管(guan)道貿易計(ji)量市場，而(er)國産渦輪(lun)流量計通(tong)常應用于(yu)低壓管道(dao)，用戶主要(yao)爲城市燃(ran)氣的工業(ye)用戶。
　　随着(zhe)工業過程(cheng)控制自動(dong)化的實施(shi)及輸氣管(guan)道的大♉量(liang)建設，對貿(mao)易計量所(suo)需的渦輪(lun)流量計和(he)具有強大(da)功能的流(liu)量計算機(ji)的需求量(liang)也不斷增(zeng)大，因此，擁(yong)有自主知(zhi)識産權且(qie)滿足工業(ye)性應用要(yao)求的高精(jing)度高壓渦(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)的精度、可(ke)重複性、穩(wen)定性及安(an)全性等指(zhi)标，爲後續(xu)💞新建管道(dao)的推廣應(ying)用及流量(liang)計的制造(zao)🈲、改進提供(gong)依據，對 4 台(tai)國産氣體(ti)高壓渦輪(lun)流量計和(he)FC 型流量計(ji)算機進行(hang)了現場工(gong)業性。
1　TBQM 型高(gao)壓氣體渦(wo)輪流量計(ji)
1.1　工作原理(li)
　　高壓氣體(ti)渦輪流量(liang)計是一種(zhong)帶機械計(ji)數器并用(yong)于精确測(ce)量氣體流(liu)量的流量(liang)計，其工作(zuo)原理：當高(gao)壓氣流進(jin)入流量計(ji)時，首先經(jing)過整流🌈器(qi)整✨流并加(jia)速，在流體(ti)的作用下(xia)，渦輪克服(fu)阻力矩開(kai)始轉動；當(dang)力矩達到(dao)平衡時，渦(wo)輪🏃轉速穩(wen)定，此時其(qi)轉速與氣(qi)體工況流(liu)量成正比(bi)，并通過齒(chi)輪減速傳(chuan)動；磁耦合(he)聯接驅動(dong)字輪計數(shu)器轉動，直(zhi)接累積氣(qi)體的工況(kuang)體積總量(liang)。因爲通過(guo)渦輪的流(liu)量⛱️與渦輪(lun)轉速成正(zheng)比，所以高(gao)頻信号脈(mo)沖輸出頻(pin)率與渦輪(lun)轉速存在(zai)以下關系(xi)[7]：
f=nZ （1）
式中：f 爲脈(mo)沖頻率，Hz；n 爲(wei)渦輪轉速(su)，r/s；Z 爲渦輪
葉(ye)片數。
　　爲了(le)使高壓渦(wo)輪流量計(ji)在一定的(de)流量範圍(wei)内正常☁️工(gong)作，其儀表(biao)系數K 應爲(wei)常數，但實(shi)際上儀表(biao)系數🆚K與體(ti)🌈積流量q 成(cheng)一定的函(han)🚩數關系，即(ji)：
q=f/K （2）
将式（1）代入(ru)式（2），可得：
K=nZ/q （3）
　　式(shi)中：K 爲儀表(biao)系數，爲工(gong)況條件下(xia)每立方米(mi)天然氣☁️通(tong)過流量傳(chuan)感器時輸(shu)出的脈沖(chong)數，1/m3；q 爲工況(kuang)體積流量(liang)，m3/s。
綜上所述(shu)，儀表系數(shu)K 除與渦輪(lun)導程、葉片(pian)數、葉片寬(kuan)☔度、螺旋🔞升(sheng)角、流量計(ji)流體通道(dao)等結構因(yin)素有關外(wai)，還與介質(zhi)流體黏性(xing)、軸承本身(shen)阻尼、軸承(cheng)潤滑油黏(nian)度等有關(guan)，若以上其(qi)中一種或(huo)幾種相關(guan)因素發生(sheng)改變，則儀(yi)表系數K 也(ye)會相應改(gai)❌變，因此流(liu)量計應通(tong)✌️過線性檢(jian)定🔞等方式(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、彎(wan)矩與扭矩(ju)、短時過載(zai)、擾動以及(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：

　　式(shi)中：δ爲計量(liang)相對誤差(cha)；Qmax爲工況最(zui)大流量，m3/h；Qmin爲(wei)工況最小(xiao)🛀🏻流量，m3/h；Qt爲分(fen)🈲界流量點(dian)，其值等于(yu) 20％Qmax，m3/h。
　　确認各種(zhong)安裝位置(zhi)是否影響(xiang)測試樣機(ji)的計量性(xing)能♈，安裝位(wei)置可分爲(wei)水平方向(xiang)、垂直向上(shang)與垂直向(xiang)下。在不同(tong)安裝位置(zhi)情況下，樣(yang)機在耐久(jiu)性測試前(qian)後指示誤(wu)差的✊變化(hua)量不得超(chao)過式（4）要求(qiu)值的 1/3。
以 DN80-G100 樣(yang)機爲例，進(jin)行耐久性(xing)測試說明(ming)。首先将 3 台(tai)樣機分别(bie)㊙️安裝在同(tong)一管道的(de)不同位置(zhi)，管道内 0.8 MPa 壓(ya)縮氣體以(yi)樣機最大(da)流量進行(hang)循環運行(hang)，以每 1 000 h 爲運(yun)行單位，将(jiang)樣機拆卸(xie)并在标準(zhun)氣體流量(liang)裝置上進(jin)行相應性(xing)能測試，得(de)到 7 000 h 運行測(ce)試數據（圖(tu) 1）。

　　結果(guo)表明：該測(ce)試樣機滿(man)足耐久性(xing)測試要求(qiu)，指示誤差(cha)的變♌化量(liang)未超過最(zui)大允許誤(wu)差的 1/3；軸承(cheng)經過🤩長時(shi)間運🔞行磨(mo)合更趨于(yu)♍穩定，長期(qi)運行後非(fei)線性段更(geng)趨于理想(xiang)🌈特性曲線(xian)。
1.2.2　彎扭矩測(ce)試
　　對于高(gao)壓渦輪流(liu)量計，應該(gai)詳細說明(ming)流量計所(suo)需的彎曲(qu)📱與扭力力(li)矩的保護(hu)水平[2]。該數(shu)據可以通(tong)過🥰直接獲(huo)得（圖 2，其⭐中(zhong)直管段 1 連(lian)接氣體流(liu)量标準裝(zhuang)置，圖 2a 中在(zai)直管段 2 預(yu)先确♍定的(de)力⛷️臂L 位置(zhi)附加垂直(zhi)方向的力(li)F 而形成彎(wan)矩M；圖 2b 中在(zai)直管段 2 側(ce)面預先确(que)定㊙️的力臂(bi)L 位置附加(jia)垂直方🥰向(xiang)的力F 而形(xing)成扭矩T，而(er)彎🌂矩與扭(niu)矩均是作(zuo)用于流量(liang)計入口與(yu)出口法蘭(lan)處）。由于該(gai)項測試主(zhu)要是針對(dui)流量計強(qiang)度的校核(he)，爲了⭐使測(ce)試結果更(geng)具🚶‍♀️說服力(li)，并且提高(gao)其🧑🏽‍🤝‍🧑🏻可靠性(xing)，将鋁合金(jin)殼體的中(zhong)低壓渦輪(lun)流量計 DN80-G100 用(yong)于此次測(ce)試。測試過(guo)程中按照(zhao) EN 12261-2002 表 10中要求(qiu)施加 1 倍、2 倍(bei)直至 4 倍（即(ji)力矩爲 3 040 N·m）的(de)砝碼F，未發(fa)現流量計(ji)殼體有任(ren)何異常變(bian)化。施加砝(fa)碼F 時及卸(xie)下砝碼🌍之(zhi)後得到的(de)指示誤差(cha)與施加砝(fa)碼F 之前的(de)指示誤差(cha)無明顯變(bian)⭕化，實際變(bian)化量均在(zai)最大允💯許(xu)誤差的 1/3 以(yi)内。

1.2.3　常壓與(yu)高壓對比(bi)
　　爲了确認(ren)高壓渦輪(lun)流量計在(zai)高壓氣體(ti)介質中計(ji)量性能是(shi)否滿足工(gong)業貿易計(ji)量要求，将(jiang)多台 DN80-G160樣機(ji)發往國家(jia)石油天然(ran)氣大🔅流量(liang)計量站南(nan)京分站進(jin)行 6 MPa 實流✂️檢(jian)定。使用小(xiao)流量标準(zhun)裝置對編(bian)号爲131228041 的 DN80 渦(wo)輪流量計(ji)進行了檢(jian)定（圖 3）。流量(liang)計的儀表(biao)系數K 的計(ji)👌算公式[10]：

　　式(shi)中（Ki）max、（Ki）min分别爲(wei)流量計在(zai)qt～qmax流量範圍(wei)各流量檢(jian)定點得到(dao)的Ki中的✍️最(zui)大值和最(zui)小值。

2 FC 型流量計(ji)算機
　　流量(liang)計算機是(shi)一種可對(dui)多個流量(liang)測量點集(ji)中進行數(shu)據采集、精(jing)度高補償(chang)運算、數據(ju)顯示存儲(chu)及運用網(wang)絡實現通(tong)信功🔞能的(de)新一代以(yi)工業微型(xing)計算機爲(wei)内核的計(ji)量儀表☔。與(yu)體積修正(zheng)儀相比，其(qi)數據采集(ji)頻率高，運(yun)算速度快(kuai)且準确，可(ke)以同時對(dui)多台流量(liang)計進行溫(wen)度壓力修(xiu)👄正和計量(liang)，廣泛應用(yong)于石油、化(hua)工、冶金🔅、電(dian)力、城市燃(ran)氣及🚶‍♀️供熱(re)等行業的(de)重要🔱貿易(yi)計量場合(he)和🌈工廠計(ji)量管理網(wang)絡。
　　FC 型流量(liang)計算機最(zui)多可以連(lian)接 4 路流量(liang)計，可以與(yu)渦輪流量(liang)計、腰輪流(liu)量計、孔闆(pan)流量計等(deng)配套使用(yong)。當流量輸(shu)入爲脈沖(chong)信号時，其(qi)體積流量(liang)爲：
Qv=3 600 f/K 　　　　（6）
式中：Qv爲(wei)未經修正(zheng)的體積流(liu)量，m3/h。
當連接(jie)孔闆流量(liang)計時，體積(ji)流量爲[11]：

　　式(shi)中：qv爲工作(zuo)狀态下體(ti)積流量，m3/h；d 爲(wei)工作條件(jian)下孔闆開(kai)孔直徑，mm；C 爲(wei)流出系數(shu)，對于孔闆(pan)，按标準計(ji)算；? 爲可膨(peng)脹🈚系數；? 爲(wei)節流件等(deng)效直徑比(bi)；Δp爲介質流(liu)經孔闆時(shi)産生的壓(ya)差，kPa；?1爲介質(zhi)🛀在工作狀(zhuang)态下的密(mi)度，kg/m3。
此外，FC 型(xing)流量計算(suan)機還具有(you)能量計量(liang)功能，可以(yi)直🤞接通過(guo)配🏒置的 RS485 通(tong)信接口接(jie)收氣相色(se)譜儀的組(zu)分分析♉結(jie)果，也可以(yi)在流量計(ji)算機手動(dong)輸入天然(ran)氣組分數(shu)據後，計算(suan)發熱量，再(zai)根❤️據所計(ji)量的标準(zhun)體積量計(ji)算🏃‍♀️天然氣(qi)能量[12]：
E=∑VnHs　　　　（8）
　　式中(zhong)：E 爲天然氣(qi)的能量，kW·h；Vn爲(wei)天然氣基(ji)準狀态下(xia)的體積，m3；Hs爲(wei)天🔞然👣氣基(ji)準狀态下(xia)的單位發(fa)熱量，MJ/m3。
FC 型流(liu)量計算機(ji)内置多種(zhong)壓縮因子(zi)計算模型(xing)，且含有多(duo)種☎️通信接(jie)口，可以使(shi)用 RS485 接口與(yu)上位機或(huo)色譜儀通(tong)信，也可以(yi)通過 RJ45 接口(kou)使用 Modbus/TCP通信(xin)協議與上(shang)位機🔞通信(xin)。
　　爲了滿足(zu)流量計算(suan)機對多通(tong)道數據快(kuai)速處理的(de)🈲要💋求🈲，同時(shi)✊，考慮到流(liu)量計算機(ji)硬件配置(zhi)的靈活性(xing)，FC型流❌量計(ji)💛算機采用(yong)模塊化的(de)結構設計(ji)方案，數據(ju)采集模塊(kuai)采用可插(cha)拔的闆卡(ka)形式，每張(zhang)闆卡均配(pei)有單獨的(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）。

4　結(jie)論
　　通過超(chao)過半年的(de)現場工業(ye)性，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)了一定數(shu)據和經驗(yan)，爲⭐今後高(gao)壓長輸管(guan)道長期運(yun)行奠定了(le)堅實的基(ji)礎。随着我(wo)國工業計(ji)量事業和(he)城市燃氣(qi)的發展，以(yi)及能量計(ji)量的逐步(bu)實施，國産(chan)化流量計(ji)具有很強(qiang)的市場競(jing)争力和較(jiao)大的市場(chang)潛力，也爲(wei)天然氣的(de)計🤞量管理(li)提供了保(bao)障。

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