天然氣作為一種清潔能源，其需求量隨著低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展呈現(xiàn)快速增長趨勢(shì)，預(yù)計(jì) 2020 年國內(nèi)天然氣需求量將達(dá) 3 000×108m3[1-4]。進(jìn)口渦輪流量計(jì)一直占據(jù)著高壓管道貿(mào)易計(jì)量市場，而國產(chǎn)渦輪流量計(jì)通常應(yīng)用于低壓管道，用戶主要為城市燃?xì)獾墓I(yè)用戶。
隨著工業(yè)過程控制自動(dòng)化的實(shí)施及輸氣管道的大量建設(shè)，對(duì)貿(mào)易計(jì)量所需的渦輪流量計(jì)和具有強(qiáng)大功能的流量計(jì)算機(jī)的需求量也不斷增大[5]，因此，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)且滿足工業(yè)性應(yīng)用要求的高精度高壓渦輪流量計(jì)與流量計(jì)算機(jī)，對(duì)實(shí)現(xiàn)管道設(shè)備的國產(chǎn)化，打破*壟斷，保障管道安全、經(jīng)濟(jì)、運(yùn)行，具有十分重要的意義[6]。為了評(píng)價(jià)國產(chǎn)化流量計(jì)在實(shí)際運(yùn)行過程中的準(zhǔn)確度、可重復(fù)性、穩(wěn)定性及安全性等指標(biāo)，為后續(xù)新建管道的推廣應(yīng)用及流量計(jì)的制造、改進(jìn)提供依據(jù)，對(duì) 4 臺(tái)國產(chǎn)氣體高壓渦輪流量計(jì)和FC 型流量計(jì)算機(jī)進(jìn)行了現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)。
1 SCLWGY型高壓氣體渦輪流量計(jì)
1.1 工作原理
高壓氣體渦輪流量計(jì)是一種帶機(jī)械計(jì)數(shù)器并用于測量氣體流量的流量計(jì)，其工作原理：當(dāng)高壓氣流進(jìn)入流量計(jì)時(shí)，首先經(jīng)過整流器整流并加速，在流體的作用下，渦輪克服阻力矩開始轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)力矩達(dá)到平衡時(shí)，渦輪轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，此時(shí)其轉(zhuǎn)速與氣體工況流量成正比，并通過齒輪減速傳動(dòng)；磁耦合聯(lián)接驅(qū)動(dòng)字輪計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)動(dòng)，直接累積氣體的工況體積總量。因?yàn)橥ㄟ^渦輪的流量與渦輪轉(zhuǎn)速成正比，所以高頻信號(hào)脈沖輸出頻率與渦輪轉(zhuǎn)速存在以下關(guān)系[7]：
f=nZ （1）
式中：f 為脈沖頻率，Hz；n 為渦輪轉(zhuǎn)速，r/s；Z 為渦輪
葉片數(shù)。
為了使高壓渦輪流量計(jì)在一定的流量范圍內(nèi)正常工作，其儀表系數(shù)K 應(yīng)為常數(shù)，但實(shí)際上儀表系數(shù)K與體積流量q 成一定的函數(shù)關(guān)系，即：
q=f/K （2）
將式（1）代入式（2），可得：
K=nZ/q （3）
式中：K 為儀表系數(shù)，為工況條件下每立方米天然氣通過流量傳感器時(shí)輸出的脈沖數(shù)，1/m3；q 為工況體積流量，m3/s。
綜上所述，儀表系數(shù)K 除與渦輪導(dǎo)程、葉片數(shù)、葉片寬度、螺旋升角、流量計(jì)流體通道等結(jié)構(gòu)因素有關(guān)外，還與介質(zhì)流體黏性、軸承本身阻尼、軸承潤滑油黏度等有關(guān)，若以上其中一種或幾種相關(guān)因素發(fā)生改變，則儀表系數(shù)K 也會(huì)相應(yīng)改變，因此流量計(jì)應(yīng)通過線性檢定等試驗(yàn)方式進(jìn)行zui終設(shè)計(jì)確認(rèn)。
1.2 性能測試
以 EN 12261-2002《Gas meters - Turbine gasmeters》[8]和 OIML R137-1-2006《氣體流量計(jì)》作為流量計(jì)產(chǎn)品的研制依據(jù)，并嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行性能測試，主要包括：耐久性試驗(yàn)、彎矩與扭矩試驗(yàn)、短時(shí)過載試驗(yàn)、擾動(dòng)試驗(yàn)以及高低溫性能測試等。
1.2.1 耐久性測試
渦輪流量計(jì)進(jìn)行耐久性測試的目的在于確認(rèn)流量計(jì)在條件下的計(jì)量性能是否符合分段要求[9]，即：
式中：δ為計(jì)量相對(duì)誤差；Qmax為工況zui大流量，m3/h；Qmin為工況zui小流量，m3/h；Qt為分界流量點(diǎn)，其值等于 20％Qmax，m3/h。
確認(rèn)各種安裝位置是否影響測試樣機(jī)的計(jì)量性能，安裝位置可分為水平方向、垂直向上與垂直向下。在不同安裝位置情況下，樣機(jī)在耐久性測試前后指示誤差的變化量不得超過式（4）要求值的 1/3。
以 DN80-G100 樣機(jī)為例，進(jìn)行耐久性測試說明。首先將 3 臺(tái)樣機(jī)分別安裝在同一管道的不同位置，管道內(nèi) 0.8 MPa 壓縮氣體以樣機(jī)zui大流量進(jìn)行循環(huán)運(yùn)行，以每 1 000 h 為運(yùn)行單位，將樣機(jī)拆卸并在標(biāo)準(zhǔn)氣體流量裝置上進(jìn)行相應(yīng)性能測試，得到 7 000 h 運(yùn)行測試數(shù)據(jù)（圖 1）。
結(jié)果表明：該測試樣機(jī)滿足耐久性測試要求，指示誤差的變化量未超過zui大允許誤差的 1/3；軸承經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)行磨合更趨于穩(wěn)定，長期運(yùn)行后非線性段更趨于理想特性曲線。
1.2.2 彎扭矩測試
對(duì)于高壓渦輪流量計(jì)，應(yīng)該詳細(xì)說明流量計(jì)所需的彎曲與扭力力矩的保護(hù)水平[2]。該數(shù)據(jù)可以通過試驗(yàn)直接獲得（圖 2，其中直管段 1 連接氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，圖 2a 中在直管段 2 預(yù)先確定的力臂L 位置附加垂直方向的力F 而形成彎矩M；圖 2b 中在直管段 2 側(cè)面預(yù)先確定的力臂L 位置附加垂直方向的力F 而形成扭矩T，而彎矩與扭矩均是作用于流量計(jì)入口與出口法蘭處）。由于該項(xiàng)測試主要是針對(duì)流量計(jì)強(qiáng)度的校核，為了使測試結(jié)果更具說服力，并且提高其可靠性，將鋁合金殼體的中低壓渦輪流量計(jì) DN80-G100 用于此次測試。測試過程中按照 EN 12261-2002 表 10中要求施加 1 倍、2 倍直至 4 倍（即力矩為 3 040 N·m）的砝碼F，未發(fā)現(xiàn)流量計(jì)殼體有任何異常變化。施加砝碼F 時(shí)及卸下砝碼之后得到的指示誤差與施加砝碼F 之前的指示誤差無明顯變化，實(shí)際變化量均在zui大允許誤差的 1/3 以內(nèi)。
1.2.3 常壓與高壓試驗(yàn)對(duì)比
為了確認(rèn)高壓渦輪流量計(jì)在高壓氣體介質(zhì)中計(jì)量性能是否滿足工業(yè)貿(mào)易計(jì)量要求，將多臺(tái) DN80-G160樣機(jī)發(fā)往國家石油天然氣大流量計(jì)量站南京分站進(jìn)行 6 MPa 實(shí)流檢定。使用小流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)編號(hào)為131228041 的 DN80 渦輪流量計(jì)進(jìn)行了檢定（圖 3）。流量計(jì)的儀表系數(shù)K 的計(jì)算公式[10]：
式中（Ki）max、（Ki）min分別為流量計(jì)在qt～qmax流量范圍各流量檢定點(diǎn)得到的Ki中的zui大值和zui小值。
2 FC 型流量計(jì)算機(jī)
流量計(jì)算機(jī)是一種可對(duì)多個(gè)流量測量點(diǎn)集中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、高精度補(bǔ)償運(yùn)算、數(shù)據(jù)顯示存儲(chǔ)及運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信功能的新一代以工業(yè)微型計(jì)算機(jī)為內(nèi)核的計(jì)量儀表。與體積修正儀相比，其數(shù)據(jù)采集頻率高，運(yùn)算速度快且準(zhǔn)確，可以同時(shí)對(duì)多臺(tái)流量計(jì)進(jìn)行溫度壓力修正和計(jì)量，廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、電力、城市燃?xì)饧肮岬刃袠I(yè)的重要貿(mào)易計(jì)量場合和工廠計(jì)量管理網(wǎng)絡(luò)。
FC 型流量計(jì)算機(jī)zui多可以連接 4 路流量計(jì)，可以與渦輪流量計(jì)、腰輪流量計(jì)、渦街流量計(jì)、孔板流量計(jì)等配套使用。當(dāng)流量輸入為脈沖信號(hào)時(shí)，其體積流量為：
Qv=3 600 f/K ?????????????????（6）
式中：Qv為未經(jīng)修正的體積流量，m3/h。
當(dāng)連接孔板流量計(jì)時(shí)，體積流量為[11]：
式中：qv為工作狀態(tài)下體積流量，m3/h；d 為工作條件下孔板開孔直徑，mm；C 為流出系數(shù)，對(duì)于孔板，按標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算；? 為可膨脹系數(shù)；? 為節(jié)流件等效直徑比；Δp為介質(zhì)流經(jīng)孔板時(shí)產(chǎn)生的壓差，kPa；?1為介質(zhì)在工作狀態(tài)下的密度，kg/m3。
此外，F(xiàn)C 型流量計(jì)算機(jī)還具有能量計(jì)量功能，可以直接通過配置的 RS485 通信接口接收氣相色譜儀的組分分析結(jié)果，也可以在流量計(jì)算機(jī)手動(dòng)輸入天然氣組分?jǐn)?shù)據(jù)后，計(jì)算發(fā)熱量，再根據(jù)所計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)體積量計(jì)算天然氣能量[12]：
E=∑VnHs???????????????? （8）
式中：E 為天然氣的能量，kW·h；Vn為天然氣基準(zhǔn)狀態(tài)下的體積，m3；Hs為天然氣基準(zhǔn)狀態(tài)下的單位發(fā)熱量，MJ/m3。
FC 型流量計(jì)算機(jī)內(nèi)置多種壓縮因子計(jì)算模型，且含有多種通信接口，可以使用 RS485 接口與上位機(jī)或色譜儀通信，也可以通過 RJ45 接口使用 Modbus/TCP通信協(xié)議與上位機(jī)通信。
為了滿足流量計(jì)算機(jī)對(duì)多通道數(shù)據(jù)快速處理的要求，同時(shí)，考慮到流量計(jì)算機(jī)硬件配置的靈活性，F(xiàn)C型流量計(jì)算機(jī)采用模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，數(shù)據(jù)采集模塊采用可插拔的板卡形式，每張板卡均配有單獨(dú)的微處理器，由該處理器負(fù)責(zé)接收處理輸入到該數(shù)據(jù)采集模塊的與流量、溫度和壓力相關(guān)的電信號(hào)，同時(shí)，數(shù)據(jù)采集模塊可以根據(jù)輸入信號(hào)的不同進(jìn)行相應(yīng)的配置（圖 4）。
4 結(jié)論
通過超過半年的現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)，高壓渦輪氣體流量計(jì)和配套流量計(jì)算機(jī)精度符合設(shè)計(jì)要求，具有較高的可靠性，各項(xiàng)指標(biāo)和技術(shù)性能*工業(yè)貿(mào)易計(jì)量的要求，打破了國外高壓長輸管道領(lǐng)域的技術(shù)壟斷，積累了一定試驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，為今后高壓長輸管道長期運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。隨著我國工業(yè)計(jì)量事業(yè)和城市燃?xì)獾陌l(fā)展，以及能量計(jì)量的逐步實(shí)施，國產(chǎn)化流量計(jì)具有很強(qiáng)的市場競爭力和較大的市場潛力，也為天然氣的計(jì)量管理提供了技術(shù)保障。
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