高压涡轮流量计工业试验
作为高效清洁的能源，随着全球低碳经济的发展，对天然气的需求正在迅速增长。预计到2020年，国内天然气需求量将达到3000×108m3 [1-4]。进口涡轮流量计一直占据高压管道贸易计量市场，而国产涡轮流量计一般用于低压管道，用户主要是城市燃气的工业用户。
随着工业过程控制自动化和燃气管道建设的实施，对贸易计量功能强大的涡轮流量计和流量计算机的需求也在不断增加[5]。因此，拥有自主知识产权的高精度高压涡轮流量计和流量计算机符合工业应用要求，对于实现管道设备国产化，打破国外技术垄断，确保安全，经济，和管道的高效运作。为了评估国产流量计在实际运行过程中的准确性，重复性，稳定性和安全性，为新型管道的推广应用和流量计的制造和改进提供了依据。涡轮流量计和FC型流量计算机在工业上进行了现场测试。
1、高压气体涡轮流量计
1.1它是如何工作的？
高压气体涡轮流量计是一种带有机械计数器的流量计，用于精确测量气体流量。其工作原理：高压气流进入流量计时，先由整流器整流加速。在流体作用下，涡轮机克服阻力矩开始旋转;当转矩达到平衡时，涡轮转速稳定。此时，汽轮机的转速与燃气的流量成正比，并通过齿轮减速。磁耦合器的耦合驱动字轮的计数器直接累积气体的工作体积。
由于通过涡轮的流量与涡轮速度成正比，所以高频信号脉冲的输出频率与涡轮速度之间存在关系[7]：
总之，仪表系数K与结构因素有关，如涡轮机导程，叶片数量，叶片宽度，螺旋角和流量计流体通道，以及流体粘度，阻尼的轴承本身，以及轴承润滑剂的粘度。相关的，如果一个或多个上述相关因素发生变化，仪表系数K也会相应变化，因此流量计应通过线性验证和其他测试方法来确定最终设计。
1.2性能测试
根据EN 12261-2002“燃气表 - 涡轮气量计”[8]和OIML R137-1-2006“气体流量计”作为流量计产品开发的基础，并严格按照标准进行性能测试，其中包括：耐久性测试，弯矩和扭矩测试，短期过载测试，干扰测试以及高温和低温性能测试。
1.2.1耐久性测试
涡轮流量计耐久性试验的目的是确认流量计在特定条件下的计量性能是否满足分段要求[9]，即：
确认各种安装位置是否会影响测试样品的测量性能。安装位置可分为水平方向，垂直向上和向下。在不同安装位置的情况下，耐久性试验前后原型指示误差的变化不得超过公式（4）所需值的1/3。
以DN80-G100原型为例说明耐久性测试。首先，将三个原型安装在同一管道中的不同位置。管道中的0.8MPa压缩气体以原型的最大流量循环。在环形运行中，每运行1 000 h作为操作单元，拆解原型并在标准气流装置上进行相应的性能测试，以获得7 000 h运行测试数据（图1）。
DN80-G100流量计原型耐久性测试数据
结果表明，试样满足耐久性试验要求，指示误差的变化不超过最大允许误差的1/3; 长时间运转后轴承运转更加稳定，长期运行后非线性部分趋于理想。
1.2.2弯曲扭矩测试
对于高压涡轮流量计，应规定流量计对弯曲和扭矩要求的保护等级[2]。该数据可以直接从测试中获得（图2，其中直管部分1连接到标准气流装置，并且在图2a中，竖直力F被加到直线的预定臂L位置以形成弯曲力矩M;图2b在竖直方向上的力T被加到直管段2侧上的预定臂L位置上以形成扭矩T，并且弯曲力矩和扭矩作用于流量计入口和出口法兰）。由于该测试主要是为了验证流量计强度，为了使测试结果更具说服力并提高其可靠性，铝合金外壳本试验采用中低压涡轮流量计DN80-G100。 在测试过程中，按照EN 12261-2002的表12，施加1×，2×4×（即3 040 N·m的扭矩）的权重F. 流量计外壳没有发现异常变化。 在施加重量F之后和去除重量之后获得的指示误差和施加重量F之前的指示误差没有显着变化。实际变化在最大允许误差的1/3内。
高压涡轮流量计弯矩和扭矩试验设备原理图
1.2.3常压和高压试验比较
为了确定高压气体介质中高压涡轮流量计的计量性能是否符合工业贸易计量要求，多台DN80-G160样机被送往国家油气大流量测站南京变电站，压力为6MPa实时流量验证。 DN80涡轮流量计编号131228041使用小流量标准装置进行认证（图3）。流量计[10]的仪表系数K的计算公式，
DN80涡轮流量计的常压和高压测试数据
2、FC流量计算机
流量计算机是新一代工业微机计量仪表，可集中数据采集，高精度补偿计算，数据显示和存储，并利用网络实现多流量测量点的通讯功能。与体积校正器相比，数据采集频率高，运行速度快速准确，同时可对多台流量计进行温度压力校正和计量，广泛应用于石油，化工，冶金，电力，城市燃气和供热等行业重要的交易计量场合和工厂计量管理网络。
FC型流量计算机可以连接到其次是4个流量计，可用于涡轮流量计，腰流量计，孔板流量计等配套。当流量输入是脉冲信号时，其体积流量为：
此外，FC型流量计还具有电量计量功能，可通过配置的RS485通讯接口直接接收气相色谱仪的成分分析结果，并可在流量计算机手动输入天然气成分数据后计算出热量。计算天然气能量的标准体积[12]：
FC型流量计算机内置多种压缩因子计算模型，并包含多种通信接口，可以使用RS485接口与上位计算机或色谱仪进行通信，也可通过RJ45接口使用Modbus / TCP通信协议与主机通讯。
为了满足流量计算机对多通道数据快速处理的要求，同时考虑到流量计算机硬件配置的灵活性，FC型流量计算机采用了模块化的结构设计方案，数据采集模块采用可插拔的板卡格式。每块板卡都配有一个独立的数据采集模块，可根据输入信号进行相应配置（图4）。显微处理器负责接收和处理与输入到数据采集模块的流量，温度和压力相关的电信号。同时，数据采集模块可以根据不同的输入信号对应配置（图4）。
图4流量计算机硬件结构
3、现场工业测试
对4台高压燃气涡轮流量计和流量计算机进行了现场工业测试。试验场为镇江变电站（DN80），泸州变电站（DN80）和青山变电站（DN50）。站的设计压力都是10兆帕。以赣州变电站为例介绍现场工业试验的情况。
在滁州变电站用户的分配中有两个Elster-InstrometTRZ G160 DN80涡轮流量计。设置一组测量滑块（图5），并比较流量。选择FE3401备用电路用于替换TBQM流量计。同时，用FC流量计算机替换匹配的流量计算机。调试结束后，将其与FE3301回路流量计进行比较。从流量计算机机柜中放置3个单元的信号线到PLC柜，PLC柜配有SD16X防雷和485-232转换分支。流量计算机通过RS485信号连接到站控系统，站控系统通过Modbus协议读取流量计算机的计量数据。试运行期间，流量计每3个月拆除一次，送至南京计量中心进行验证。
流量计同时输出高频脉冲和低频脉冲，其中高频信号用于测量，低频信号用于比较。当两个信号的误差超过一定范围时，流量计算机会提示。如果涡轮流量计共有12个叶片，当叶片损坏时，高频和低频信号会产生1/12误差。
流量计算机可以通过RS485信号直接与气相色谱仪连接读取天然气成分数据，也可以通过台站控制机发送或手动设置天然气成分数据。由于Zhu州站气相色谱仪的退役，FE3301和FE3401流量计算机的天然气成分每天都要手动输入。
在开始现场安装测试之前，将4台涡轮流量计和流量计算机发送到第三台党的核查机构。其中，涡轮流量计被送到南京计量中心进行验证（图6，DN80-G160流量计编号为131228042）。流量计算机被送到上海仪器仪表自动化系统进行校准测试（表1，流量计算机校准测试数据131227004）。当压力和温度是数字输入时，流量计算机的误差源是脉冲测量。 ，压缩因子计算和标准流量计算。
在测试期间，每个站点将记录每天用于比较的两个流量计的累计数量，以统计测量错误。根据滁州站FC型流量计算机和埃尔斯特流量计算机（精度0.5，流量范围13〜250 m
3 / h）部分日均累积体积比较数据（表2），偏差多为负偏差，最大值为0.33％，表明FC型流量计量准确稳定。
经过3个月的试运行，镇江站涡轮流量计和青山站涡轮流量计被拆除并送到南京计量中心进行验证。根据镇江变电站131228041号流量计调试前后的测试结果（图7a）和清管站青山分公司前后流量计的测试结果，其中131228036（图7b），
流量计仍然满足±1％误差的要求。与埃尔斯特流量计的对比数据表明，这种类型的家用涡轮流量计和流量计算机已达到国际标准以满足工业测量要求。
4、结论
经过半年多的现场工业测试，高压涡轮气体流量计和配套流量计算机的精度满足设计要求。 具有高可靠性，各项指标和技术性能完全可以满足工业贸易计量的要求，打破长期的国外高压传动。 管道领域的技术垄断积累了一定的实验数据和经验，为未来高压长输管道的长期运行打下了坚实的基础。 随着中国工业计量业务和城市燃气的发展以及能源计量的逐步实施，本地化流量计具有较强的市场竞争力和较大的市场潜力，同时也为天然气计量管理提供技术支持。
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