详谈高压涡轮流量计

　　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3000×108 m3 [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，具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，和管道的有效运作[6]。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， 4家用煤气。在涡轮流量计和FC流量计算机上进行了现场工业测试。
1 TBQM高压燃气轮机流量计
1.1工作原理
　　高压燃气轮机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：当高压气流进入流量计时，先由整流器整流加速。在流体的作用下，涡轮机克服了阻力矩。回转;当扭矩达到平衡时，涡轮速度稳定。此时，转速与气体流量成正比，并由齿轮减速驱动。驱动磁力耦合器驱动角轮计数器旋转，直接累积气体工作状态的总量。因为通过涡轮机的流量与涡轮机速度成比例，所以高频信号脉冲的输出频率与涡轮机速度之间存在关系[7]：
f = nZ（1）
其中：f是脉冲频率，Hz; n是涡轮速度，r / s; Z是涡轮机
叶子数量。
为了使高压涡轮流量计在一定的流量范围内正常工作，流量计系数K应该是一个常数，但实际上流量计系数K和体积流量q有一定的函数关系，即：
q = f / K（2）
将方程（1）代入方程（2），可以得到：
K = nZ / q（3）
　　其中：K对于仪表系数，在运行条件下每立方米天然气通过流量传感器输出的脉冲数为1 / m3; q是工作流量，m3 / s。
　　总之，仪表系数K与诸如涡轮引线，叶片数量，叶片宽度，螺旋角和流量计的流体流动路径等结构因素以及介质流体的粘度有关，轴承本身的阻尼，轴承润滑油的粘度等等。相关的，如果上述相关因素中的一个或多个因素发生变化，仪表系数K也会相应变化，所以流量计应通过线性验证和其他测试方法来确认最终设计。
1.2性能测试
　　根据EN 12261-2002“燃气表 - 汽轮机燃气表”[8]和OIML R137-1-2006“燃气流量计”作为流量计产品开发的依据，并严格按照标准性能测试，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定流量计在规定条件下的计量性能。它是否符合细分市场的要求[9]，即：

　　其中：δ是测量的相对误差; Qmax是工作状态的最大流量，m3 / h; Qmin是工作状态的最小流量，m3 / h; Qt是边界流动点，其值等于20％Qmax，m3 / h。
　　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。在不同的安装位置情况下，原型耐久性试验前后指示误差的变化不得超过公式（4）所要求值的1/3。
　　以DN80-G100原型为例说明耐久性测试。首先，在同一管道的不同位置安装了三个原型。管道中的0.8MPa压缩气体以原型的最大流量循环。每1000小时，发动机被拆卸并在标准气流装置上运行。测试并获得7 000 h的运行测试数据（图1）。

DN80-G100涡轮流量计原型耐久性测试数据
　　结果表明测试样品满足耐久性测试要求，并且指示的误差不超过最大允许误差。1/3的轴承;经过长时间运转后轴承更加稳定，非线性部分长期运行后趋于具有理想的特性曲线。
1.2.2弯曲扭矩测试
　　对于高压涡轮流量计，应规定流量计对弯矩和扭矩的保护水平[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的强度，为了使测试结果更有说服力并提高其可靠性，使用铝合金外壳的低压涡轮流量计DN80-G100进行该测试。在测试期间，根据EN 12261-2002的表12，施加1×，2×至4×（即扭矩为3 040 N·m）的重量F.流量计外壳没有发现异常变化。在施加重量F之后和在移除重物之后获得的指示误差没有显着变化，并且在施加重量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。

1.2.3大气压力和高压测试的比较
　　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]的流量计系数K的计算公式为：

在公式中，（Ki）max和（Ki）min是流量计在qt〜qmax流量范围的每个流量检查点获得的Ki的最大值和最小值。

DN80涡轮流量计的常压和高压测试数据
2台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，计算速度快速准确，可同时对多台流量计进行温度压力校正和测量，在石油行业得到广泛应用。，化工，冶金，电力，城市燃气和供热行业等重要贸易计量场合和工厂计量管理网络。
　　FC型流量计可连接最多4个流量计，可与涡轮流量计，腰部流量计和孔板流量计一起使用。当流量输入是脉冲信号时，其体积流量为：
Qv = 3 600 f / K－－－－－－－－－－－（6）
其中：Qv是未修改的体积流量，m3 / h。
当孔板流量计连接时，体积流量为[11]：

　　其中：qv是工作条件下的体积流量，m3 / h; d是孔板在工作条件下的开口直径，mm; C是孔板的流出系数，按照标准计算; ？是扩张系数; ？是截面流量当量直径比; Δp是介质流过孔口时的压差，kPa; 11是介质在工作条件下的密度，kg / m3。
　　此外，FC型流量计算机还具有电能计量功能。它可以通过配置的RS485通讯接口直接接收气相色谱仪的成分分析结果，也可以在流量计算机手动输入天然气成分数据后进行计算。热值，然后根据测得的标准体积计算天然气能量[12]：
E =ΣVnHs---------------------（8）
　　其中：E是天然气的能量，kW·h; Vn是天然气参考状态下的体积，m3; Hs是天然气参考状态下的单位热值，MJ / m3。
　　FC型流量计算机内置多种压缩系数计算模型，并包含多种通讯接口，可以使用RS485接口与上位机或色谱仪进行通讯，也可通过RJ45接口使用Modbus / TCP通讯协议与主机通讯。
　　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型流量计算机采用模块化结构设计方案，数据采集模块采用可插拔的电路板形式，每块电路板上配备一个单独的微处理器，负责接收和处理与流量，温度和压力输入数据采集模块相关的电信号。同时，数据采集模块可以根据不同的输入信号进行相应的处理。配置（图4）。

流量计算机硬件结构图
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奠定了坚实的基础。 随着中国工业计量业务和城市燃气的发展，以及电能计量的逐步实施，本地化流量计具有很强的市场竞争力和巨大的市场潜力，也为天然气计量管理提供技术支持。