摘 要：闡述(shu)高壓氣體渦輪流(liú)量計 并介紹工作(zuò)原理、結構特點、性(xìng)能測試、計量特性(xìng)等，以此證明高🏃‍♀️壓(ya)氣體渦輪流量計(jì)可以作爲貿易計(jì)量應用在高壓✨管(guan)線上
0 引 言
　　天然氣(qì)作爲重要的潔淨(jing)能源，近幾年在城(cheng)市中的🍉應用📱迅猛(meng)發展。在當今市場(chang)經濟的體制下，人(rén)們對經濟效益的(de)日益重視，作爲供(gong)氣、用氣雙方進行(hang)貿易結算依據的(de)🆚計量問題日益突(tū)顯起來[1]，特别對高(gāo)📞壓天然氣的計量(liàng)形勢尤爲嚴⭕峻，“計(ji)量就是計錢”的✉️觀(guān)念深入人心。而世(shi)界能源供求日益(yì)🤞緊張，人們都十分(fèn)關心并尋求一種(zhǒng)精度高，适應性強(qiáng)的流量計來測量(liàng)天然氣流💘量，以減(jiǎn)🍓少、避免天然氣貿(mao)易糾紛。目前國内(nei)渦輪流量🎯計生産(chǎn)廠家均是以中低(dī)壓爲主，對高壓的(de)涉及較少，規格種(zhǒng)類繁多、結構複雜(za)。供油系統、防沖擊(jī)結構等因⛷️素均是(shì)直接影響流量計(jì)使用壽命。與此同(tóng)時，爲了順應國家(jia)能源安全的戰略(lue)部署，保證國家能(néng)源輸運安全，響應(yīng)建設“創新型”國家(jiā)的發🤞展戰略，自主(zhu)知識産權且滿⭕足(zú)工業性應用要求(qiú)的精度佳高壓渦(wo)輪流量計。
1 渦輪流(liu)量計的工作原理(lǐ)與流量特性
1.1 工作(zuo)原理
　　 氣體渦輪流(liú)量計 是一種帶機(jī)械計數器并用于(yu)測量氣體流量的(de)流量🏃🏻計🏒，其工作原(yuán)理如圖1 所示：當氣(qi)流進入流量計時(shi)，首先經過🚶特殊整(zheng)流器整流并加速(sù)，在流體的作用下(xia)，渦輪克服阻🏃力矩(ju)開始轉動🌏。當力矩(ju)☂️達到平衡時☔渦輪(lun)轉速穩定，此時其(qi)轉速與氣體工況(kuàng)流量成正比，并通(tōng)過齒輪減速傳動(dòng)以及磁耦合聯接(jie)驅動字輪計數器(qi)轉動，直接累積氣(qi)體的工況體積總(zong)量。

　　因通過渦輪的(de)流量與渦輪轉速(sù)成正比，高頻信号(hào)脈沖輸出頻率 與(yǔ)渦輪轉速存在下(xià)列
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　　對一定精度的(de)流量計而言，在一(yi)定的流量範圍内(nèi)，其儀表系數K 應接(jie)近常數。理論上儀(yí)表系數K 與體積流(liu)量q成如下關系，即(jí)

式中：K—儀表系數，爲(wei)工況條件下每立(li)方米通過流量傳(chuán)感器🧑🏾‍🤝‍🧑🏼時輸出的脈(mò)沖數，1/m3 ；
q—工況體積流(liú)量m3 s 。
　　綜上所述，儀表(biǎo)系數K 在實際上除(chú)渦輪導程、葉片數(shu)、葉片寬度☁️、螺旋升(sheng)角、流量計流體通(tōng)道等結構因素有(you)關外，還與介👌質流(liú)體粘性、軸承本身(shen)阻尼、軸承潤滑油(yóu)粘度等有關，若以(yi)🌈上其中❤️一種或幾(ji)種相關因📞素發生(sheng)改🈲變，則儀表系數(shù)K就會相應改變。故(gù)每台流📱量計均應(yīng)通過檢定得出儀(yí)表系數。
1.2 流量特性(xing)介紹
　　K—q關系曲線稱(cheng)爲渦輪流量計的(de)流量特性曲線。理(lǐ)論上， K—q關系應是🈲一(yi)條水平直線，但實(shi)際上由于在不同(tóng)的流動狀🍓态下❓，流(liú)體産生阻力機理(lǐ)不同，效果也不同(tong)，所以使特性曲線(xian)成爲曲線形狀。 以(yǐ)DN50 爲例，如圖2 所示。

　　由圖2 可見，儀表(biǎo)系數可分爲二段(duàn)，即線性段和非線(xian)性✔️段。在非線性段(duan)， 實際特性受軸承(chéng)摩擦力、流體粘性(xing)阻力影響較大。當(dang)👈流量低于Qmin 時，儀表(biao)系數随着流量迅(xùn)速變化。壓力損失(shi)與流量🔞的平方成(chéng)正比關系。通常線(xiàn)性段約爲工㊙️作段(duan)的2/3，其特性與渦🧑🏽‍🤝‍🧑🏻輪(lun)結構參🔞數及流體(tǐ)粘性有關。随流😘量(liang)的變化其儀表系(xi)數K 也🔴會有一定的(de)♻️變化，但變化不大(dà)，通常将其變化幅(fu)度稱爲流量計的(de)計量準确♍度。對于(yú)産品設計而言，期(qi)🔞望能将線性段的(de)流量範圍拓展，一(yī)台📞流✏️量計能覆蓋(gai)同口徑的不同流(liu)量♻️範圍，使得産品(pǐn)量程比變寬📐從而(er)降低生産管理與(yǔ)生産批量加工成(chéng)本。對于1.0 級❄️的高壓(yā)氣體渦輪流量計(jì)🌈，以Qt（0.2Qmax）爲分界流量點(diǎn)，将計量線性分爲(wei)兩段，其中一段的(de)最大允許誤差爲(wèi)±2%，而另✏️一段的最大(dà)允許誤差爲±1% 。按圖(tu)2 所示，通常每台渦(wō)輪流量計均有較(jiào)✂️爲相🔅似特性曲線(xiàn)，若将可測量流量(liàng)範圍做寬，就能在(zài)同❤️口徑不同流量(liàng)範圍進行分段截(jié)取，以實現一台流(liu)量計能覆蓋同口(kou)徑的不同流量範(fan)圍。
2 高壓渦輪流量(liàng)計研制
　　高壓氣體(tǐ)渦輪流量計主要(yao)是由鍛鋼殼體、表(biǎo)芯總成🆚、機械顯🌐示(shi)計數器、高壓油泵(beng)、高低頻信号輸出(chū)（按💛客戶要求選配(pèi)）等組成；根據EN12261 要求(qiu)，設計高壓渦輪流(liú)量計内部結構、外(wài)觀等并對殼體與(yu)軸承進行設計計(jì)算；研究高壓供油(you)系統的結構設計(jì)，避👉免軸承潤👌滑油(yóu)回流等👅不良現象(xiàng)；研究渦輪防沖擊(ji)結構設計，緩沖因(yin)流量♌波動引起瞬(shun)間沖🔞擊力；研究雙(shuang)向增計數的新型(xing)機械計㊙️數器，主要(yào)解決了流量計由(you)于其單向計數的(de)特性，而導緻倒置(zhì)安裝時出現計數(shu)不增反減的問題(ti)。
2.1 殼體與軸承設計(jì)計算
　　高壓氣體渦(wō)輪流量計殼體作(zuo)爲主要的承壓零(líng)部件，應進行強度(du)校核計算。并可将(jiang)其視爲鋼管，并根(gen)據标準GB50316 與GB150 中相♌關(guan)規定，計算壁厚ts 計(ji)算公式：

式中 ts—計算(suàn)厚度（mm）；
        P—設計壓力（MPa）；
        Do—管(guan)子外徑（mm）；
—在設計溫(wēn)度下材料的許用(yong)應力（MPa）；
Ej —焊接接頭系(xi)數；
Y—計算系數。
以DN50-PN100 爲(wei)例，将殼體設計參(can)數代入（4）中直

而對(dui)于轉速較高的軸(zhou)承，軸承可靠度爲(wèi)90%，軸承材料爲常規(guī)材料，其基本額定(dìng)動載荷計算公式(shì)如下[3]：

　　将選型軸承(chéng)的參數代入（5）、（6）中直(zhí)接得出基本額定(ding)動載荷C，而選型軸(zhou)承的動載荷Cr 必須(xū)大于基本額定動(dòng)載荷☂️C 才能滿足設(shè)計要求🐪。
2.2 高壓供油(yóu)系統
　　流量計所需(xū)軸承潤滑油必須(xu)在内部密封、持久(jiǔ)、免🔞維📞護或者采用(yòng)外部注入的方式(shi)。高壓渦輪流量計(jì)結構設計應采取(qu)外部注入方式進(jin)行潤滑軸承。該方(fāng)式必須克服🔞高壓(ya)氣體對潤滑油管(guan)❄️反作用力，壓🐅力越(yuè)高，反作用力越強(qiang)。對供油系統提出(chū)🔞更高的要求，目前(qián)行業内的中低壓(yā)供油結構已不适(shi)用，可能🙇🏻會引起潤(rùn)滑油回流或密封(feng)圈提前失效等問(wèn)題。
　　應研制一種高(gao)壓供油系統，其主(zhǔ)要是通過手動油(you)泵将潤滑油從油(yóu)杯注入注油腔中(zhōng)，而注油腔中的潤(run)滑油是🔞通過♊兩隻(zhi)阻回流單向閥以(yǐ)及内置供油管路(lu)将潤滑油直接注(zhu)📧入需潤滑軸承附(fu)近的儲油區内；而(ér)手動油泵是由手(shǒu)柄、油泵座、油杯🙇🏻、
　　活(huó)塞、O 型密封圈等組(zu)成；該結構設計的(de)亮點在于采用兩(liang)隻單🈲向閥其一内(nèi)置油泵，另一嵌入(rù)管道，實現雙重阻(zu)回流功能，并提高(gao)高壓管道供油可(kě)靠性；而且将所有(you)油管内置，該供油(yóu)管路設計🐅結構簡(jian)單、緊湊，實現一📧體(tǐ)化潤滑，順利解決(jue)生産過程與搬運(yùn)物⛷️流對外部引油(you)管路造成傷害；
2.3 渦(wō)輪防沖擊與高頻(pin)信号檢測系統
　　爲(wèi)了減緩流量波動(dong)、管道震動對渦輪(lun)生産瞬間沖擊力(li)，研究⚽計🐅量芯的内(nèi)部結構。通常計量(liàng)芯中前後軸承均(jun)是徑向旋轉作用(yong)，對瞬間沖擊力的(de)承受能力有限，若(ruo)操作不當，對流量(liang)計壽命與精度影(yǐng)響甚大。考慮以🐅上(shang)因素，對計量芯内(nèi)部結構進🍓行改進(jin)。将📱主軸的前後✂️軸(zhou)承作用力分開，前(qian)軸承爲徑向旋轉(zhuan)作用，後軸承爲軸(zhou)向推力作用💃，後軸(zhóu)承也可與推力軸(zhóu)承或波紋墊圈配(pei)合使用。能有效的(de)抑制流體瞬間沖(chong)擊力，并配合渦輪(lun)形成反向推力，能(néng)較快将渦輪調整(zheng)至平衡狀态，從✍️而(er)改善📱渦輪流量計(jì)的⭕壽命✍️與精度。
　　目(mù)前國内外取高頻(pin)信号傳感器頻率(lü)最高大概爲2000Hz，而且(qiě)🍓大部分制造商采(cai)取穿過流體通道(dào)的方式插入計量(liang)芯🚶‍♀️内部實現信号(hào)采取。此方式會引(yǐn)起高、低頻檢定的(de)示值誤差不一緻(zhì)。使用的新型高頻(pin)旋轉✍️檢測傳感器(qi)是通過渦輪的葉(yè)片放大的，對流體(ti)通🚩道無任何影響(xiǎng)，其頻率最高能達(dá)到3 500 Hz 或者更高。通過(guò)該傳感技術的❓應(ying)用，并采用新🍓型信(xin)号處理放大技♊術(shu)和獨特的濾波技(jì)術，有效地剔除🔞壓(yā)力波動和管道振(zhen)動所産生的幹擾(rao)信号，提高流量計(jì)🏃‍♀️的抗幹擾能力。從(cóng)而克服了因頻率(lü)高而丢失信号的(de)難題，提高産品對(duì)小流量的靈敏度(dù)和精度，更便🌂于用(yong)戶高📐頻檢定操作(zuo)等。
2.4 雙向增計數的(de)新型機械計數器(qì)
　　目前市場上的機(jī)械計數器計數均(jun1)爲正向進氣時計(ji)數☎️器正向🍓計數，反(fǎn)向進氣時計數器(qì)反走。而帶單向計(ji)💚數功能的渦輪流(liú)量計是一種能夠(gòu)在渦輪流量計左(zuo)⭕進右出進氣、垂直(zhi)安裝💋、水平安裝條(tiao)件下均能滿足單(dan)向計數（單向計數(shu)可🤞分爲正向計數(shù)與反❤️向計數；按目(mu)☎️前市場需求，此單(dān)向計數便是通常(chang)所✍️說的正向計數(shù)）。然而，在燃氣計量(liang)市場中有部分投(tou)⁉️機分子爲了盜氣(qì)🐉等原因将渦輪流(liu)量計倒置安裝，使(shi)得單向計數器的(de)計數不增反退。爲(wei)了避免上述問題(tí)再次♍出現，設計具(jù)有自主知識産權(quán)帶雙向增計數功(gōng)能的新型渦輪流(liu)量計，其中包括☂️渦(wo)輪流量計基表、上(shang)磁🌈耦合組件、主軸(zhou)、主錐齒輪、錐齒輪(lun)組件和計數字輪(lún)組件等。雙向增計(jì)數功能實現如圖(tú)3 所示，主要是通過(guo)增加單向軸承的(de)💯數量，并對稱分布(bù)🈲在主錐齒輪的兩(liang)側，通過單向軸承(cheng)與錐齒輪的緊配(pèi)合，實現正反進氣(qì)情況下始終有一(yī)隻單向軸承通過(guo)其單向特性帶動(dong)驅動軸轉動，并由(you)驅動軸帶動另一(yī)隻因反向而發生(shēng)自鎖的單向軸承(chéng)轉動，保證驅動軸(zhóu)始終沿一個方向(xiang)轉動，從而保證即(jí)🏃‍♀️使倒🎯置安裝，機械(xie)計數也會隻增⭐不(bu)減。該結構🔱設計也(yě)能🌍有效解決因管(guan)道震動、齒輪反向(xiàng)間隙而引起機械(xie)🌈顯示不整齊等問(wen)題。

3 高壓渦(wo)輪流量計的性能(neng)測試
　　該流量計的(de)研制以歐盟标準(zhun)EN 12261：2002（Measurement of natural gas flow by turbine meters) 與OIMLR137-1 作爲産品設計(ji)依⭐據并嚴格按照(zhao)标準進行性能測(cè)試，該性能測試包(bao)括：耐久性試驗、彎(wan)矩與扭矩試驗、短(duǎn)時過載試驗、擾動(dòng)試驗、高低溫🧡性能(neng)測試等；本文詳細(xì)介紹耐久性試驗(yan)、彎矩與扭矩試驗(yan)
3.1 耐久性測試
　　 渦輪(lun)流量計 進行耐久(jiu)性測試的目的在(zài)于确認流量計在(zài)指定✍️條⛱️件下、額定(dìng)的使用壽命裏的(de)計量性能是否符(fú)合上述的分段要(yào)求，即。

　　還需确認各(ge)種安裝位置是否(fou)影響測試樣機的(de)計量🧡性能🈲，安裝位(wei)置可分爲：水平方(fang)向、垂直向上與垂(chui)直向下；而且不同(tong)安裝位置樣機在(zài)耐久性測試前後(hòu)的指示誤差的變(bian)化🎯量不得✨超過最(zuì)大允許誤差的1/3。
　　整(zheng)個耐久性測試以(yi)DN80-G100 樣機爲例進行說(shuō)明，首先是将三✔️台(tai)樣機分别安裝在(zai)不同安裝位置的(de)同一管道中，其管(guǎn)道是由0.8 MPa 壓縮氣體(ti)爲介質以樣機最(zui)大流量進行循環(huán)運行，以每1 000 h 爲運行(háng)周期将樣機拆卸(xie)并在标準氣體流(liú)量裝置♻️做相應性(xing)能測試，經過7 000 h 運行(háng)如圖4 所示。

從圖4 分(fèn)析可知：
①該測試樣(yàng)機滿足耐久性測(ce)試要求，指示誤差(chà)的變化量未🚶‍♀️超🔞過(guò)最大允許誤差的(de)1/3。
②軸承經過長時間(jiān)運行磨合更趨于(yú)穩定，長期運行後(hou)非線性段更趨于(yu)理想特性曲線。
3.2 彎(wan)矩與扭矩測試
　　對(duì)于高壓氣體渦輪(lún)流量計來說，還應(ying)當詳細說明流量(liang)計所需求的彎曲(qu)與扭力力矩的保(bao)護水平。此數據是(shi)通過試🌈驗直接獲(huò)得，彎矩測試裝置(zhì)如圖5-a 所示，直管段(duàn)1 連接♉氣體流量标(biao)準裝置，在直管段(duan)2 預先确定的力💔臂(bì)L 位置附加垂直方(fāng)❤️向的力F 而✉️形成彎(wān)矩M；扭矩測試裝置(zhì)如圖5-b 所示，直管段(duàn)1 連接氣體流量标(biao)準裝置，在直管段(duan)2 側面預先确定的(de)力臂L 位置附加垂(chui)直方向的力F 而形(xíng)成扭矩T。而彎矩與(yǔ)扭矩均是作用于(yú)流量計入口與出(chu)口法蘭處。由于此(ci)項測試主💋要針對(dui)流量計強度的校(xiao)核，爲了更有說服(fú)力、提高可靠性，故(gu)将鋁合金殼體🈲的(de)中低壓渦輪流量(liàng)計DN80-G100用于此次測試(shì)❓。而整個測試過程(chéng)是将砝碼F 按EN12261 表10 中(zhong)要求1 倍、2 倍直至做(zuo)到4 倍（即力矩爲3 040 N·m），未(wei)發現流量計殼體(tǐ)有任何異♌常變化(huà)。而測試結果表明(ming)在施加砝碼F 之前(qián)、過後得到的指示(shi)誤差與施加砝碼(ma)F 之前的指♋示誤差(cha)未有明顯變化。

3.3 第(dì)三方高壓實流檢(jiǎn)定測試
　　爲了确認(rèn)高壓渦輪流量計(jì)在高壓氣體介質(zhi)中計量性能是否(fǒu)滿足工業貿易計(ji)量要求，相對于常(cháng)壓檢定數據樣機(jī)👣的儀表系數K 有所(suo)偏移，但仍在允許(xǔ)誤差範圍内。其中(zhōng)南京💞分站使用小(xiao)流量标準裝置☀️對(dui)編号爲131228041 的DN80 渦輪流(liú)量計進行檢定，該(gai)樣機在常壓與高(gāo)壓檢定🥰比對數據(jù)如圖6 所示。而流量(liang)計的儀表系數K 的(de)計算如下：



根據上(shàng)式(7)、(8) 并結合圖6 可得(dé)出。
①該樣機完全滿(man)足工業貿易計量(liàng)的指示誤差要求(qiú)。
②高壓相對于常壓(yā)整體線性會向正(zheng)向偏移+0.65%。
③高壓相對(duì)于常壓整體線性(xing)較爲平穩，而且線(xian)性誤💋差有向💯理想(xiang)誤差曲線靠攏的(de)趨勢。
根據實際流(liu)量計的所測得儀(yi)表系數K 更換對應(ying)齒輪傳🤟動比，使機(jī)械表頭顯示部分(fèn)和齒輪轉動發出(chu)📐低頻脈沖輸出均(jun)與高頻脈沖輸出(chū)匹配，實際三者關(guan)系如下：

　　爲了降低(di)齒輪模具的投入(rù)成本，應通過試驗(yan)确認流量計K與i ，以(yǐ)控制i在不同口徑(jìng)不同流量範圍内(nèi)的可調區間均是(shi)一緻的。
4 結束語
　　高(gao)壓渦輪流量計順(shùn)利通過各種性能(néng)測試并獲得相應(yīng)型式✂️批準證書，該(gai)流量計的各項指(zhǐ)标和技術性能完(wan)全🌂滿足🤩工業貿易(yi)計量的要求，而且(qie)打破國外高壓長(zhǎng)輸管線領域🤩的技(ji)術壟斷，爲以後積(jī)累高壓長輸管♊線(xiàn)長期運行經驗奠(diàn)定堅實的基礎。

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