天(tian)然氣作爲一種高(gāo)效清潔能源，其需(xū)求量随着全👨‍❤️‍👨球低(dī)碳♉經👈濟的發展呈(cheng)現快速增長趨勢(shi)，預計2020 年國内天然(ran)氣需求量将達 3 000×108m3[1-4]。進(jìn)口渦輪流量計一(yi)直占據着高壓管(guan)道貿易計量市場(chǎng)，而國産 渦輪流量(liang)計 通常應用于低(di)壓管道，用戶主要(yào)爲城市燃氣的工(gōng)業用戶☀️。
    随着工業(yè)過程控制自動化(hua)的實施及輸氣管(guǎn)道的大量建設，對(dui)貿易計量所需的(de)渦輪流量計和具(jù)有強大功能的流(liú)量計算機的需求(qiú)量也不斷增大，因(yin)此，擁有自主知💜識(shí)産權🥵且滿足工業(ye)性應用要求的精(jing)度好的高壓渦輪(lun)流量計 與流量計(jì)算機，對實現管道(dào)設備的國産化，打(dǎ)破國外技術壟斷(duan)，保障管道安全、經(jīng)濟、高效運行，具有(you)十🏃🏻‍♂️分重要的💰意義(yi)。爲了評價☂️國産化(huà)流量計在實際運(yùn)行過程中的準确(que)度、可重複性✊、穩定(dìng)性及安全性等指(zhi)标，爲後續新建管(guan)道的推廣💋應用及(jí)流量計的制造、改(gǎi)進提供依據，對 4 台(tái)國👅産 氣體高壓渦(wō)輪流量計和FC 型流(liu)量計💃算機進行了(le)現場✂️工業性試驗(yan)。
1　高壓氣體渦輪流(liu)量計
1.1　工作原理
    高(gao)壓氣體渦輪流量(liàng)計 是一種帶機械(xie)計數器并用于準(zhun)确測量氣體流量(liàng)的⛹🏻‍♀️流量計，其工作(zuò)原理：當高壓氣流(liu)進入流量計時，首(shǒu)先👈經過🥰整流器整(zhěng)流并加速，在流體(ti)的作用下，渦輪克(ke)服阻力矩開始轉(zhuan)動；當力🔴矩達到平(píng)衡時，渦輪轉速穩(wen)定，此時其轉速與(yu)氣體工況流量成(chéng)正比，并通過齒輪(lun)減速傳動；磁耦合(he)聯接驅動字輪計(jì)數器轉動，直接累(lei)積氣體的工況體(ti)積總量。
因爲通過(guò)渦輪的流量與渦(wō)輪轉速成正比，所(suo)以高頻信号脈❄️沖(chòng)輸出頻率與渦輪(lun)轉速存在以下關(guān)系[7]：

   綜上所述，儀表(biǎo)系數K 除與渦輪導(dao)程、葉片數、葉片寬(kuān)度、螺😍旋升🚶角⚽、流量(liang)計流體通道等結(jié)構因素有關外，還(hái)與介質流體💞黏性(xing)、軸承本身阻尼、軸(zhou)承潤滑油黏度等(děng)有關，若以上其中(zhong)一種或幾種相關(guān)因素發生改變，則(zé)儀表系數K 也會相(xiàng)應改變，因此流量(liang)計應通🏃過線性檢(jian)定等試驗方式進(jìn)行最終設計确認(rèn)。
1.2　性能測試
   以 EN 12261-2002《Gas meters - Turbine gasmeters》[8]和 OIML R137-1-2006《氣(qi)體流量計》作爲流(liú)量計産品的研制(zhi)依據，并嚴格按照(zhào)标準進行性能測(cè)試，主要包括：耐久(jiǔ)性試💰驗、彎矩與扭(niu)矩💛試驗、短時過載(zai)試驗、擾動試驗以(yǐ)及🔆高低溫性能測(ce)試等。
1.2.1　耐久性測試(shi)
渦輪流量計進行(hang)耐久性測試的目(mù)的在于确認流⛷️量(liang)計在🔞指定條件下(xia)的計量性能是否(fou)符合分段要求[9]，即(jí)㊙️：

   确認各種安裝位(wei)置是否影響測試(shì)樣機的計量性能(néng)，安裝位置可分爲(wèi)水平方向、垂直向(xiàng)上與垂直向下。在(zai)不同安裝🥵位置情(qíng)況下，樣機在耐久(jiǔ)性測試前後指示(shì)誤差的變化量💋不(bú)得超過式（4）要求值(zhí)的 1/3。
   以 DN80-G100 樣機爲例，進(jìn)行耐久性測試說(shuō)明。首先将 3 台樣機(jī)分✌️别安裝在同一(yi)管道的不同位置(zhì)，管道内 0.8 MPa 壓縮氣體(ti)以樣機🈲最大流量(liàng)進行🈲循環運行，以(yi)每 1 000 h 爲運行單位，将(jiang)樣機拆卸🏃🏻并在标(biao)準氣體流量裝⛹🏻‍♀️置(zhì)上進行相應性能(néng)測試，得到 7 000 h 運行測(ce)試數據（圖 1）。

   結果表明：該(gai)測試樣機滿足耐(nài)久性測試要求，指(zhǐ)示誤差🈲的變化量(liang)未超過最大允許(xǔ)誤差的 1/3；軸承經過(guò)長時間運行磨合(hé)更趨于穩定，長期(qī)運行後非線性段(duàn)更趨于理想🤩特性(xìng)曲線。
1.2.2　彎扭矩測試(shi)
   對于高壓渦輪流(liu)量計，應該詳細說(shuō)明流量計所需㊙️的(de)彎曲與扭力力矩(ju)的保護水平[2]。該數(shu)據可以通過試驗(yan)直接㊙️獲得❌（圖 2，其中(zhong)直管段 1 連接氣體(ti)流量标準裝置，圖(tu) 2a 中在直管段 2 預😍先(xian)确定的力臂💘L 位置(zhì)附加垂直方向的(de)❓力F 而形成彎矩M；圖(tú) 2b 中在直管段 2 側面(mian)預先确定的力臂(bi)🚩L 位置附加垂直方(fang)向的力F 而形成扭(niǔ)矩T，而彎矩與扭🐅矩(jǔ)均是作用于流量(liàng)計入口與出口法(fǎ)蘭處）。由于👨‍❤️‍👨該項測(ce)🏃🏻‍♂️試主要是針對流(liu)量計強度的校核(hé)，爲了使測試結果(guǒ)🚶‍♀️更具說服力，并且(qiě)❄️提高其可靠🐅性，将(jiāng)鋁合金殼體的中(zhong)低壓渦輪流量計(ji) DN80-G100 用于此次測試。測(cè)試過程中按照 EN 12261-2002 表(biǎo)❗ 10中要求施加 1 倍、2 倍(bei)直至 4 倍（即力矩爲(wèi) 3 040 N·m）的砝碼F，未發現流(liú)量計殼體有任何(he)異常💃變化。施加砝(fa)碼F 時及卸下砝碼(mǎ)之後得到的指示(shì)誤差與施加👅砝碼(ma)F 之前的指示誤差(cha)無明顯🥵變化，實際(jì)變化量均在最大(da)允許誤差的 1/3 以内(nei)。

1.2.3　常(chang)壓與高壓試驗對(dui)比
   爲了确認高壓(yā)渦輪流量計在高(gao)壓氣體介質中計(ji)量性能是♌否滿足(zu)工業貿易計量要(yào)求，将多台 DN80-G160樣機🔞發(fa)往國家🤟石油天然(rán)氣大流量計量站(zhàn)南京分站進行 6 MPa 實(shi)流檢定。使用小流(liú)量标準☀️裝置對編(bian)号爲131228041 的 DN80 渦輪流量(liang)計進行了檢定（圖(tú) 3）。流量💔計的儀表系(xì)數K 的計⁉️算公式[10]


2 　FC 型(xing)流量計算機
   流量(liang)計算機是一種可(ke)對多個流量測量(liang)點集中進行數據(ju)采集、精度高補償(chang)運算、數據顯示存(cún)儲及運用網絡實(shi)現通信功能的新(xin)一代以工業微型(xing)計算機爲内核的(de)計量儀表。與體積(jī)修正儀相比，其數(shù)據‼️采集頻率高，運(yun)算速度快且準确(que)，可以同時對多台(tái)流量計進行溫度(dù)壓力修正和計量(liang)，廣泛應用于石‼️油(you)、化工、冶金、電力、城(cheng)市燃氣及供熱等(děng)行業的重要貿易(yì)計量場合和工廠(chǎng)計量管理網絡。
   FC 型(xing)流量計算機最多(duō)可以連接 4 路流量(liàng)計，可以與渦🏃‍♀️輪♻️流(liú)量計、腰輪流量計(ji)、 孔闆流量計 等配(pèi)套使用。當流量輸(shu)入爲脈沖信号時(shí)，其體積流量🧑🏽‍🤝‍🧑🏻爲：

   此(cǐ)外，FC 型流量計算機(jī)還具有能量計量(liàng)功能，可以直接通(tōng)過配置的 RS485 通信接(jie)口接收氣相色譜(pu)儀的組分分析結(jié)果，也可以在流量(liang)計算機手動輸入(ru)天然氣組分數♍據(ju)後，計算發熱量，再(zai)根⛹🏻‍♀️據所計量的标(biāo)準體積量計算天(tian)然氣能量[12]：

   FC 型流量(liàng)計算機内置多種(zhǒng)壓縮因子計算模(mo)型，且含有多種通(tong)信接口，可以使用(yong) RS485 接口與上位機或(huo)色譜儀通信，也可(ke)以通過 RJ45 接口使用(yong) Modbus/TCP通信協議與上位(wèi)機通信。
   爲了滿足(zu)流量計算機對多(duō)通道數據快速處(chu)理的要求，同時，考(kao)慮到流量計算機(jī)硬件配置的靈活(huó)性，FC型流量計🐉算機(ji)采用模塊化的結(jié)構設計方案，數據(jù)采集模塊采用可(kě)插拔的闆卡形式(shi)，每張闆卡均配置(zhì)有單獨㊙️數據采集(ji)模塊可以根據輸(shū)入信号的不同進(jin)行相應的配置（圖(tu) 4）。的微處理器，由該(gāi)處理器負🈲責接收(shou)處理輸入到該數(shu)據采集模塊的與(yu)流量、溫度和壓力(lì)相關的電信号，同(tóng)時，數據采集模塊(kuai)可以根據輸入信(xin)号的不🌈同進行相(xiang)應的配置（圖 4）。

3　現場工(gōng)業性試驗
   對 4 台高(gāo)壓氣體渦輪流量(liàng)計及流量計算機(ji)進行現場💞工業性(xìng)試❌驗，試驗場地爲(wei)鎮江分輸站（DN80）、滁州(zhōu)分輸📐站（DN80）、青山分輸(shū)清管站（DN50），站場設計(jì)壓力均爲 10 MPa。以滁州(zhōu)分輸站爲例，介紹(shào)㊙️現場工📱業性試驗(yàn)的情況。
   滁州分輸(shū)站用戶分輸路共(gòng) 2 台 Elster-InstrometTRZ G160 DN80 渦輪流量計，設(she)置 1 座計量橇（圖 5），具(jù)備比對流程。選擇(zé) FE3401 備用回路進行 TBQM型(xing)流量計的替換試(shi)🈲用，同時将☁️配套的(de)流量計算機更換(huan)爲 FC 型流量計算機(ji)，調試正常後與 FE3301 回(hui)路流量計進行比(bi)對運行✌️。從流量計(jì)算機機櫃鋪設一(yi)根 3 芯信号線到 PLC 機(ji)櫃，PLC 機櫃安裝 SD16X 防雷(léi)及 485-232 轉換分支器。流(liú)量計算機通過 RS485 信(xìn)号連接至站控系(xi)統，站控系統通過(guò) Modbus 協議讀☁️取流量計(ji)☂️算機的計量數🏃🏻據(ju)。試運行期間，每 3 個(gè)月将 流量計拆卸(xiè)下來，送🍓南京計量(liang)中心檢定。

   流量計(ji)同時輸出高頻脈(mo)沖和低頻脈沖，其(qi)中高頻🔴信号用于(yú)計量，低頻信号用(yòng)于比對。當兩信号(hao)的誤差超出一💋定(dìng)範圍時，流量計算(suàn)機會提示。如渦輪(lún)流✊量計共有 12 個葉(ye)👌片，當某❓一葉片損(sǔn)壞時🚶高頻和低頻(pin)信号将會産生 1/12 的(de)誤差。
   流量計算機(ji)可通過 RS485 信号直接(jie)與氣相色譜儀連(lián)接🐕，讀取天然氣組(zu)分數據，也可以通(tong)過站控機發送或(huo)手動設置天然氣(qi)組分數⭐據。由于滁(chu)州站的氣相色譜(pu)儀停🌏用，因此 FE3301 路和(hé) FE3401 路流量計算機的(de)天然氣組分均爲(wei)每天手動輸入。
   開(kai)始現場安裝試驗(yàn)前，分别将 4 台渦輪(lun)流量計和流量計(jì)算機送第三方檢(jian)定機構檢定。其中(zhong)，渦輪流量計送南(nán)京計量🌈中心檢定(ding)（圖 6，編号爲 131228042 的DN80-G160 流量(liàng)計的檢定結果）。流(liú)量計💰算機送👅至上(shang)海儀器儀表自控(kong)系統檢驗測試所(suo)進行校準測試（表(biao) 1，編号爲 131227004 的流量計(jì)算機校準測試♈數(shù)據），在壓力、溫度爲(wèi)數字⭐量輸入的情(qíng)❤️況下，流量計算機(jī)的誤差來源爲脈(mo)沖測量、壓縮因子(zǐ)計算以及标況流(liú)量計算。


   試驗期間(jian)，各站點每天會記(ji)錄兩台作比對的(de)流量計的💰标🔞況累(lèi)積量，從而統計計(ji)量誤差。根據滁州(zhōu)站FC 型流量計算機(jī)和 Elster 流量計算機（精(jīng)度爲 0.5，流量範圍爲(wèi) 13～250 m
3/h）部分日累積量的(de)比對數據（表 2），偏差(chà)量大部分爲負⛹🏻‍♀️偏(pian)差且最大值爲 0.33％，說(shuo)明 FC 型流量計算機(jī)計量準确且穩定(ding)。

   試運行 3 個月後，将(jiāng)鎮江站 渦輪流量(liang)計和青山站 渦輪(lún)流量計🤩拆卸下來(lái)，送南京計量中心(xīn)檢定。根據鎮江分(fèn)輸站編号爲 131228041 的流(liu)量計試運行前後(hòu)檢定結果（圖 7a）、青山(shān)🌈分輸清管站編号(hao)爲 131228036 的流量計試運(yùn)行前後檢定結果(guǒ)（圖 7b），
   流量計仍然滿(man)足 ±1％誤差的要求。而(ér)與 Elster 流量計的對比(bǐ)數據表明：該類型(xing)國産渦輪流量計(jì)與流量計算機達(dá)到❓了國際水準，滿(man)足工業計量要求(qiu)。

4　結論
   通過超過半(ban)年的現場工業性(xing)試驗，高壓渦輪氣(qi)體流量💞計㊙️和配套(tào)流量計算機精度(du)符合設計要求，具(jù)🏃有較高的可靠性(xìng)，各項指标和技術(shù)性能完全滿足工(gong)業貿易計量🏃的要(yao)求🌈，打破了國外高(gao)壓長輸管道領域(yu)的技術壟斷，積📞累(lei)了一定試驗數據(jù)和經驗，爲今後高(gāo)壓長㊙️輸管道長期(qi)🌍運行奠定了堅實(shí)的基礎❌。随着我國(guo)工業計量事業和(he)城市燃氣的發展(zhan)，以及能量計量的(de)逐步實施，國産化(hua)流量計具有很強(qiang)的市場競争力和(hé)較大的市場潛力(lì)，也爲天然氣的計(ji)量管理提供了技(jì)術保障。

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