天然(rán)氣作爲一種高(gao)效清潔能源，其(qí)需求量随着全(quán)球🥵低⛷️碳經濟的(de)發展呈現快速(su)增長趨勢，預計(jì) 2020 年國内天然氣(qi)需求量将達 3 000×108m3。進(jìn)🌂口渦輪流量計(ji)一直占據着高(gāo)壓🤟管道貿易計(jì)量市場，而國産(chan)渦輪流量計通(tong)常應用于低壓(yā)管道，用戶主要(yao)爲城市燃氣的(de)工♍業用戶。
　　随着(zhe)工業過程控制(zhì)自動化的實施(shi)及輸氣管道的(de)大💋量建📱設，對貿(mao)易計量所需的(de)渦輪流量計和(he)具有💘強大👄功能(néng)的流量計算機(jī)的需求量也不(bú)斷增大，因此，擁(yong)有自主知識産(chan)權且滿足⁉️工業(yè)性應用要求的(de)高精度高壓渦(wō)輪流量計與流(liu)量計算機，對實(shí)現管道設備的(de)國産化，打破國(guo)外技術壟斷，保(bǎo)障管道安全、經(jing)濟、高效運行，具(jù)有十分重要的(de)☂️意義。爲了🐕評價(jia)國産化流量計(ji)在實際運行過(guo)程中的精🏃‍♀️度、可(ke)重🐪複性、穩定性(xìng)及安全性等指(zhǐ)标，爲後續新建(jiàn)管道的推廣應(ying)🚶‍♀️用及流量計的(de)制造🏃🏻、改進提供(gong)依據，對 4 台國産(chǎn)氣體高壓渦輪(lún)流量計和FC 型流(liu)量計算機進行(hang)了現場工業性(xìng)。
1　TBQM 型高壓氣體渦(wō)輪流量計
1.1　工作(zuò)原理
　　高壓氣體(ti)渦輪流量計是(shi)一種帶機械計(ji)數器并用于精(jing)确測量氣體流(liu)量的流量計，其(qí)☔工作原理：當高(gao)壓氣流進入流(liu)量計時，首先經(jing)過整流器整流(liu)并🌏加速，在流體(ti)的作用下，渦輪(lun)克服阻力矩開(kai)始轉動；當力矩(jǔ)達到平衡時，渦(wo)輪轉速穩定，此(cǐ)時其轉速與氣(qi)體工況流量成(cheng)正比，并通過齒(chi)輪減速傳動；磁(ci)耦合聯接驅動(dòng)字輪計數器轉(zhuǎn)動，直接累積氣(qi)體的工況體積(jī)總量。因爲通過(guo)渦輪的流量與(yu)渦輪轉速成正(zheng)比，所以㊙️高頻信(xin)号脈沖🚩輸出頻(pin)率與渦輪轉速(su)存在以下關系(xì)[7]：
f=nZ （1）
式中：f 爲脈沖頻(pín)率，Hz；n 爲渦輪轉速(sù)，r/s；Z 爲渦輪
葉片數(shù)。
　　爲了使高壓渦(wo)輪流量計在一(yī)定的流量範圍(wei)内正常工㊙️作㊙️，其(qi)儀表系數K 應爲(wèi)常數，但實際上(shàng)儀表系數K與體(ti)積流量q 成一定(dìng)🤩的函數關系，即(ji)：
q=f/K （2）
将式（1）代入式（2），可(ke)得：
K=nZ/q （3）
　　式中：K 爲儀表(biao)系數，爲工況條(tiao)件下每立方米(mi)天然氣通♌過流(liú)量傳感器時輸(shu)出的脈沖數，1/m3；q 爲(wei)工況體積流量(liàng)，m3/s。
綜上所述，儀表(biao)系數K 除與渦輪(lún)導程、葉片數、葉(yè)片寬度、螺🌈旋🌈升(sheng)角、流量計流體(tǐ)通道等結構因(yin)素有關外，還與(yu)介質流體🌈黏性(xing)、軸承本身阻尼(ní)、軸承潤滑油黏(nián)度等有關，若以(yi)🐪上其中♈一種或(huo)幾種相關因素(sù)發生改變，則儀(yi)表系數K 也會相(xiàng)應改變，因此流(liú)量計應通🧑🏾‍🤝‍🧑🏼過線(xiàn)性檢定等方式(shì)進行最終設計(ji)确認。
1.2　性能測試(shì)
　　以 EN 12261-2002《Gas meters - Turbine gasmeters》[8]和 OIML R137-1-2006《氣體流量(liang)計》作爲流量計(jì)産品的研制依(yī)據，并嚴格✌️按照(zhao)标準進行性能(neng)測試，主要包括(kuò)：耐久性、彎矩與(yu)扭矩、短時過載(zai)、擾動㊙️以及高低(di)溫性能測試等(děng)。
1.2.1　耐久性測試
　　渦(wo)輪流量計進行(hang)耐久性測試的(de)目的在于确認(rèn)流量計在🚩指定(ding)條件下的計量(liang)性能是否符合(hé)分段要求[9]，即：

　　式(shì)中：δ爲計量相對(dui)誤差；Qmax爲工況最(zui)大流量，m3/h；Qmin爲工況(kuang)最小流量㊙️，m3/h；Qt爲分(fèn)界流量點，其值(zhí)等于 20％Qmax，m3/h。
　　确認各種(zhǒng)安裝位置是否(fou)影響測試樣機(ji)的計量性能，安(an)裝位🧡置♉可分爲(wèi)水平方向、垂直(zhi)向上與垂直向(xiàng)下。在不同☎️安裝(zhuāng)位置⭐情況下，樣(yang)機在耐久性測(ce)試前後指示誤(wù)差的👄變化量不(bú)得超🙇🏻過式（4）要求(qiú)值的 1/3。
以 DN80-G100 樣機爲(wèi)例，進行耐久性(xìng)測試說明。首先(xian)将 3 台樣機分别(bie)安裝‼️在同一管(guǎn)道的不同位置(zhi)，管道内 0.8 MPa 壓縮氣(qi)體以樣機🏃‍♀️最大(dà)🔞流量進行循環(huán)運行，以每 1 000 h 爲運(yùn)行單💋位，将樣機(jī)拆卸并在标準(zhun)氣體流量裝置(zhi)上進行相應性(xing)能測試，得到 7 000 h 運(yùn)行測試數據（圖(tú) 1）。

　　結果表明(míng)：該測試樣機滿(man)足耐久性測試(shì)要求，指示誤差(cha)的變🌈化🏃‍♂️量未超(chao)過最大允許誤(wu)差的 1/3；軸承經過(guo)長時✊間運🛀行磨(mo)合更✍️趨于🔱穩定(dìng)，長期運行後非(fēi)線性段更趨于(yu)理想特性曲線(xiàn)。
1.2.2　彎扭矩測試
　　對(duì)于高壓渦輪流(liu)量計，應該詳細(xì)說明流量計所(suo)需的彎曲與扭(niǔ)力力矩的保護(hù)水平[2]。該數據可(ke)以通過直接獲(huò)得（圖 2，其中直管(guan)段 1 連接氣體流(liú)量标準裝置，圖(tu) 2a 中在✏️直管段 2 預(yù)先确定的力臂(bì)L 位置附加垂直(zhí)方向的力F 而形(xíng)成彎矩M；圖 2b 中在(zai)直管段 2 側面㊙️預(yu)先确定的力臂(bi)L 位置☁️附加垂直(zhí)方❓向的力F 而形(xíng)成扭矩T，而彎🏃矩(jǔ)與扭矩均是作(zuò)用于流量計🔞入(ru)口與出口法蘭(lan)處）。由于該項測(ce)試主要是針對(dui)流量計強度的(de)校核，爲了使測(ce)試結果更具說(shuo)服力，并且提高(gāo)其可靠性，将🛀鋁(lǚ)合金殼體的中(zhōng)低壓渦輪流💃🏻量(liang)計 DN80-G100 用于此次🌈測(cè)試。測試過程中(zhong)按照 EN 12261-2002 表 10中要㊙️求(qiú)施加 1 倍、2 倍直至(zhì) 4 倍（即力🐅矩爲 3 040 N·m）的(de)砝碼F，未發現流(liu)量計🏃‍♂️殼體有任(rèn)何異常變化。施(shi)加砝碼F 時及卸(xie)下砝碼之後得(dé)到的指示誤差(chà)與施加砝碼F 之(zhī)前的指示誤差(chà)無明顯變化⛷️，實(shi)際變化🌈量均在(zai)最大允💛許誤差(chà)的 1/3 以内。

1.2.3　常(cháng)壓與高壓對比(bǐ)
　　爲了确認高壓(yā)渦輪流量計在(zai)高壓氣體介質(zhi)中計量性能是(shì)否滿足工業貿(mào)易計量要求，将(jiāng)多台 DN80-G160樣機發往(wǎng)🍓國家石油天然(ran)氣大流量計量(liàng)站南京分站進(jìn)行 6 MPa 實流檢定。使(shi)用小流量标準(zhǔn)裝置對編号爲(wei)131228041 的 DN80 渦🙇🏻輪流量計(ji)✌️進行了檢定（圖(tu) 3）。流量計的儀表(biǎo)系數K 的計😍算公(gōng)式[10]：

　　式中（Ki）max、（Ki）min分别爲(wèi)流量計在qt～qmax流量(liang)範圍各流量檢(jiǎn)定點得到的Ki中(zhong)的最大值和最(zui)小值。

2 FC 型流(liú)量計算機
　　流量(liang)計算機是一種(zhong)可對多個流量(liang)測量點集中進(jin)行數據采集、精(jīng)度高補償運算(suàn)、數據顯示存儲(chu)及運用網絡實(shi)現通信功能的(de)新一代以工業(yè)微型計算機爲(wèi)内核的計量儀(yí)表💞。與體積修正(zhèng)儀❄️相比，其數據(jù)采集頻率高，運(yun)算速度快且準(zhun)确，可以同時對(dui)多台流量計進(jìn)行溫度壓力修(xiū)正和計量，廣泛(fan)應用于石油、化(hua)工、冶金、電力、城(cheng)市燃氣及供熱(re)等行業的重要(yào)貿易計量場合(he)和工廠計量管(guan)理網🐆絡。
　　FC 型流量(liang)計算機最多可(kě)以連接 4 路流量(liang)計，可以與渦輪(lun)流量計、腰輪流(liú)量計、孔闆流量(liang)計等配套使用(yòng)。當流量輸入爲(wèi)脈沖信号時，其(qí)體積流量爲：
Qv=3 600 f/K 　　　　（6）
式(shì)中：Qv爲未經修正(zheng)的體積流量，m3/h。
當(dang)連接孔闆流量(liang)計時，體積流量(liang)爲[11]：

　　式中：qv爲工作(zuò)狀态下體積流(liú)量，m3/h；d 爲工作條件(jiàn)下孔闆開孔直(zhí)徑，mm；C 爲流出系數(shù)，對于孔闆，按标(biāo)準計算；? 爲可膨(péng)脹系數；? 爲節🈲流(liú)件等效🥵直徑比(bi)；Δp爲介質流經孔(kǒng)闆時産生的壓(yā)差🌈，kPa；?1爲介質在工(gong)作狀态下💯的密(mì)度，kg/m3。
此外，FC 型流量(liàng)計算機還具有(you)能量計量功能(néng)，可以直接通過(guo)配置的 RS485 通信接(jiē)口接收氣相色(se)譜儀的組分分(fèn)析🔅結果，也可以(yi)在流量計算機(ji)手動輸入天然(ran)氣組分數據後(hòu)，計算發熱💰量，再(zài)根據所計量的(de)标準體積量計(jì)算♋天然氣能㊙️量(liang)[12]：
E=∑VnHs　　　　（8）
　　式中：E 爲天然氣(qi)的能量，kW·h；Vn爲天然(ran)氣基準狀态下(xià)的體積，m3；Hs爲㊙️天然(ran)氣基準狀态下(xià)的單位發熱量(liang)，MJ/m3。
FC 型流量計算機(jī)内置多種壓縮(suo)因子計算模型(xing)，且含有多種💜通(tong)信接口，可以使(shi)用 RS485 接口與上位(wei)機或色譜儀通(tōng)信，也可以通過(guò)✉️ RJ45 接口使用 Modbus/TCP通信(xin)協議與上位機(ji)💃🏻通信。
　　爲了滿足(zu)流量計算機對(duì)多通道數據快(kuài)速處理的要求(qiú)，同時，考慮到流(liú)量計算機硬件(jian)配置的靈活性(xing)，FC型流量計算機(jī)采用模塊化的(de)結構設計方案(an)，數據采集模塊(kuai)采用可插拔的(de)闆卡✌️形式，每張(zhang)闆卡均配有單(dan)獨的微處理器(qi)，由該處理器負(fu)責接收處理輸(shu)入到該數據采(cai)集模塊的與流(liú)量、溫度和壓力(li)相關的電信号(hào)，同時，數據采集(ji)模塊🔱可以根據(ju)輸入❄️信号的不(bu)同進行相應的(de)配置（圖 4）。

4　結論
　　通(tōng)過超過半年的(de)現場工業性，高(gao)壓渦輪氣體流(liu)量計和配套流(liú)量計算機精度(dù)符合設計要求(qiu)，具有較高的可(kě)靠性，各項指标(biao)和技術性能完(wan)全滿足工業貿(mao)易計量的要求(qiu)，打破了國外高(gāo)壓長☎️輸管道領(lǐng)域的技術壟斷(duan)，積累了🈲一定數(shù)據和經驗，爲今(jīn)後高壓長輸管(guǎn)道長🔴期運行奠(diàn)定了堅實的基(ji)礎。随着我國工(gōng)業計量事業和(he)城市燃氣的發(fa)展，以及能量計(jì)量的逐步實💰施(shī)，國産化流量計(jì)具有很強的市(shi)場競争力和較(jiao)大的市場潛力(li)，也爲天然氣的(de)🍉計量管理提供(gòng)了保障。

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