天然(rán)氣作爲(wèi)一種高效清潔能(néng)源(yuán)，其需(xū)求量(liàng)随着全球(qiú)低(dī)碳(tàn)經濟的發展呈(chéng)現快速增長趨(qū)勢，預計2020 年國内(nèi)天然氣需(xū)求量(liàng)将達 3 000×108m3[1-4]。進口渦輪(lún)流量計一(yī)直占(zhàn)據着(zhe)高壓管道(dào)貿易(yì)計量(liàng)市場(chǎng)，而國(guó)産 渦輪流(liú)量計 通常應用(yòng)于低壓管道，用(yòng)戶主要爲(wèi)城市(shì)燃氣的工業用(yòng)戶(hù)。
    随着工業過(guò)程控(kòng)制自動化的實施及(jí)輸氣(qì)管道的大量建設，對(duì)貿易計量所需(xū)的渦輪流(liú)量計和具有(yǒu)強大功(gōng)能的(de)流量(liàng)計算機的(de)需求(qiú)量也(yě)不斷(duàn)增大(dà)，因此，擁有自主(zhǔ)知識(shí)産權且滿(mǎn)足工業性(xìng)應用(yòng)要求的(de)精(jīng)度好(hǎo)的高壓渦(wō)輪流量計(jì) 與流量計(jì)算機，對實(shí)現(xiàn)管(guǎn)道設備的國産(chǎn)化，打破國(guó)外技(jì)術壟(lǒng)斷，保障管(guǎn)道安全、經(jīng)濟、高(gāo)效運行，具有十(shí)分重要的意義。爲了評價國産(chǎn)化流量計(jì)在實際運(yùn)行過(guò)程中(zhōng)的準确(què)度、可重(zhòng)複性(xìng)、穩定(dìng)性及(jí)安全性(xìng)等(děng)指标，爲後(hòu)續新建管(guǎn)道的推(tuī)廣(guǎng)應用及流(liú)量計的制(zhì)造、改進提(tí)供依(yī)據，對 4 台國産 氣體高(gāo)壓渦輪流(liú)量計和fc 型流量(liàng)計算(suàn)機進行了(le)現場工業(yè)性試驗。
1　高壓氣體渦(wō)輪流(liú)量(liàng)計
1.1　工作(zuò)原理
    高壓(yā)氣體(tǐ)渦輪(lún)流量計 是(shì)一種帶機械計(jì)數器并用(yòng)于準确測量氣體流(liú)量的流量計，其(qí)工作原理(lǐ)：當高(gāo)壓氣流(liú)進(jìn)入流(liú)量計(jì)時，首先經(jīng)過整(zhěng)流器整流(liú)并(bìng)加速，在流體(tǐ)的作用下(xià)，渦輪(lún)克服阻力矩開始轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)力矩(jǔ)達到平衡時，渦輪轉速穩(wěn)定，此(cǐ)時其轉(zhuǎn)速與氣體工(gōng)況流(liú)量成(chéng)正比，并通過齒輪減(jiǎn)速傳動；磁(cí)耦合聯(lián)接(jiē)驅動(dòng)字輪(lún)計數器轉(zhuǎn)動，直接累(lèi)積氣(qì)體的工況體積(jī)總量。
因爲(wèi)通過渦輪的流量與(yǔ)渦輪轉速(sù)成正(zhèng)比，所以高(gāo)頻信(xìn)号脈沖輸出頻(pín)率與渦(wō)輪轉速(sù)存在以下(xià)關系[7]：

   綜上(shàng)所述，儀表系數k 除與渦輪(lún)導程(chéng)、葉(yè)片(piàn)數、葉(yè)片寬度(dù)、螺旋升角、流量計(jì)流體(tǐ)通道等結構(gòu)因(yīn)素有(yǒu)關外(wài)，還與(yǔ)介質(zhì)流體黏性(xìng)、軸承(chéng)本身阻尼、軸承潤(rùn)滑(huá)油黏度等(děng)有關(guān)，若以上其中一(yī)種或(huò)幾種相關(guān)因素(sù)發生(shēng)改(gǎi)變(biàn)，則儀表系(xì)數k 也會相(xiàng)應改變，因此流量計(jì)應通過線(xiàn)性檢定等試驗(yàn)方式(shì)進(jìn)行最終(zhōng)設計(jì)确認(rèn)。
1.2　性能測試(shì)
   以 en 12261-2002《gas meters - turbine gasmeters》[8]和 oiml r137-1-2006《氣體(tǐ)流量計》作(zuò)爲流量計(jì)産品的研(yán)制依據，并(bìng)嚴格(gé)按照标準(zhǔn)進行(háng)性能(néng)測(cè)試(shì)，主要包括：耐久性試(shì)驗、彎矩(jǔ)與扭矩試驗(yàn)、短時(shí)過載(zǎi)試驗、擾動試驗(yàn)以及高低溫性能測(cè)試等。
1.2.1　耐久性測試
渦輪流(liú)量計進行耐久(jiǔ)性測試的目的(de)在于确(què)認(rèn)流量(liàng)計在指定條件下的計量性能(néng)是否(fǒu)符合(hé)分段(duàn)要求[9]，即(jí)：

   确認各(gè)種安(ān)裝位(wèi)置是(shì)否影響測試樣機的計量性能(néng)，安裝位置可分(fèn)爲水(shuǐ)平方(fāng)向、垂(chuí)直向上與垂直向下(xià)。在不同安(ān)裝位置情況下，樣機(jī)在耐(nài)久性(xìng)測試前後(hòu)指示誤差(chà)的變化量不得超過式（4）要求值的(de) 1/3。
   以 dn80-g100 樣機(jī)爲例(lì)，進行(háng)耐久(jiǔ)性測試說明。首(shǒu)先将 3 台樣機分别安裝在(zài)同一(yī)管道的不同位置，管(guǎn)道内 0.8 mpa 壓縮(suō)氣體以樣機最(zuì)大流量進行循環運行，以(yǐ)每 1 000 h 爲(wèi)運行單位，将樣(yàng)機拆卸并(bìng)在标(biāo)準(zhǔn)氣(qì)體流量裝(zhuāng)置上進(jìn)行相應(yīng)性能(néng)測試(shì)，得到 7 000 h 運行測試數據(jù)（圖 1）。

   結果表明(míng)：該(gāi)測試樣(yàng)機(jī)滿足(zú)耐久(jiǔ)性(xìng)測試要(yào)求，指示誤差的變化(huà)量未超過(guò)最大允許(xǔ)誤差(chà)的 1/3；軸承經過長(zhǎng)時間(jiān)運(yùn)行磨合(hé)更趨(qū)于(yú)穩定，長(zhǎng)期運行後非線性段更趨于(yú)理(lǐ)想特性曲線。
1.2.2　彎(wān)扭矩測試(shì)
   對于(yú)高壓渦輪流量計，應該詳細說(shuō)明流量計(jì)所需(xū)的彎曲與扭力(lì)力矩的保(bǎo)護水平[2]。該(gāi)數據可以(yǐ)通(tōng)過試驗(yàn)直接(jiē)獲得(dé)（圖 2，其(qí)中直(zhí)管段(duàn) 1 連接氣體(tǐ)流量(liàng)标(biāo)準裝置(zhì)，圖 2a 中在直(zhí)管段(duàn) 2 預先确定的力(lì)臂l 位置附(fù)加垂(chuí)直方向的(de)力f 而形成彎(wān)矩(jǔ)m；圖 2b 中(zhōng)在直(zhí)管段 2 側面(miàn)預先确定(dìng)的力(lì)臂l 位置附加垂(chuí)直方向(xiàng)的(de)力f 而形成扭矩t，而彎(wān)矩與(yǔ)扭矩均是(shì)作用于流(liú)量計(jì)入口與出(chū)口(kǒu)法(fǎ)蘭處(chù)）。由(yóu)于該項(xiàng)測試(shì)主(zhǔ)要是針(zhēn)對流量計(jì)強度的校核，爲了使(shǐ)測試結果更具(jù)說服力，并(bìng)且提(tí)高其(qí)可(kě)靠性，将(jiāng)鋁合(hé)金殼(ké)體的(de)中(zhōng)低壓渦輪流(liú)量計 dn80-g100 用于(yú)此次測試。測試(shì)過程中按照 en 12261-2002 表 10中要(yào)求施(shī)加 1 倍、2 倍直(zhí)至 4 倍（即(jí)力矩爲(wèi) 3 040 n·m）的砝(fǎ)碼f，未發現(xiàn)流量計殼(ké)體有任何(hé)異常變化。施加砝碼(mǎ)f 時及卸下砝碼之後(hòu)得到的指(zhǐ)示誤(wù)差與施加(jiā)砝碼(mǎ)f 之前(qián)的(de)指示誤(wù)差無(wú)明顯(xiǎn)變化(huà)，實際變(biàn)化量均在最大允許誤(wù)差的 1/3 以内(nèi)。

1.2.3　常壓(yā)與高(gāo)壓試(shì)驗對比
   爲(wèi)了确(què)認高(gāo)壓(yā)渦(wō)輪流(liú)量計在高壓氣(qì)體介質中計量性能(néng)是否(fǒu)滿足(zú)工業貿易(yì)計量(liàng)要求，将多台 dn80-g160樣(yàng)機發往國(guó)家石油(yóu)天然(rán)氣大流(liú)量計量站南京分站(zhàn)進(jìn)行 6 mpa 實流檢定。使用小流(liú)量标(biāo)準裝置對(duì)編号爲131228041 的 dn80 渦輪(lún)流量(liàng)計進行(háng)了(le)檢定（圖 3）。流量計(jì)的儀表(biǎo)系數k 的計算公(gōng)式[10]


2 　fc 型流(liú)量計算機(jī)
   流量計算(suàn)機是(shì)一種可對多個(gè)流量(liàng)測(cè)量點集(jí)中進(jìn)行數(shù)據(jù)采(cǎi)集、精度高(gāo)補償運算、數(shù)據顯示存儲及運(yùn)用網(wǎng)絡實現(xiàn)通信功(gōng)能的新(xīn)一代以(yǐ)工業(yè)微(wēi)型計算機爲(wèi)内(nèi)核(hé)的計量儀表。與體積(jī)修正儀(yí)相(xiàng)比，其(qí)數據(jù)采(cǎi)集頻率(lǜ)高，運算(suàn)速(sù)度快(kuài)且準确，可以同(tóng)時對多台流量計進(jìn)行溫(wēn)度壓(yā)力修正和計(jì)量(liàng)，廣泛應用(yòng)于石(shí)油、化工(gōng)、冶金、電(diàn)力、城市(shì)燃(rán)氣及(jí)供(gòng)熱等(děng)行業的(de)重要貿易(yì)計量(liàng)場合和(hé)工(gōng)廠計量管理網絡。
   fc 型(xíng)流量計算機最(zuì)多可以連(lián)接 4 路(lù)流量(liàng)計，可(kě)以與(yǔ)渦輪(lún)流量(liàng)計、腰輪流量計、 孔闆(pǎn)流量(liàng)計 等(děng)配套(tào)使用。當流量輸(shū)入爲脈(mò)沖(chòng)信号(hào)時，其(qí)體積流量(liàng)爲：

   此外，fc 型流量(liàng)計算(suàn)機(jī)還(hái)具有能量計量功能(néng)，可以直(zhí)接(jiē)通過配置(zhì)的 rs485 通(tōng)信接(jiē)口接收(shōu)氣相色(sè)譜儀(yí)的組分分析結果，也可以(yǐ)在流(liú)量計算(suàn)機(jī)手動輸(shū)入天然氣組分(fèn)數(shù)據後(hòu)，計算(suàn)發熱(rè)量，再(zài)根據所計量的(de)标準(zhǔn)體積量計算天然氣能量(liàng)[12]：

   fc 型流量計算機(jī)内置多(duō)種壓縮(suō)因子計算模型(xíng)，且含(hán)有多種通(tōng)信接(jiē)口，可(kě)以使(shǐ)用 rs485 接(jiē)口與上位(wèi)機或色譜(pǔ)儀通(tōng)信，也(yě)可以通過(guò) rj45 接口使用(yòng) modbus/tcp通信(xìn)協議(yì)與上位機(jī)通信(xìn)。
   爲了滿足(zú)流量(liàng)計算機對(duì)多通道(dào)數據快(kuài)速處(chù)理的要求(qiú)，同時，考慮(lǜ)到流(liú)量計(jì)算(suàn)機(jī)硬件(jiàn)配置的靈(líng)活性(xìng)，fc型流(liú)量(liàng)計算機(jī)采用模塊(kuài)化的結構(gòu)設計方案(àn)，數據采(cǎi)集(jí)模塊采用可插(chā)拔的(de)闆卡形(xíng)式(shì)，每張(zhāng)闆卡均配(pèi)置有(yǒu)單獨數據(jù)采集模塊(kuài)可以根據(jù)輸入(rù)信号的不(bú)同進行相應的(de)配置(zhì)（圖 4）。的(de)微處(chù)理器，由該處理(lǐ)器負責接(jiē)收處理輸入(rù)到該數(shù)據采集(jí)模塊的(de)與流量、溫度和(hé)壓力相關(guān)的電(diàn)信号(hào)，同時，數據(jù)采集模塊可以(yǐ)根據(jù)輸入信号(hào)的不(bú)同進行(háng)相(xiàng)應的配置（圖 4）。

3　現場工業性試(shì)驗
   對 4 台(tái)高壓(yā)氣(qì)體渦輪流(liú)量計及流(liú)量計(jì)算機(jī)進行現場工業(yè)性試(shì)驗(yàn)，試(shì)驗場(chǎng)地爲(wèi)鎮江分輸站（dn80）、滁州分輸站(zhàn)（dn80）、青山分輸清管(guǎn)站（dn50），站場(chǎng)設計壓(yā)力均爲 10 mpa。以滁州(zhōu)分輸(shū)站(zhàn)爲例，介(jiè)紹現場(chǎng)工(gōng)業性(xìng)試驗的情況。
   滁(chú)州分(fèn)輸站用戶(hù)分輸路(lù)共(gòng) 2 台 elster-instromettrz g160 dn80 渦(wō)輪流量計，設置(zhì) 1 座計(jì)量橇(qiāo)（圖 5），具(jù)備比對流(liú)程。選擇 fe3401 備用(yòng)回(huí)路進行 tbqm型流量計的(de)替換試用(yòng)，同時将配套的流量計算機更(gèng)換爲(wèi) fc 型流量計(jì)算機，調(diào)試正(zhèng)常(cháng)後與(yǔ) fe3301 回路流量計進(jìn)行比對運(yùn)行。從(cóng)流量計(jì)算機機(jī)櫃鋪(pù)設一根 3 芯(xīn)信(xìn)号(hào)線到 plc 機櫃(guì)，plc 機櫃(guì)安裝 sd16x 防雷(léi)及 485-232 轉換(huàn)分(fèn)支器。流量(liàng)計算機通過 rs485 信(xìn)号連接至站控(kòng)系統，站控(kòng)系統通(tōng)過 modbus 協(xié)議讀取流量計算機的計量(liàng)數據(jù)。試運(yùn)行期間，每(měi) 3 個(gè)月将 流量計(jì)拆卸(xiè)下(xià)來，送(sòng)南(nán)京計量中(zhōng)心檢(jiǎn)定。

   流(liú)量計同時(shí)輸出高頻脈沖和低頻脈沖，其(qí)中高頻信(xìn)号用(yòng)于計(jì)量，低(dī)頻信(xìn)号用于比對。當(dāng)兩信(xìn)号的誤差(chà)超出一定(dìng)範圍(wéi)時，流量計算機(jī)會提示(shì)。如渦輪流量(liàng)計共有 12 個(gè)葉片(piàn)，當某一葉(yè)片(piàn)損(sǔn)壞時高頻(pín)和低頻(pín)信(xìn)号将(jiāng)會産生 1/12 的(de)誤差(chà)。
   流量計(jì)算(suàn)機可(kě)通過(guò) rs485 信(xìn)号直接(jiē)與氣相色(sè)譜儀(yí)連接，讀(dú)取天(tiān)然(rán)氣組分數(shù)據，也可以通過站控(kòng)機發(fā)送或(huò)手動(dòng)設置(zhì)天然氣組(zǔ)分數據。由于滁州站(zhàn)的氣相色(sè)譜儀停用，因此(cǐ) fe3301 路和(hé) fe3401 路(lù)流量計(jì)算機的(de)天然氣(qì)組分均爲(wèi)每天(tiān)手動輸入。
   開始現場安(ān)裝試驗(yàn)前，分别将(jiāng) 4 台渦(wō)輪流量計和流(liú)量計算機(jī)送第(dì)三方(fāng)檢定機構(gòu)檢定。其中，渦輪(lún)流量(liàng)計送(sòng)南京計量中心檢定(dìng)（圖 6，編号爲(wèi) 131228042 的dn80-g160 流(liú)量計的檢(jiǎn)定結(jié)果）。流(liú)量(liàng)計算機(jī)送至上海儀器(qì)儀表自控系統(tǒng)檢驗測試所進(jìn)行校準測試（表(biǎo) 1，編号(hào)爲 131227004 的流量(liàng)計算(suàn)機(jī)校準測(cè)試(shì)數(shù)據），在(zài)壓力(lì)、溫度(dù)爲數字量(liàng)輸入的(de)情(qíng)況下(xià)，流量(liàng)計(jì)算機的(de)誤差來源(yuán)爲脈沖測(cè)量、壓縮因(yīn)子計(jì)算以(yǐ)及(jí)标況流(liú)量計(jì)算。


   試(shì)驗期間，各(gè)站點(diǎn)每天會記錄兩(liǎng)台作比(bǐ)對(duì)的流量計的标況(kuàng)累(lèi)積量，從而統計(jì)計量(liàng)誤(wù)差。根據(jù)滁州站(zhàn)fc 型流量計(jì)算機和(hé) elster 流量(liàng)計算機（精(jīng)度爲(wèi) 0.5，流量範圍爲 13～250 m
3/h）部分日(rì)累(lèi)積量的(de)比對數據（表 2），偏(piān)差量大部(bù)分爲(wèi)負偏差且最大值爲(wèi) 0.33％，說(shuō)明(míng) fc 型流(liú)量計算機計量(liàng)準确(què)且穩(wěn)定。

   試(shì)運(yùn)行 3 個月後，将(jiāng)鎮江站 渦輪流(liú)量計和青(qīng)山站(zhàn) 渦輪流(liú)量(liàng)計拆(chāi)卸下來，送南京計(jì)量(liàng)中心檢定(dìng)。根據(jù)鎮江分輸(shū)站編号爲(wèi) 131228041 的流量計(jì)試(shì)運行前(qián)後檢(jiǎn)定(dìng)結果（圖 7a）、青山分輸清管(guǎn)站編号爲 131228036 的流(liú)量計(jì)試運(yùn)行前(qián)後檢定結(jié)果（圖(tú) 7b），
   流量計仍然滿(mǎn)足(zú) ±1％誤差的(de)要求(qiú)。而與 elster 流量計的(de)對比數(shù)據表明(míng)：該類(lèi)型國産渦輪流量計(jì)與流(liú)量計(jì)算機達到(dào)了國際水準，滿足工業計量要求。

4　結論(lùn)
   通過超(chāo)過半年的現場(chǎng)工業(yè)性試驗，高(gāo)壓渦輪氣體流量計和(hé)配(pèi)套流量計(jì)算(suàn)機精度(dù)符合(hé)設計(jì)要求(qiú)，具有較高的可(kě)靠性，各(gè)項(xiàng)指(zhǐ)标和技(jì)術性(xìng)能完(wán)全滿足工業貿(mào)易計(jì)量的要求(qiú)，打(dǎ)破(pò)了(le)國外高(gāo)壓長輸管(guǎn)道(dào)領(lǐng)域的技術壟斷(duàn)，積累(lèi)了一定試(shì)驗數據和(hé)經驗(yàn)，爲今後高壓長(zhǎng)輸管(guǎn)道長(zhǎng)期運行奠定(dìng)了堅實(shí)的基礎。随(suí)着我(wǒ)國工(gōng)業計量事(shì)業(yè)和城市燃氣(qì)的發(fā)展，以及(jí)能(néng)量計量的(de)逐步(bù)實施(shī)，國(guó)産化流(liú)量計具有很強(qiáng)的市場競争力(lì)和較大的(de)市場(chǎng)潛力(lì)，也爲天然(rán)氣的計量管理(lǐ)提供(gòng)了(le)技術保(bǎo)障。

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