高压涡轮流量计,原理及流量计算机的工业性

摘要：目前国内缺乏自主研发的高压涡轮流量计，而西气东输、川气东送等输气管道对用于贸易计量的涡轮流量计与流量计算机需求旺盛，为此，研发了用于输气管道的 TBQM 型高精度高压涡轮流量计及 FC 型流量计算机。介绍了 TBQM 型高精度高压涡轮流量计的工作原理及性能测试情况，包括耐久性试验、弯矩与扭矩试验、短时过载试验、扰动试验、高低温性能测试等。研发的 FC 型流量计算机可以连接 4 路流量计，且具有能量计量功能，可直接通过配置的 RS485 通信接口接收气相色谱仪的组分分析结果。为了更好地验证 TBQM 型高精度高压涡轮流量计与 FC 型流量计算机的准确性和可靠性，分别在镇江分输站、滁州分输站、青山分输清管站进行了超过半年的现场工业性试验，结果表明各项指标和技术性能完全满足工业贸易计量的要求。（图 7，表 2，参 12）
Abstract: In China now, no high pressure turbine flowmeter is developed independently, and turbine flowmeter and flowrate computer used for trade measurement is highly demanded for long-distance, large-diameter and high pressure natural gas pipelines, such as West-to-East Gas Pipeline, and Sichuan-East Gas Pipeline. Accordingly, TBQM high precision and high pressure turbine flowmeter and FC flowrate computer are developed. This paper presents the working principle and performance test of the TBQM high precision and high pressure turbine flowmeter, including durability test, bending moment and torque test, short-time overload test, disturbance test, and high/low temperature performance test. The FC
flowrate computer can be connected to four flowmeters. It has the function of energy measurement and is equipped with the RS485 communication interface to receive component analysis results from gas chromatography. To further verify the accuracy and reliability of TBQM high precision and high pressure turbine flowmeter and FC flowrate computer, industrial
field tests have been carried out in Zhenjiang Offtake Station, Chuzhou Offtake Station, and Qingshan Offtake and Pigging Operation Station respectively for more than half a year. The results show that all the indexes and technical performance can meet the requirements of industry trade measurement. (7 Figures, 2 Tables, 12 References)

Key words: natural gas pipeline, high pressure, flowrate computer, industrial test

天然气作为一种高效清洁能源，其需求量随着全球低碳经济的发展呈现快速增长趋势，预计 2020 年国内天然气需求量将达 3 000×108 m3[1-4]。进口涡轮流量计一直占据着高压管道贸易计量市场，而国产涡轮流量计通常应用于低压管道，用户主要为城市燃气的工业用户。

随着工业过程控制自动化的实施及输气管道的大量建设，对贸易计量所需的涡轮流量计和具有强大功能的流量计算机的需求量也不断增大[5]，因此，拥有自主知识产权且满足工业性应用要求的高精度高压涡轮流量计与流量计算机，对实现管道设备的国产化，打破国外技术垄断，保障管道安全、经济、高效运行，具有十分重要的意义[6]。为了评价国产化流量计在实际运行过程中的准确度、可重复性、稳定性及安全性等指标，为后续新建管道的推广应用及流量计的制造、改进提供依据，对 4 台国产 TBQM 型气体高压涡轮流量计和FC 型流量计算机进行了现场工业性试验。

1、TBQM 型高压气体涡轮流量计：

1.1 、工作原理：

高压气体涡轮流量计是一种带机械计数器并用于测量气体流量的流量计，其工作原理：当高压气流进入流量计时，首先经过整流器整流并加速，在流体的作用下，涡轮克服阻力矩开始转动；当力矩达到平衡时，涡轮转速稳定，此时其转速与气体工况流量成正比，并通过齿轮减速传动；磁耦合联接驱动字轮计数器转动，直接累积气体的工况体积总量。因为通过涡轮的流量与涡轮转速成正比，所以高频信号脉冲输出频率与涡轮转速存在以下关系[7]：f=nZ （1）式中：f 为脉冲频率，Hz；n 为涡轮转速，r/s；Z 为涡轮叶片数。

为了使高压涡轮流量计在一定的流量范围内正常工作，其仪表系数K 应为常数，但实际上仪表系数K与体积流量q 成一定的函数关系，即：

q=f/K （2）

将式（1）代入式（2），可得：

K=nZ/q （3）

式中：K 为仪表系数，为工况条件下每立方米天然气通过流量传感器时输出的脉冲数，1/m3；q 为工况体积流量，m3/s。

综上所述，仪表系数K 除与涡轮导程、叶片数、叶片宽度、螺旋升角、流量计流体通道等结构因素有关外，还与介质流体黏性、轴承本身阻尼、轴承润滑油黏度等有关，若以上其中一种或几种相关因素发生改变，则仪表系数K 也会相应改变，因此流量计应通过线性检定等试验方式进行***终设计确认。

1.2、性能测试：

EN 12261- 2002《Gas meters – Turbine gas meters》[8]和 OIML R137-1-2006《气体流量计》作为流量计产品的研制依据，并严格按照标准进行性能测试，主要包括：耐久性试验、弯矩与扭矩试验、短时过载试验、扰动试验以及高低温性能测试等。

1.2.1、耐久性测试：

涡轮流量计进行耐久性测试的目的在于确认流量计在指定条件下的计量性能是否符合分段要求[9]，即：

d=	（4）
	±1％，Q_t≤Q＜Q_max

式中： 为计量相对误差；Qmax 为工况***大流量，m3/h； Qmin 为工况***小流量，m3/h；Qt 为分界流量点，其值等于 20％Qmax，m3/h。确认各种安装位置是否影响测试样机的计量性能，安装位置可分为水平方向、垂直向上与垂直向下。在不同安装位置情况下，样机在耐久性测试前后指示误差的变化量不得超过式（4）要求值的 1/3。以 DN80-G100 样机为例，进行耐久性测试说明。首先将 3 台样机分别安装在同一管道的不同位置，管道内 0.8 MPa 压缩气体以样机***大流量进行循环运行，以每 1 000 h 为运行单位，将样机拆卸并在标准气体流量装置上进行相应性能测试，得到 7 000 h 运行测试数据（图 1）。

图 1 DN80-G100 流量计样机耐久性测试数据

图 1 DN80-G100 流量计样机耐久性测试数据
结果表明：该测试样机满足耐久性测试要求，指示误差的变化量未超过***大允许误差的 1/3；轴承经过长时间运行磨合更趋于稳定，长期运行后非线性段更趋于理想特性曲线。
1.2.2、弯扭矩测试：
对于高压涡轮流量计，应该详细说明流量计所需的弯曲与扭力力矩的保护水平^[2]。该数据可以通过试验直接获得（图 2，其中直管段 1 连接气体流量标准装置，图 2a 中在直管段 2 预先确定的力臂L 位置附加垂直方向的力F 而形成弯矩M；图 2b 中在直管段 2 侧面预先确定的力臂L 位置附加垂直方向的力F 而形成扭矩T，而弯矩与扭矩均是作用于流量计入口与出
图 2 高压涡轮流量计的弯矩与扭矩测试装置示意图

图 2 高压涡轮流量计的弯矩与扭矩测试装置示意图

口法兰处）。由于该项测试主要是针对流量计强度的校核，为了使测试结果更具说服力，并且提高其可靠性，将铝合金壳体的中低压涡轮流量计 DN80-G100 用于此次测试。测试过程中按照 EN 12261-2002 表 10中要求施加 1 倍、2 倍直至 4 倍（即力矩为 3 040 N·m）的砝码F，未发现流量计壳体有任何异常变化。施加砝码F 时及卸下砝码之后得到的指示误差与施加砝码F 之前的指示误差无明显变化，实际变化量均在***大允许误差的 1/3 以内。

1.2.3、常压与高压试验对比：

为了确认高压涡轮流量计在高压气体介质中计量性能是否满足工业贸易计量要求，将多台 DN80-G160样机发往石油天然气大流量计量站南京分站进行 6 MPa 实流检定。使用小流量标准装置对编号为131228041 的 DN80 涡轮流量计进行了检定（图 3）。流量计的仪表系数K 的计算公式[10] ：

_K₌^（^Ki^）max^＋（^Ki^）min

式中（：Ki）max、（Ki）min 分别为流量计在qt～qmax 流量范围各流量检定点得到的Ki 中的***大值和***小值。

图 3 DN80 涡轮流量计常压与高压检定数据
图 3 DN80 涡轮流量计常压与高压检定数据

2、FC 型流量计算机：

流量计算机是一种可对多个流量测量点集中进行数据采集、高精度补偿运算、数据显示存储及运用网络实现通信功能的新一代以工业微型计算机为内核的计量仪表。与体积修正仪相比，其数据采集频率高，运算速度快且准确，可以同时对多台流量计进行温度压力修正和计量，广泛应用于石油、化工、冶金、电力、城市燃气及供热等行业的重要贸易计量场合和工厂计量管理网络。

FC 型流量计算机***多可以连接 4 路流量计，可以与涡轮流量计、腰轮流量计、孔板流量计等配套使用。当流量输入为脉冲信号时，其体积流量为：

Qv=3 600 f/K （6）

式中：Qv 为未经修正的体积流量，m3/h。当连接孔板流量计时，体积流量为[11] ：

	π d ²	Ce	2 p
q_v=				（7）
	4	1-b⁴	r₁

式中：qv 为工作状态下体积流量，m3/h；d 为工作条件下孔板开孔直径，mm；C 为流出系数，对于孔板，按标准计算； 为可膨胀系数； 为节流件等效直径比； p为介质流经孔板时产生的压差，kPa；1 为介质在工作状态下的密度，kg/m3。

此外，FC 型流量计算机还具有能量计量功能，可以直接通过配置的 RS485 通信接口接收气相色谱仪的组分分析结果，也可以在流量计算机手动输入天然气组分数据后，计算发热量，再根据所计量的标准体积量计算天然气能量[12]：

E=∑VnHs （8）

式中：E 为天然气的能量，kW·h；Vn 为天然气基准状态下的体积，m3；Hs 为天然气基准状态下的单位发热量，MJ/m3。

FC 型流量计算机内置多种压缩因子计算模型，且含有多种通信接口，可以使用 RS485 接口与上位机或色谱仪通信，也可以通过 RJ45 接口使用 Modbus/TCP通信协议与上位机通信。

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的结构设计方案，数据采集模块采用可插拔的板卡形式，每张板卡均配置有单独的微处理器，由该处理器负责接收处理输入到该数据数据采集模块可以根据输入信号的不同进行相应的配采集模块的与流量、温度和压力相关的电信号，同时，置（图 4）。

图 4 流量计算机硬件结构示意图
图 4 流量计算机硬件结构示意图

3、现场工业性试验：

对 4 台高压气体涡轮流量计及流量计算机进行现场工业性试验，试验场地为镇江分输站（DN80）、滁州分输站（DN80）、青山分输清管站（DN50），站场设计压力均为 10 MPa。以滁州分输站为例，介绍现场工业性试验的情况。

滁州分输站用户分输路共 2 台 Elster-InstrometTRZ G160 DN80 涡轮流量计，设置 1 座计量橇（图 5），具备比对流程。选择 FE3401 备用回路进行 TBQM 型流量计的替换试用，同时将配套的流量计算机更换为 FC 型流量计算机，调试正常后与 FE3301 回路流量

计进行比对运行。从流量计算机机柜铺设一根 3 芯信号线到 PLC 机柜，PLC 机柜安装 SD16X 防雷及 485-232 转换分支器。流量计算机通过 RS485 信号连接至站控系统，站控系统通过 Modbus 协议读取流量计算机的计量数据。试运行期间，每 3 个月将 TBQM 型流量计拆卸下来，送南京计量中心检定。

图 5 滁州分输站计量橇工艺流程图

图 5 滁州分输站计量橇工艺流程图
TBQM 型流量计同时输出高频脉冲和低频脉冲，其中高频信号用于计量，低频信号用于比对。当两信号的误差超出一定范围时，流量计算机会提示。如涡轮流量计共有 12 个叶片，当某一叶片损坏时高频和低频信号将会产生 1/12 的误差。
流量计算机可通过 RS485 信号直接与气相色谱仪连接，读取天然气组分数据，也可以通过站控机发送或手动设置天然气组分数据。由于滁州站的气相色谱仪停用，因此 FE3301 路和 FE3401 路流量计算机的天然气组分均为每天手动输入。
开始现场安装试验前，分别将 4 台涡轮流量计和流量计算机送第三方检定机构检定。其中，涡轮流量计送南京计量中心检定（图 6，编号为 131228042 的 DN80-G160 流量计的检定结果）。流量计算机送至上海仪器仪表自控系统检验测试所进行校准测试（表 1，编号为 131227004 的流量计算机校准测试数据），在压力、温度为数字量输入的情况下，流量计算机的误差来源为脉冲测量、压缩因子计算以及标况流量计算。
图 6 试验前流量计的检定结果

图 6	试验前流量计的检定结果

表 1 流量计算机校准数据

标称流量（/m³·h^-1）流量显示值（/m³·h^-1）误差％

31 762.00	31	759.7	-0.01
63 524.00	63	519.4	-0.01
105 873.34	105	865.7	-0.01

试验期间，各站点每天会记录两台作比对的流量计的标况累积量，从而统计计量误差。根据滁州站 FC 型流量计算机和 Elster 流量计算机（精度为 0.5，流量范围为 13～250 m³/h）部分日累积量的比对数据（表 2），偏差量大部分为负偏差且***大值为 0.33％，说明 FC 型流量计算机计量准确且稳定。

	表 2	流量计算机日累积量比对数据

	FC 型流量计算机		Elster 进口流量	偏差量
日期	标况累积量		计算机标况累积量
				％
		/m³	/m³

2014-7-15		44 102	44 215	-0.26
2014-7-16		44 085	44 167	-0.19
2014-7-17		44 017	44 111	-0.21
2014-7-18		44 075	44 131	-0.13
2014-7-19		44 376	44 464	-0.20
2014-7-20		44 475	44 452	0.05
2014-7-21		44 475	44 597	-0.27
2014-7-22		44 201	44 347	-0.33
2014-7-23		44 279	44 371	-0.21
2014-7-24		44 321	44 336	-0.03
2014-7-25		44 509	44 577	-0.15
2014-7-26		44 547	44 637	-0.20
2014-7-27		44 385	44 473	-0.20
2014-7-28		44 587	44 648	-0.14
2014-7-29		44 494	44 519	-0.06
2014-7-30		44 262	44 315	-0.12
2014-7-31		44 472	44 563	-0.20

试运行 3 个月后，将镇江站 TBQM 型涡轮流量计和青山站 TBQM 型涡轮流量计拆卸下来，送南京计量中心检定。根据镇江分输站编号为 131228041 的流量计试运行前后检定结果（图 7a）、青山分输清管站编号为 131228036 的流量计试运行前后检定结果（图 7b），流量计仍然满足 ±1％误差的要求。而与 Elster 流量计的对比数据表明：该类型国产涡轮流量计与流量计算机达到了国际水准，满足工业计量要求。

图 7 不同站场试运行前后流量计检定结果对比 1