高压气体涡轮流量计厂家价格详解

1、涡轮流量计的工作原理与流量特性：

1.1、工作原理：

  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，其工作原理如图 1 所示：当气流进入流量计时，首先经过特殊整流器整流并加速，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以及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。

图 1 高压涡轮流量计工作原理示意图

输出频率 f 与涡轮转速存在下列关系 [2]

f = nZ

 式中： n—涡轮转速，r/s； Z — 涡轮叶片数； f — 脉冲频率，Hz。
 
对一定精度的流量计而言，在一定的流量范围内，其仪表系数 K 应接近常数。理论上仪表系数 K 与体积流量 q

成如下关系，即	q = f / K
		（2）
将（1）代入（2）中，可得出
	K = f / q = nZ / q	（3）
式中： K — 仪表系数，为工况条件下每立方米通过流

  量传感器时输出的脉冲数，1m³ ； q— 工况体积流量，m ³s 。
综上所述，仪表系数 K 在实际上除涡轮导程、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，还与介质流体粘性、轴承本身阻尼、轴承润滑油粘度等有关，若以上其中一种或几种相关因素发生改变，则仪表系数 K 就会相应改变。故每台流量计均应通过检定得出仪表系数。
 
1.2、流量特性介绍：
  K —q 关系曲线称为涡轮流量计的流量特性曲线。理论上，K —q 关系应是一条水平直线，但实际上由于在不同的流动状态下，流体产生阻力机理不同，效果也不同，所以使特性曲线成为曲线形状。以 DN50 为例，如图 2 所示。

图 2  流量特性曲线

  由图 2 可见，仪表系数可分为二段，即线性段和非线性段。在非线性段， 实际特性受轴承摩擦力、流体粘性阻力影响较大。当流量低于 Qmin 时，仪表系数随着流量迅速变化。压力损失与流量的平方成正比关系。通常线性段约为工作段的 2/3，其特性与涡轮结构参数及流体粘性有关。随流量的变化其仪表系数 K 也会有一定的变化，但变化不大，通常将其变化幅度称为流量计的计量准确度。对于产品设计而言，期望能将线性段的流量范围拓展，一台流量计能覆盖同口径的不同流量范围，使得产品量程比变宽从而降低生产管理与生产批量加工成本。对于 1.0 级的高压气体涡轮流量计，以 Qt（0.2Qmax）为分界流量点，将计量线性分为两段，其中一段 Qmin ≤ Q<Qt  的***大允许误差为±2%，而另一段 Q_t ≤ Q ≤ Q_max 的***大允许误差为 ±1% 。按图 2 所示，通常每台涡轮流量计均有较为相似特性曲线，线性分为两段，其中一段 Qmin ≤ Q<Qt  的***大允许误差为±2%，而另一段 Q_t ≤ Q ≤ Q_max 的***大允许误差为 ±1% 。按图 2 所示，通常每台涡轮流量计均有较为相似特性曲线，若将可测量流量范围做宽，就能在同口径不同流量范围进行分段截取，以实现一台流量计能覆盖同口径的不同流量范围。
 
2、高压涡轮流量计研制：
 高压涡轮流量计主要是由锻钢壳体、表芯总成、机械显示计数器、高压油泵、高低频信号输出（按客户要求选配）等组成；根据 EN12261 要求，设计高压涡轮流量计内部结构、外观等并对壳体与轴承进行设计计算；研究高压供油系统的结构设计，避免轴承润滑油回流等不良现象；研究涡轮防冲击结构设计，缓冲因流量波动引起瞬间冲击力；研究双向增计数的新型机械计数器，主要解决了流量计由于其单向计数的特性，而导致倒置安装时出现计数不增反减的问题。
 
2.1、壳体与轴承设计计算：
 壳体作为主要的承压零部件，应进行强度校核计算。并可将其视为钢管，并根据标准 GB50316 与 GB150 中相关规定，计算壁厚 ts 计算公式：
 

ts =	PDo
	2([σ ]t E j + PY )	（4）

 
式中 ts—计算厚度（mm）；P—设计压力（MPa）；Do—管子外径（mm）； [σ ]^t —在设计温度下材料的许用应力（MPa）； Ej —焊接接头系数；Y—计算系数。
 
 以 DN50-PN100 为例，将壳体设计参数代入（4）中直接得出壁厚 t_s = 8 mm全系数 s取 ≥ 3 , 设计壁厚 t_sd ≥ 24 mm 才能满足设计要求。
 
而对于转速较高的轴承，轴承可靠度为 90%，轴承材料为常规材料，其基本额定动载荷计算公式如下 ^[3]：
 

C =	fh fm fd	P	(5)
	fn fT

 
式中 C—基本额定动载荷计算值，N；P—当量动载荷，N； fh —寿命因数； fn —速度因数；
 
f_m —力矩载荷因数，力矩载荷较小并取值为 1.5； f_d —冲击载荷因数； fT —温度因数。
 
其中当量动载荷 P 的计算公式如下：
 

P = XFr + YFa

(6)

式中 P—当量动载荷，N；
 
F_r —径向载荷，N； F_a —轴向载荷，N；X—径向动载荷系数；
Y—径向动载荷系数。
 
将选型轴承的参数代入（5）、（6）中直接得出基本额定动载荷 C，而选型轴承的动载荷 Cr 必须大于基本额定动载荷 C 才能满足设计要求。
 
2.2、高压供油系统：
 流量计所需轴承润滑油必须在内部密封、持久、免维护或者采用外部注入的方式。高压涡轮流量计结构设计应采取外部注入方式进行润滑轴承。该方式必须克服高压气体对润滑油管反作用力，压力越高，反作用力越强。对供油系统提出更高的要求，目前行业内的中低压供油结构已不适用，可能会引起润滑油回流或密封圈提前失效等问题。应研制一种高压供油系统，其主要是通过手动油泵将润滑油从油杯注入注油腔中，而注油腔中的润滑油是通过两只阻回流单向阀以及内置供油管路将润滑油直接注入需润滑轴承附近的储油区内；而手动油泵是由手柄、油泵座、油杯、活塞、O 型密封圈等组成；该结构设计的亮点在于采用两只单向阀其一内置油泵，另一嵌入管道，实现双重阻回流功能，并提高高压管道供油可靠性；而且将所有油管内置，该供油管路设计结构简单、紧凑，实现一体化润滑，顺利解决生产过程与搬运物流对外部引油管路造成伤害；
 
2.3、涡轮防冲击与高频信号检测系统：
 为了减缓流量波动、管道震动对涡轮生产瞬间冲击力，研究计量芯的内部结构。通常计量芯中前后轴承均是径向旋转作用，对瞬间冲击力的承受能力有限，若操作不当，对流量计寿命与精度影响甚大。考虑以上因素，对计量芯内部结构进行改进。将主轴的前后轴承作用力分开，前轴承为径向旋转作用，后轴承为轴向推力作用，后轴承也可与推力轴承或波纹垫圈配合使用。能有效的抑制流体瞬间冲击力，并配合涡轮形成反向推力，能较快将涡轮调整至平衡状态，从而改善涡轮流量计的寿命与精度。
 目前国内外取高频信号传感器频率***高大概为2000Hz，而且大部分制造商采取穿过流体通道的方式插入计量芯内部实现信号采取。此方式会引起高、低频检定的示值误差不一致。而我司目前使用的新型高频旋转检测传感器是通过专业生产厂家特殊定制，所采集的信号是通过涡轮的叶片放大的，对流体通道无任何影响，其频率***高能达到 3 500 Hz 或者更高。通过该传感技术的应用，并采用新型信号处理放大技术和独特的滤波技术，有效地剔除压力波动和管道振动所产生的干扰信号，提高流量计的抗干扰能力。从而克服了因频率高而丢失信号的难题，提高产品对小流量的灵敏度和精度，更便于用户高频检定操作等。

2.4、双向增计数的新型机械计数器：
 目前市场上的机械计数器计数均为正向进气时计数器正向计数，反向进气时计数器反走。而带单向计数功能的涡轮流量计是一种能够在涡轮流量计左进右出进气、垂直安装、水平安装条件下均能满足单向计数（单向计数可分为正向计数与反向计数；按目前市场需求，此单向计数便是通常所说的正向计数）。然而，在燃气计量市场中有部分投机分子为了盗气等原因将涡轮流量计倒置安装，使得单向计数器的计数不增反退。为了避免上述问题再次出现，设计具有自主知识产权带双向增计数功能的新型涡轮流量计，其中包括涡轮流量计基表、上磁耦合组件、主轴、主锥齿轮、锥齿轮组件和计数字轮组件等。双向增计数功能实现如图 3 所示，主要是通过增加单向轴承的数量，并对称分布在主锥齿轮的两侧，通过单向轴承与锥齿轮的紧配合，实现正反进气情况下始终有一只单向轴承通过其单向特性带动驱动轴转动，并由驱动轴带动另一只因反向而发生自锁的单向轴承转动，保证驱动轴始终沿一个方向转动，从而保证即使倒置安装，机械计数也会只增不减。该结构设计也能有效解决因管道震动、齿轮反向间隙而引起机械显示不整齐等问题。

图 3  主轴正反转示意图

3、高压涡轮流量计的性能测试：
 
该 流 量 计 的 研 制 以 欧 盟 标 准 EN 12261：2002（Measurement of natural gas flow by turbine meters) 与 OIML R137-1 作为产品设计依据并严格按照标准进行性能测试，该性能测试包括：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；本文详细介绍耐久性试验、弯矩与扭矩试验。
 
3.1、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、额定的使用寿命里的计量性能是否符合上述的分段要求，即
 

Q min ≤ Q<Q t	± 2%
	±1%
Qt ≤ Q ≤ Q max

  还需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；而且不同安装位置样机在耐久性测试前后的指示误差的变化量不得超过***大允许误差的 1/3。
   整个耐久性测试以 DN80-G100 样机为例进行说明，首先是将三台样机分别安装在不同安装位置的同一管道中，其管道是由 0.8 MPa 压缩气体为介质以样机***大流量进行循环运行，以每1 000 h 为运行周期将样机拆卸并在标准气体流量装置做相应性能测试，经过 7 000 h 运行如图 4 所示。

图 4  耐久性测试数据图表
 
Fig4 Durability test data chart
从图 4 分析可知：
 
①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。
 
②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。
 
3.2、弯矩与扭矩测试：
 对于高压涡轮流量计来说，还应当详细说明流量计所需求的弯曲与扭力力矩的保护水平。此数据是通过试验直接获得，弯矩测试装置如图 5-a 所示，直管段 1 连接气体流量标准装置，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；扭矩测试装置如图 5-b 所示，直管段 1 连接气体流量标准装置，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口法兰处。由于此项测试主要针对流量计强度的校核，为了更有说服力、提高可靠性，故将铝合金壳体的中低压涡轮流量计 DN80-G100 用于此次测试。而整个测试过程是将砝码 F 按 EN12261 表 10 中要求 1 倍、2 倍直至做到 4 倍（即力矩为 3 040 N·m），未发现流量计壳体有任何异常变化。而测试结果表明在施加砝码 F 之前、过后得到的指示误差与施加砝码 F 之前的指示误差未有明显变化。

图 5-b  扭矩测试装置

 
3.3、第三方高压实流检定测试:

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 样机发往第三方检测机构石油天然气大流量计量站南京分站进行 6 MPa 实流检定；检定合格，准确度等级为 1.0 级，相对于常压检定数据样机的仪表系数 K 有所偏移，但仍在允许误差范围内。其中南京分站使用小流量标准装置对编号为 131228041 的 DN80 涡轮流量计进行检定，该样机在常压与高压检定比对数据如图 6 所示。而流量计的仪表系数 K 的计算如下：
 

	(7)
K =	( K i ) max + ( Ki )min
	2

 
式中：K— 流量计的仪表系数；
( ^Ki )_max — 流量计在 q_t 到 q_max 流量范围各流量检定点得到的 Ki 中的***大值；
 
(^Ki )_min — 流量计在 q_t 到 q_max 流量范围各流量检定点得到的 Ki 中的***小值；
 
而各个流量检定点的示指误差
 

Ei =	K i − K	( %)	(8)
	K

 
根据上式 (7)、(8) 并结合图 6 可得出。①该样机完全满足工业贸易计量的指示误差要求。②高压相对于常压整体线性会向正向偏移 +0.65%。③高压相对于常压整体线性较为平稳，而且线性误差有向理想误差曲线靠拢的趋势。
 
根据实际流量计的所测得仪表系数 K 更换对应齿轮传动比，使机械表头显示部分和齿轮转动发出低频脉冲输出均与高频脉冲输出匹配，实际三者关系如下：

K =	i × i ' × Z
	（9）
	tr

式中：t_r —低频脉冲当量； i —计量芯内部固定传动比；i^' —机械表头显示部分可调传动比。
在机械设计当中，为了降低齿轮模具的投入成本，应通过试验确认流量计 K 与 i ，以控制 i^' 在不同口径不同流量范围内的可调区间均是一致的。

应用：
    SKLWGQ型高压气体涡轮流量计采用压电应力式传感器,可靠性高,可在-20℃～+250℃的工茁度范围内工作。该流量计一种精密流量测量仪表，与相应的流量积算仪表、现场显示表等配套可用于测量液体的流量和总量。广泛应用于石油、有机液体、无机液、液化气、天然气和低温流体以及其它各种无腐蚀性气体的计量或流量控制等场合。 
工作原理： 
    当被测流体流经传感器时，传感器内的叶轮借助于流体的动能而产生旋转，叶轮即周期性地改变磁电感应系统中的磁阻值，使通过线圈的磁通量周期性地发生变化而产生电脉冲信号，经放大器放大后进行显示或传送至相应的流量积算仪表、PLC或上位计算机，进行流量或总量的测量。 
LRT-I现场显示表（锂电池供电）的技术性能 
度： 
瞬时流量：读数的0.5%
累计流量：读数的0.1%
环境温度：－20～60℃ 
介质温度：－20～120℃ 
*根据防爆温度组别决定介质温度 
环境湿度：相对湿度5～100％(不允许有结露现象)
外壳组件的材料：ZL104铸铝合金 
电源：3.6V锂电池(1年更换电池)
显示：6位LCD及工程单位显示 
          流量％、瞬时流量、累计流量有6种组合显示方式 
输出：无输出 
记忆功能：断电时，所有数据仍保留 
误差修正：分段修正 
外壳防护：IP65，防水，防尘 
防爆等级：Ex dⅡBT4
重量：1.5kg 
LRT-Ⅱ现场显示表（锂电池供电）的技术性能 
度： 
瞬时流量：读数的0.5%
累计流量：读数的0.1%
环境温度：－20～60℃ 
介质温度：－20～120℃ 
*根据防爆温度组别决定介质温度 
环境湿度：相对湿度5～100％(不允许有结露现象)
外壳组件的材料：ZL104铸铝合金 
电源：＋24VDC
显示：6位LCD及工程单位显示 
          流量％、瞬时流量、累计流量有6种组合显示方式 
输出：脉冲或4～20mA
记忆功能：断电时，所有数据仍保留 
误差修正：分段修正 
外壳防护：IP65，防水，防尘 
防爆等级：Ex dⅡBT4
重量：1.8kg 
LRT-Ⅲ现场显示表（外供电）的技术性能 
度： 
瞬时流量：读数的0.5%
累计流量：读数的0.1%
环境温度：-20～60℃ 
介质温度：-20～120℃ 
*根据防爆温度组别决定介质温度 
环境湿度：相对湿度5～100％(不允许有结露现象)
放大器外壳组件的材料：ZL104铝合金材料 
电源：＋24V DC±4.8V DC
显示：3行LCD及工程单位显示 
         显示温度、压力、瞬时流量（标况、工况）、累计流量（标况、工况） 
输出： 
    脉冲 
    4～20mA模拟 
记忆功能：断电时，所有数据仍保留 
记录功能（可选）：可追溯1年内的历史记录（时间、流量、温度和压力） 
误差修正：自动温度压力补偿运算，分段修正 
通信（可选）：RS485
外壳类别：IP65，防水，防尘 
防爆等级：Ex dⅡBT4
重量：1.8kg
技术性能： 
高压气体涡轮流量传感器的公称通径、流量范围、流体温度、公称压力、环境温度、相对湿度、大压力损失见表

型号规格：

型号						规格代号				说明
SKLW										涡轮流量仪表  传感器  气体
	G
		Q
公称通径			-15  -25 -40 -50 -80 -100 -150  -200  -250  -300							15mm(管螺纹G1″) 25mm(管螺纹G11/4″) 40mm(法兰型) 50mm(法兰型) 80mm(法兰型) 100mm(法兰型) 150mm(法兰型) 200mm(法兰型) 250mm(法兰型) 300mm(法兰型)
型式代号				A B C						±2.5％(DN15,25) ±1.5％(1:15) ±1.0％(1:10)
输出信号					P I T  M  C					脉冲输出  4～20mA输出  现场瞬时/累积流量指示（LRT-Ⅰ，电池供电）  脉冲/4～20mA输出和现场瞬时/累积显示(LRT-Ⅱ) 自动温压补偿，脉冲/4～20mA输出和现场显示(LRT-Ⅲ)
公称压力							C1 C2  C3  C4  C5  C6  C7			PN1.6MPa PN2.5Mpa PN4.0Mpa PN6.3Mpa* PN16Mpa* PN25Mpa* PN40Mpa*
防爆要求								/NE /EX		不防爆  防爆等级Ex ib Ⅰ（脉冲，模拟）  或Ex dⅡ BT4（LRT-1）
特殊选项									/□	例：高压等

注：1、法兰连接尺寸按JB/T  81-1994或JB/T  79-1994。 
    2、有*者为特殊定货。

 
4、结束语:
 研制成功的高压涡轮流量计顺利通过浙江省技术监督检测研究院各种性能测试并获得相应型式批准证书，该流量计的各项指标和技术性能完全满足工业贸易计量的要求，而且打破国外高压长输管线领域的技术垄断，为以后积累高压长输管线长期运行经验奠定坚实的基础。