工业高压涡轮流量计用计算机在高压长输管道领

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 3 000×108m3[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 
　　以 EN 12261-2002《Gas meters – Turbine gasmeters》[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：

　　式中：δ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）。

　　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]：

　　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。

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]：

　　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；Δp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采集模块的与流量、温度和压力相关的电信号，同时，数据采集模块可以根据输入信号的不同进行相应的配置（图 4）。

4　结论 
　　通过超过半年的现场工业性试验，高压涡轮气体流量计和配套流量计算机精度符合设计要求，具有较高的可靠性，各项指标和技术性能完全满足工业贸易计量的要求，打破了国外高压长输管道领域的技术垄断，积累了一定试验数据和经验，为今后高压长输管道长期运行奠定了坚实的基础。随着我国工业计量事业和城市燃气的发展，以及能量计量的逐步实施，国产化流量计具有很强的市场竞争力和较大的市场潜力，也为天然气的计量管理提供了技术保障。