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涡轮流量计的结构和工作原理 在线监测系统的设


文章日期:2018-01-04|阅读数:


什么是涡轮流量计:
  涡轮流量计具有高灵敏度、脉冲信号输出、结构轻巧等优点,是石油、化工、电力等工行业的燃气计量和城市天然气、燃气调压站封闭管道中低粘度气体的体积流量和总量及燃气计量的理想气体流量检测仪表[64]。在分析当前可作参考的涡轮流量计标准《用气体涡轮流量计测量天然气流量》和检定规程《涡轮流量计检定规程》[65,66],发现标准的不足在于:将其重点放在测量天然气流量时,只说明如何使用流量计和设置相应的技术要求,而忽略了还需考虑流量计的自身特性。而对于检定规程则未考虑,在天然气的流量测量过程中,温度、压力等参数对流量计使用的影响,使得流量计的检定和使用维护遇到了诸多的不便。

  由于城市天然气管网和计量站分布在全国各地,如何确保测量数据的准确,如何及时发现问题、定期实施检验维护是一个难题,为此提出一种在线监测流量计运行状态的方法,它是在涡轮流量计能同时监测流体的流量、温度、压力的基础上进一步关注流量计本身的使用情况,通过对流量计压损变化的监测,及时辨识流量计可能存在的运行故障风险,而间接提高仪表的计量准确度。本章从阐述流量计原理、结构、理论模型和特性分析开始,给出流体各参数的影响分析和监测方法原理,得出各参数计算和现场校正方法,***终将 4 个监测参数和流量计算结果同时显示在监测界面上。

涡轮流量计的结构和工作原理:
  从 20 世纪 60 年代中期,涡轮流量计开始在我国应用,经过多年改进,已成为当前较为成熟的高精度仪表[67]。它由传感器和流量积算仪组成,利用涡轮转速与流体流速的对应关系,通过测量转速来得到体积流量。图 2.1 为涡轮流量计的简要结构,它由 1 仪表壳体、2 前导流器、3 涡轮、4 后导流器和 5 带有放大器的磁电感应转换器等组成。
  其中用作固定各内部部件和连接管道的仪表壳体与起导向整流并避免扰动和支承涡轮作用的前后导流器均由不导磁的不锈钢制成;用于将涡轮机械转动信号转换为脉冲频率输出信号的磁电感应转换器由磁钢、铁芯及线圈等组成;而作为传感器的重要检测部件涡轮则由高导磁性材料制成,它是在轴承的支承下与仪表壳体同轴,由口径的大小来确定其叶片数。
图 2.1 涡轮流量计简要结构图


图 2.1 涡轮流量计简要结构图
  在被测流体通过流量计时,经过导流器后,涡轮叶片受到冲击,由于叶片与流速间存一夹角,使得产生转动力矩,为克服相应力矩而涡轮转动。此时涡轮的旋转角速度与流过的流量成一定的比例关系,为测得流量即可通过测量涡轮的旋转角速度。图 2.2 为涡轮流量计的工作原理示意图。
图 2.2 涡轮流量计工作原理示意图
图 2.2 涡轮流量计工作原理示意图
  为测得ω将传感器的壳外安装上带有放大器的磁电感应转换器,当涡轮转动后,叶片不断地接近和离开感应线圈,这样周期性地改变使得线圈的磁通量发生周期性的变化,而产生与流量成正比的脉冲频率信号 f。脉冲信号经由放大滤波整形后通过相关计算,***终得到体积流量 q V。
VKqf  (2-1)式中:K——仪表系数,
1/m3;q V——体积流量,
m3/s;
  需说明的是在流量计的量程范围内,K 值是不随流量的变化而变化,其为常数并由实际标定得到。

涡轮流量计的理论模型和特性分析:
  通常理想状态下的涡轮流量计仪表系数是一常数,但实际上并不是如此,仪表系数与流量是成一定函数关系的,即为 K=f(q V)。为了明晰流量计的工作特性,下面对流量计的各力矩作一定性分析。
  作用在涡轮上的力矩如图 2.3 所示:Tr 为流体对涡轮叶片产生的驱动力矩;Tre 为磁钢对磁性叶片有吸引而产生的电磁阻力矩;Trf 为流体对涡轮叶片产生的流动阻力矩;Trm 为轴与轴承之间摩擦产生的机械摩擦阻力矩。
图 2.3 涡轮转动力矩分析图

图 2.3 涡轮转动力矩分析图
那么由牛顿运动定律可得出其运动方程:rerfrmrTTTTdtdJ (2-2)式中:J——涡轮的转动惯量, kg·m2;ω——涡轮的旋转角速度,rad/s;在《流量测量手册》中,川田裕郎等[68]提出了***通用的涡轮流量计驱动力矩和阻力矩理论模型。他认为可忽略影响较小的Tre且假设涡轮以恒定的ω旋转,那么则有:
0;0dtdTre(2-3)
将公式(2-3)代到公式(2-2),可得到:0rfrmrTTT (2-4)在公式(2-4)中 Trm 被近似为常数,
Trf 与流动状态有关需在具体情况下分析,而要确定 Tr 需对涡轮作受力分析。经过相关分析后得出:)(tan rAqqr TVVr (2-5)式中:r——叶片的平均半径,
m;ρ——流体的密度,
kg/m3;A——流通截面积,
m2;由于旋转角速度与流量有对应关系,可将公式(2-5)整理为:在函数关系 K=f(q V)和 K 与ω有具体表达式时:Zfqf KV2; (2-7)式中:Z——涡轮叶片数,个;那么将公式(2-6)用仪表系数的形式表达:经过充分的简化后,公式(2-8)即为流量计工作特性的数学模型。得到数学模型后可详细分析其工作特性。在假设涡轮处于匀速状态,且忽略 Trm 和 Trf 条件下:0;0rfrmTT (2-9)再将仪表系数与流量之间的关系代到(2-8)公式后得到:2222tanVrfVrmVqrTqrTqr A  (2-6))tan(22222VrfVrmqrTqrTr AZK (2-8)r AZKtan2 
  由公式(2-10)可知 K 值仅与仪表结构参数(r、Z、A、θ)有关,而与 q V的变化无关。那么在确定了仪表结构后,K 就为一常数,若在 K-q V 的二维图上表示,即为一条平行于横轴的直线。
  上述的分析是在理想的状况下。实际上涡轮要能转动需***小流量值 q Vmin来克服静摩擦力矩。计算 q Vmin 时,认为涡轮刚转动,其ω非常小,可忽略 Trf的影响,即:
计算公式


  由公式(2-13)可知,影响 q Vmin 的因素有三方面:机械摩擦阻力矩、流体密度和仪表结构参数(r、A、θ)。独立分析三方面因素时,发现若ρ越大,q Vmin则越小。在气体流量测量时温度会对密度有极大的影响,从而使得 K-q V 曲线向左平移。另外若 Trm 越小,q Vmin 也将越小,那么小流量区段范围会变宽,从而得到好的小流量特性。
  随着流量逐渐增大,Trf 成了不能忽略的影响因素。而 Trm 因较小而被忽略:0rmT (2-14)将公式(2-14)代到公式(2-8),即可得到:由于流体状态不同,阻力矩的产生会有所不同,这时将其分为层流和湍流两种流动状态来分析。层流时 Trf 与流体粘度μ和ω有关,而ω与 q V 成正比,那么:)tan(222VrmqrTr AZK(2-12) tan1minrATqrmV (2-13))tan(222VrfqrTr AZK (2-15)
计算公式


  由公式(2-19)可知,湍流状态时仪表系数仅与仪表结构参数(r、Z、A、θ)有关,而与其他参数无关。在流量计使用时,将此区间作为测量范围。在对流量计的四种状态分析后,可得出 K-q V 曲线如图 2.4 所示。
图 2.4 涡轮流量计特性曲线图

图 2.4 涡轮流量计特性曲线图
  从图 2.4 可见,实际特性曲线上,层流与湍流状态的交界点上 K 有一个峰值,而这是因为在层流状态时,Trf 较湍流状态时要小一些。说明此峰值主要受μ的影响,若μ越大,此峰值就会向大流量值的方向移动。)tan(221VqrCr AZK(217))tan(222rCr AZK (2-19)
由上述分析可知,若 K-q V 特性曲线具有理想特性,无论流量如何变化,总可使得流量误差为零。但实际上曲线为一般的特性曲线,在流量计的测量范围内,随着流量的变化,仪表系数也会有一些较小的变化,若变化的幅度越小,那么流量计的测量准确度就会越高。

多参数测量分析:
  根据涡轮流量计特性分析可知,涡轮流量计的测量常受到多种参数的影响,一般有[69]:(1)压力变化导致出现气穴现象,而使其精度降低。(2)温度变化使得金属材料出现热胀冷缩,致使几何尺寸发生变化。(3)流体粘度会产生阻力而影响叶轮转速。(4)流量测量需在量程范围内,以保证 K 值恒定而不产生误差。所以只有对这些影响因素重视并采取相应的修正措施,才能保证计量的准确性。
流量测量数学模型:
  流量是单位时间内流体通过管道横截面的流体量,它是一个瞬时量,一般以体积流量 q V 或质量流量 qm 表示。
v AtVqV (2-20)v Atmqm (2-21)式中:V——流体体积,
m3;m——流体质量,
kg;t——时间,
s;v——管道内的平均流速,
m/s;A——管道横截面,
m2;ρ——流体密度,
kg/m3;累积流量是一段时间内流体通过管道横截面的流体总量,它是流体对时间的积分量,一般以体积总量 V 或质量总量 m 表示。21ttVdtq V 

dtqmttm21(2-23)在现代的工业生产过程中有着各种不同的流量测量方法,这些测量方法是基于不同的流量测量原理,对于涡轮流量计而言,它是通过检测出涡轮的旋转频率,而得到流量。KfqV (2-24)KNV (2-25)式中:f——信号脉冲频率;N——信号脉冲频率总量;K——仪表系数,
1/m3;
 
差压测量数学模型:
  在选择涡轮流量计时,除了要求其具有准确度高、可靠性好和量程大等优点外,压力损失小也是一个重要指标。流量计的压力损失会造成能量的消耗,压力损失越小,所需驱动的动力将减少,这不单节约能源,还能减小测量的误差。
  如果是在畅通的流体管道中,流体所受的阻力是非常小的,但若是在通道中装上一可动部件,那么管道流体的压力就发生了变化,这时部件两端会出现明显的压力差,而这压力差值与流速有着对应的关系。通过传感器测量压力差,就可测得流速[70]。其计算公式为:
22P (2-26)式中:α——压损系数;
  由公式(2-26)可知影响压损的因素有三方面:流体密度ρ、流速 v 和压损系数,由于 v 与ρ是流动参数,不能随意的改变,所以只能减小α来减少压损。而压损系数与流体粘度、管道长度和口径以及流量计的内部结构等因素有关。

温度和压力的影响:
  气体是由无序运动着的分子组成,由于分子间距较大,随着温度和压力的变化,分子间距会随之变化。所以,在气体涡轮流量计的使用过程中,需要根据实际情况对温度和压力测量并予以修正,以保证流量计量的准确性。
  温度变化引起流体体积的变化,从而造成流量计仪表系数的变化,对其的修正为:
t Ct V1  (2-27)式中:Ct V ——温度修正系数;β——被测流体温度膨胀系数,
1/℃;Δt ——工况温度与标定温度的差值,℃;压力变化引起流体体积的变化,从而造成流量计仪表系数的变化,对其的修正为:aaddp VFpFpC11(2-28)式中:Cp V ——压力修正系数;pd ——标定时的压力,
Pa;Fd ——标定下被测流体的压缩系数,
1/Pa;pa ——工况时的压力,
Pa;Fa ——工况下被测流体的压缩系数,
1/Pa;另外,在被测流体温度和压力发生变化时,是无法比较流体的体积流量,
这时需将工况下的体积流量统一转换为标准状态下的体积流量,而这除了需要测量工况下的压力外还需测量工况下被测流体的热力学温度。

在线监测方法:
  依据标准规范规定:过程监测是流量计在天然气实流检定合格后,用采集介质和在线参数分析的方法对其运行状态进行监视,判定流量计的状态是否有明显变动和其偏差是否超过使用中***大允许偏差的一种技术核查手段。而仪表运行状态监测的重要组成部分由 4 个环节组成[71]:
(1)仪表的状态监测;
(2)通过信号处理得到故障特征信息;
(3)确定故障类型和发生部位;
(4)对明确的故障进行防治或控制。
  对于涡轮流量计的状态是指涡轮流量计运行的工况,由流量计运行过程中各物性参数以及影响准确计量的影响因素和仪表的结构性能指标参数来描述,并通过测定以上参数,通过参数的高低判断流量计状态。分析流量计运行状态的好坏:正常、异常和故障三种。而对流量计进行定期或连续监测,包括采用各种测试、分析判别方法,结合仪表的历史状况和运行条件,弄清流量计的客观状态,获取流量计性能发展的趋势规律,为流量计的性能评价、合理使用、安全运行及故障诊断打下基础。当状态监测判别有异常时,通过故障诊断进一步确定故障的性质、严重程度、故障类型、故障部位、故障原因,乃至说明故障发展趋势对未来的影响。
  当前我国尚未制定出行之有效的涡轮流量计在线监测方法,也没有比在线流量计计量精度等级高三倍以上的标准流量仪表,因此提出采用差压变送器测量出被测流量计进出口两端的差压,在已知仪表相关参数的条件下,利用由流量计瞬时流量与温度、压力以及压损关系判断流量计是否正常运行的判别方法求得流量,并作为参考流量值进行在线比对。它是以解决涡轮流量计在线监测问题的一种新型的气体流量仪表在线监测方法。
  本方法具体实现过程:在被测涡轮流量计使用过程中,将前直管道上安装压力变送器,前直管道出口通过法兰与被测流量计连接,在被测流量计进出口端连接一差压变送器,被测流量计的出口通过法兰与后直管道连接,后直管道上安装温度变送器。再将压力变送器、被测流量计、差压变送器和温度变送器输出的各个信号线连接到数据采集模块上,数据采集模块通过 485 通信模块与计算机连接,运行计算机在线监测系统软件,双击桌面上“涡轮流量计测试.exe”,打开监测程序。
  其中涡轮流量计在线监测系统的上位机基于.NET 平台中的 C#语言编写,由上位机发出指令开始监测,并将采集到的被测流量计的脉冲信号、压力变送器测得的压力值、差压变送器测得的差压值、温度变送器测得的温度值通过数据采集模块传输给上位机。上位机监测程序将采集到的流量计的脉冲频率信号通过相关的计算得到被测流量计的瞬时流量值,在经过公式积分计算出监测时间 T 内被测流量计的累积量。管道测量介质为空气,流过被测流量计的瞬时流量按照公式(2-29)计算如下:
TZPZPTKNqbbbV (2-29)式中:q V ——流过被测流量计的瞬时流量,
m3/h;N——被测流量计的脉冲数,无量纲;K——被测流量计的仪表系数,单位 1/m3;Pb、Tb、Zb——分别为标准状态下空气的压力、热力学温度和压缩
系数即 Pb=101.325k Pa、Tb=293.15K、Zb=1;P、T、Z——分别为工况下传感器测得的压力、热力学温度和压缩系数,单位分别为 Pa、K、无量纲,常压下 Z=1。同时上位机将采集到的温度、压力、差压数据,利用由流量计瞬时流量与温度、压力以及压损关系判断流量计是否正常运行的判别方法计算出被被测流量计的计算瞬时流量,积分计算出监测时间内流过被测流量计的累积流量。涡轮流量计的压力损失与涡轮的驱动、管道内部的摩擦以及流体的速度和方向有关。被测流量计进、出口差压变送器测量到的压损与流量之间的关系为:(2-30)式中:ΔPmax——标准状态下,介质为干空气(20℃,
101.325k Pa,
ρ=1.205kg/m3)时,***大流量的压力损失,
k Pa;ρb——标准状态(20℃,101.325k Pa)下的介质密度,
kg/m3;P——工况下压力检测点的压力,
k Pa;Pb——标准大气压,
Pb=101.325k Pa;Tb——标准状态下的温度,
Tb=293.15K;T——工况下温度检测点的温度,
K;q V——被测流量计的瞬时流量,
m3/h;q Vmax——标准状态下被测流量计***大工况瞬时流量,
m3/h。
由压力变送器测出压力值 P,温度变送器测出温度值 T,
ΔPmax 和 q Vmax 及ρb由查表得出,即可计算出流过被测流量计的瞬时流量 q V1,进而积分计算出监测时间内的理论气体累积流量 Q1,以此作为参考流量值。被测流量计的示值误差按公式(2-31)计算:(2-31)式中:Q——被测流量计示值(累积值),
m3;Q1——被测流量计计算值(累积值),
m3。比较两者的流量值,得出被测流量计的示值误差。由此,在规定的监测数据采集时间 T 内,就差压变送器测量被测流量计的前后压力变化与流量计流量变化及仪表精度进行分析,将测得的差压与同一时间内脉冲数计算出被测流量计的瞬时流量拟合成差压流量曲线,并存入数据库中。同时选择保存不同时间段监测计时内的差压流量曲线图,在当前的监测时%10011QQQE间里调用前后时间段的差压流量曲线进行比对,分析被测流量计的瞬时流量是否有明显变动或是其偏差是否超过使用中***大允许偏差。同时还利用当前测得的数据与被测流量计的基本参数计算出被测流量计的实时计算瞬时流量,再与此流量计同一时间内脉冲数计算出的被测流量计瞬时流量对比,判别流量计是否始终在合理的使用流量范围内或是否有异常及跳变。
  另外监测系统通过运行状态好坏的评定标准,实时监测被测流量计的压损损耗是否超出正常合理范围值,并及时分析和排除故障原因。且由于温度和压力及压损对流量计的影响不能忽视,所以将实时采集到的温度和压力及差压等参数信息在监测界面上实时显示,以此能准确评估温度、压力、差压变送器的测量稳定性。

在线监测系统的设计方案:
  涡轮流量计在线监测系统主要由测试系统(被测涡轮流量计、温度和压力及差压变送器、管路)、数据采集模块和装有监测软件的计算机组成,所见图2.5 在线监测系统结构示意图。其监测及设计依据参照《涡轮流量计检定规程》,设计测量范围为(8~250)m3/h,可对 DN50 和 DN80 的气体涡轮流量计进行在线监测。

图 2.5 涡轮流量计在线监测系统结构示意图

图 2.5 涡轮流量计在线监测系统结构示意图
  如图 2.5 所示,从左往右,前直管道出口通过法兰与被测流量计进口连接,前直管道长度满足大于等于 10DN(DN 为涡轮流量计公称通径)的要求,在距被测流量计进口端 4DN 的前直管道上装有压力变送器,取压孔径根据所选压力变送器型号规格来确定。被测流量计的出口通过法兰与后直管道连接,在距被测流量计进口端 1DN 的前直管道上钻一取压孔通过软管连接差压变送器高压端,
在距离被测流量计出口端 1DN 的后直管道上钻一取压孔通过软管连接差压变送器低压端,取压点均为圆形取压孔且钻孔直径 6mm。差压变送器用作被测流量计压力损失测量及差压流量的计算。后直管道长度满足大于等于 5DN 的要求,在距被测流量计出口端 2DN 的后直管道上装有温度变送器,测温孔径根据所选温度变送器型号规格来确定。被测流量计前直管道上安装压力变送器,后直管道上安装温度变送器,它们用以进行工况流量的修正及差压流量的计算。
  通过涡轮流量计在线监测系统采集监测对象数据,对测试系统中的流体实行数据化的分析和处理,数据采集模块经 RS-485 转换连接到监测系统的串口上,监测界面为技术人员提供详细的运行情况资料,以此达到对流量计的在线监测和及时发现安全隐患的目的。

各类传感器的选型:
  涡轮流量计的管路前直管段上应装有测压仪表,后直管段上装有测温仪表,以进行工况流量的修正。在考虑测量精度和性价比以及比较市场上的多类产品后,***终测压仪表选用罗斯蒙特 3051 系列,测温仪表选用 Pt100 热电阻类型的久茂产品。
  在监测系统中,压力变送器为 1 台绝压变送器,其测量范围(80~120)k Pa,1 台差压变送器测量范围(-20~20)k Pa,精度均为满量程 0.075%,输出基于HART 协议的(4~20)m A 电流信号,供电电压 24V。温度变送器 1 台,其测量范围(5~45)℃,精度在 0.2℃以内,输出基于 HART 协议的(4~20)m A电流信号,供电电压 24V。其中绝压变送器用于压力测量及计算流量计的流量;差压变送器用于测量流量计两端的差压及计算流量计的流量。差压变送器的测压点在流量计进出口直管段 50mm 处,测压孔为美制 1/4NPT 内螺纹内孔,与直管段壁垂直,压力分接点分别连接 10mm 的软管;温度变送器用于测量流量计后直管段管道气体温度及计算流量计的流量。

本章小结:
  本章从涡轮流量计结构特点出发,通过研究流量计的结构原理和理论模型以及特性,分析了温度、压力、压损等物性参数对流量计的影响,获得由流量计瞬时流量与温度、压力以及压损关系判断流量计是否正常运行的判别方法,并将此方法应用到了涡轮流量计管理维护和故障分析的在线监测系统上。


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