天(tian)然氣作(zuo)爲一種(zhong)高效清(qing)潔能源(yuan)，其需求(qiu)量随着(zhe)全球低(di)碳經濟(ji)的發展(zhan)呈現快(kuai)速增長(zhang)趨勢，預(yu)計2020 年國(guo)内天然(ran)氣需求(qiu)量将達(da) 3 000×108m3[1-4]。進口渦(wo)輪流量(liang)計一直(zhi)占據着(zhe)高壓🥵管(guan)道貿易(yi)計量市(shi)場，而國(guo)産
渦輪(lun)流量計(ji)
通常應(ying)用于低(di)壓管道(dao)，用戶主(zhu)要爲城(cheng)市燃氣(qi)的工業(ye)🐆用戶。
随(sui)着工業(ye)過程控(kong)制自動(dong)化的實(shi)施及輸(shu)氣管道(dao)的大量(liang)建設❗，對(dui)🈲貿易計(ji)量所需(xu)的渦輪(lun)流量計(ji)和具有(you)強大功(gong)能💛的流(liu)量計算(suan)機的需(xu)求量也(ye)不斷增(zeng)大，因此(ci)，擁有自(zi)主知識(shi)産權且(qie)滿足❤️工(gong)業性應(ying)用要求(qiu)的🈲精度(du)好的高(gao)壓渦輪(lun)流量計(ji)
與流量(liang)計算機(ji)，對實現(xian)管道設(she)備的國(guo)産化，打(da)破國外(wai)❗技術壟(long)斷，保障(zhang)管道安(an)全、經濟(ji)、高效運(yun)行，具有(you)十分重(zhong)⛱️要的意(yi)義。爲了(le)評價國(guo)産化流(liu)量計在(zai)實際運(yun)♋行過程(cheng)中的準(zhun)确度、可(ke)重複性(xing)、穩定性(xing)🍓及安全(quan)性等指(zhi)标，爲後(hou)續新建(jian)管道的(de)推廣應(ying)用及流(liu)量計的(de)制造、改(gai)進提供(gong)依據，對(dui) 4 台國産(chan) 氣體高(gao)壓渦輪(lun)流量計(ji)🍓和FC 型流(liu)量計🔴算(suan)機進行(hang)了現場(chang)工業性(xing)試驗。
1 高(gao)壓氣體(ti)渦輪流(liu)量計
1.1 工(gong)作原理(li)
高壓氣(qi)體渦輪(lun)流量計(ji)
是一種(zhong)帶機械(xie)計數器(qi)并用于(yu)準确測(ce)量氣體(ti)流量的(de)👨❤️👨流量計(ji)，其工作(zuo)原理：當(dang)高壓氣(qi)流進入(ru)流量計(ji)時，首先(xian)經過整(zheng)流器整(zheng)流并加(jia)速，在流(liu)體的作(zuo)用下，渦(wo)輪克服(fu)阻力矩(ju)🏃♀️開始轉(zhuan)動；當力(li)矩達到(dao)平衡時(shi)，渦輪轉(zhuan)速穩定(ding)，此時其(qi)轉🐅速與(yu)氣體工(gong)況流量(liang)成正比(bi)，并🈲通過(guo)齒輪減(jian)速傳動(dong)；磁耦🏃♂️合(he)聯接驅(qu)動字輪(lun)計數器(qi)轉動，直(zhi)接累🈚積(ji)🚶♀️氣體的(de)工況體(ti)❤️積總量(liang)。
因爲通(tong)過渦輪(lun)的流量(liang)與渦輪(lun)轉速成(cheng)正比，所(suo)以高頻(pin)信👨❤️👨号脈(mo)沖輸出(chu)頻率與(yu)渦輪轉(zhuan)速存在(zai)以下關(guan)系[7]：
綜上(shang)所述，儀(yi)表系數(shu)K 除與渦(wo)輪導程(cheng)、葉片數(shu)、葉片寬(kuan)度、螺🈲旋(xuan)升角、流(liu)量計流(liu)體通道(dao)等結構(gou)因素有(you)關外，還(hai)與介質(zhi)流體‼️黏(nian)性、軸承(cheng)本身阻(zu)尼、軸承(cheng)潤滑油(you)黏度等(deng)有關，若(ruo)以上其(qi)中一種(zhong)或幾種(zhong)相關因(yin)素發生(sheng)改變，則(ze)儀表系(xi)數K 也會(hui)相應改(gai)變，因此(ci)流量計(ji)應通☎️過(guo)線性檢(jian)定等試(shi)驗方式(shi)進行最(zui)終設計(ji)确認。
1.2 性(xing)能測試(shi)
以 EN 12261-2002《Gas meters - Turbine gasmeters》[8]和 OIML R137-1-2006《氣(qi)體流量(liang)計》作爲(wei)流量計(ji)産品的(de)研制依(yi)據，并嚴(yan)格按照(zhao)标準進(jin)行性能(neng)測試，主(zhu)要包括(kuo)：耐久性(xing)試驗、彎(wan)⚽矩與扭(niu)矩試驗(yan)、短時🛀🏻過(guo)載試驗(yan)、擾動試(shi)驗以及(ji)高低溫(wen)💰性能測(ce)試等。
1.2.1 耐(nai)久性測(ce)試
渦輪(lun)流量計(ji)進行耐(nai)久性測(ce)試的目(mu)的在于(yu)确認流(liu)量計在(zai)♊指🛀🏻定條(tiao)件下的(de)計量性(xing)能是否(fou)符合分(fen)段要求(qiu)[9]，即：
确認(ren)各種安(an)裝位置(zhi)是否影(ying)響測試(shi)樣機的(de)計量性(xing)🌈能，安裝(zhuang)⭐位置可(ke)分爲水(shui)平方向(xiang)、垂直向(xiang)上與垂(chui)直向下(xia)。在不同(tong)安裝位(wei)置情況(kuang)下，樣機(ji)在耐久(jiu)性測試(shi)前後指(zhi)示誤差(cha)的變化(hua)量不得(de)超過式(shi)（4）要求值(zhi)的 1/3。
以 DN80-G100 樣(yang)機爲例(li)，進行耐(nai)久性測(ce)試說明(ming)。首先将(jiang) 3 台樣機(ji)分👨❤️👨别安(an)⁉️裝在同(tong)一管道(dao)的不同(tong)位置，管(guan)道内 0.8 MPa 壓(ya)縮氣體(ti)以樣機(ji)最大流(liu)量進行(hang)循環運(yun)行，以每(mei) 1 000 h 爲運行(hang)單位，将(jiang)樣✨機拆(chai)卸并在(zai)标準氣(qi)體流量(liang)裝置上(shang)進行相(xiang)⭐應性能(neng)測試，得(de)到 7 000 h 運✊行(hang)測試數(shu)據（圖 1）。
結(jie)果表明(ming)：該測試(shi)樣機滿(man)足耐久(jiu)性測試(shi)要求，指(zhi)示誤差(cha)的變化(hua)量未超(chao)過最大(da)允許誤(wu)差的 1/3；軸(zhou)承經過(guo)長時間(jian)運行磨(mo)合更趨(qu)于穩定(ding)，長期運(yun)行後非(fei)線性段(duan)更趨于(yu)理想特(te)性曲㊙️線(xian)。
1.2.2 彎扭矩(ju)測試
對(dui)于高壓(ya)渦輪流(liu)量計，應(ying)該詳細(xi)說明流(liu)量計所(suo)需的彎(wan)曲與扭(niu)力力矩(ju)的保護(hu)水平[2]。該(gai)數據可(ke)以通過(guo)試驗直(zhi)接獲得(de)（圖 2，其❤️中(zhong)直管段(duan) 1 連接氣(qi)體流量(liang)标準裝(zhuang)置，圖 2a 中(zhong)在直管(guan)段 2 預先(xian)确定📱的(de)力臂L 位(wei)置附加(jia)垂🈲直方(fang)向的力(li)F 而形成(cheng)㊙️彎矩M；圖(tu) 2b 中在直(zhi)管段 2 側(ce)面預先(xian)确定的(de)力臂L 位(wei)置附加(jia)垂直方(fang)向的力(li)🔴F 而形成(cheng)扭矩T，而(er)彎矩與(yu)扭矩均(jun)是作用(yong)于流‼️量(liang)計入口(kou)與出口(kou)法蘭處(chu)）。由于該(gai)項測試(shi)主要是(shi)針對流(liu)量計強(qiang)度的校(xiao)核✏️，爲了(le)使測試(shi)結果更(geng)具說服(fu)力，并且(qie)提高其(qi)可靠性(xing)，将鋁合(he)金殼體(ti)的中低(di)壓渦輪(lun)流量計(ji) DN80-G100 用于🥰此(ci)次🔞測試(shi)。測試過(guo)程中按(an)照 EN 12261-2002 表 10中(zhong)要求施(shi)加 1 倍、2 倍(bei)直至 4 倍(bei)（即力矩(ju)爲 3 040 N·m）的砝(fa)碼F，未發(fa)現流⚽量(liang)計殼體(ti)有任何(he)異常變(bian)化👅。施加(jia)砝碼F 時(shi)及卸下(xia)砝碼之(zhi)✊後得到(dao)的指示(shi)誤差與(yu)施加🏃♀️砝(fa)碼F 之前(qian)的指示(shi)誤差🚶無(wu)明顯🎯變(bian)化，實際(ji)變化量(liang)均在最(zui)大允✏️許(xu)誤差的(de) 1/3 以内。
1.2.3 常壓(ya)與高壓(ya)試驗對(dui)比
爲了(le)确認高(gao)壓渦輪(lun)流量計(ji)在高壓(ya)氣體介(jie)質中計(ji)量性能(neng)是否滿(man)足工業(ye)貿易計(ji)量要求(qiu)，将多台(tai) DN80-G160樣機發(fa)往國家(jia)石油天(tian)然🌐氣大(da)流量計(ji)量站南(nan)京分站(zhan)進行 6 MPa 實(shi)流檢定(ding)。使用小(xiao)流量标(biao)準裝置(zhi)對編号(hao)爲131228041 的 DN80 渦(wo)輪流量(liang)計進行(hang)了檢定(ding)（圖 3）。流量(liang)計的儀(yi)表系數(shu)K 的計⭐算(suan)公式[10]
2 FC 型流(liu)量計算(suan)機
流量(liang)計算機(ji)是一種(zhong)可對多(duo)個流量(liang)測量點(dian)集中進(jin)行數據(ju)采集、精(jing)度高補(bu)償運算(suan)、數據顯(xian)示存儲(chu)及運用(yong)網絡實(shi)現通信(xin)功能的(de)新一代(dai)以工業(ye)微型計(ji)算機爲(wei)内核的(de)計量儀(yi)表。與體(ti)積修正(zheng)儀相比(bi)，其數據(ju)🤩采集頻(pin)率高，運(yun)算速♊度(du)快且準(zhun)确，可以(yi)同時對(dui)多台流(liu)量計進(jin)行溫度(du)壓力修(xiu)正和計(ji)量，廣泛(fan)應用于(yu)石🔞油、化(hua)工、冶金(jin)、電力、城(cheng)市燃氣(qi)及供熱(re)等行業(ye)的重要(yao)貿易計(ji)量場合(he)和工廠(chang)計量管(guan)理網🔆絡(luo)。
FC 型流量(liang)計算機(ji)最多可(ke)以連接(jie) 4 路流量(liang)計，可以(yi)與渦㊙️輪(lun)⭐流量計(ji)、腰輪流(liu)量計、
孔(kong)闆流量(liang)計
等配(pei)套使用(yong)。當流量(liang)輸入爲(wei)脈沖信(xin)号時，其(qi)體積流(liu)量爲：
此(ci)外，FC 型流(liu)量計算(suan)機還具(ju)有能量(liang)計量功(gong)能，可以(yi)直接通(tong)過配置(zhi)♻️的 RS485 通信(xin)接口接(jie)收氣相(xiang)色譜儀(yi)的組分(fen)分析結(jie)果，也可(ke)以在流(liu)量計算(suan)機手動(dong)輸入天(tian)然氣組(zu)分數據(ju)後，計算(suan)發熱量(liang)，再根🐇據(ju)所計🤞量(liang)的标準(zhun)體🈲積量(liang)計算天(tian)然氣能(neng)量[12]：
FC 型流(liu)量計算(suan)機内置(zhi)多種壓(ya)縮因子(zi)計算模(mo)型，且含(han)有多種(zhong)通信接(jie)口，可以(yi)使用 RS485 接(jie)口與上(shang)位機或(huo)色譜儀(yi)通信，也(ye)🔴可以♉通(tong)過 RJ45 接口(kou)使用 Modbus/TCP通(tong)信協議(yi)與上位(wei)機通信(xin)。
爲了滿(man)足流量(liang)計算機(ji)對多通(tong)道數據(ju)快速處(chu)理的要(yao)🐕求，同時(shi)，考慮到(dao)流量計(ji)算機硬(ying)件配置(zhi)的靈活(huo)性🈚，FC型流(liu)量計算(suan)機采用(yong)模塊㊙️化(hua)的結構(gou)設計方(fang)案，數據(ju)❗采集模(mo)塊采用(yong)可插拔(ba)的闆卡(ka)形式，每(mei)張闆卡(ka)均配💞置(zhi)有單獨(du)數據采(cai)集模塊(kuai)可以根(gen)據輸入(ru)❗信号的(de)不‼️同進(jin)行相應(ying)的配置(zhi)（圖 4）。的👈微(wei)處理器(qi)，由😘該處(chu)理器負(fu)♌責接收(shou)處理輸(shu)入到該(gai)數據采(cai)集模塊(kuai)的與流(liu)量、溫度(du)和壓力(li)相關的(de)電信号(hao)，同時，數(shu)據采集(ji)模塊可(ke)以根據(ju)輸入信(xin)号的不(bu)🚶同進行(hang)相應的(de)配❗置（圖(tu) 4）。
3 現場(chang)工業性(xing)試驗
對(dui) 4 台高壓(ya)氣體渦(wo)輪流量(liang)計及流(liu)量計算(suan)機進行(hang)現場工(gong)業性✉️試(shi)驗，試驗(yan)場地爲(wei)鎮江分(fen)輸站（DN80）、滁(chu)州分輸(shu)站（DN80）、青山(shan)分輸清(qing)🈲管站（DN50），站(zhan)場設計(ji)壓力均(jun)爲 10 MPa。以滁(chu)州分輸(shu)站爲例(li)，介紹現(xian)場工業(ye)性試🌈驗(yan)的情況(kuang)。
滁州分(fen)輸站用(yong)戶分輸(shu)路共 2 台(tai) Elster-InstrometTRZ G160 DN80 渦輪流(liu)量計，設(she)置 1 座計(ji)量橇（圖(tu) 5），具備比(bi)對流程(cheng)。選擇 FE3401 備(bei)用回路(lu)進行 TBQM型(xing)流量計(ji)的替換(huan)試用，同(tong)時将配(pei)套的流(liu)量計算(suan)機更換(huan)爲 FC 型流(liu)量計算(suan)👉機，調試(shi)正常後(hou)與 FE3301 回路(lu)流量計(ji)進行比(bi)對運行(hang)。從流量(liang)計🈚算機(ji)機櫃♈鋪(pu)設一根(gen) 3 芯信号(hao)線到 PLC 機(ji)櫃，PLC 機櫃(gui)📧安裝 SD16X 防(fang)雷及♋ 485-232 轉(zhuan)換分支(zhi)器。流量(liang)計算機(ji)通過 RS485 信(xin)号連接(jie)至站控(kong)系統，站(zhan)控系統(tong)通過 Modbus 協(xie)議讀取(qu)流量計(ji)算機的(de)🧑🏽🤝🧑🏻計量數(shu)🔞據。試運(yun)行期間(jian)，每 3 個月(yue)将 流量(liang)計拆卸(xie)下來，送(song)🛀南京計(ji)量中心(xin)檢㊙️定。
流(liu)量計同(tong)時輸出(chu)高頻脈(mo)沖和低(di)頻脈沖(chong)，其中高(gao)頻信号(hao)用于🆚計(ji)量，低頻(pin)信号用(yong)于比對(dui)。當兩信(xin)号的誤(wu)差超出(chu)一定範(fan)圍時🧑🏾🤝🧑🏼，流(liu)量計算(suan)機會提(ti)示。如渦(wo)輪流♋量(liang)計共☂️有(you) 12 個葉片(pian)，當某一(yi)葉片㊙️損(sun)壞時高(gao)頻和低(di)頻信号(hao)将會産(chan)生 1/12 的誤(wu)差。
流量(liang)計算機(ji)可通過(guo) RS485 信号直(zhi)接與氣(qi)相色譜(pu)儀連接(jie)，讀取天(tian)然⛷️氣☔組(zu)分數據(ju)，也可以(yi)通過站(zhan)控機發(fa)送或手(shou)動設置(zhi)天然氣(qi)組分數(shu)據。由于(yu)滁州站(zhan)的氣相(xiang)色譜儀(yi)停用，因(yin)此 FE3301 路和(he) FE3401 路流量(liang)計算機(ji)的天然(ran)氣組分(fen)均爲每(mei)天手動(dong)輸入。
開(kai)始現場(chang)安裝試(shi)驗前，分(fen)别将 4 台(tai)渦輪流(liu)量計和(he)流量計(ji)算機送(song)第三方(fang)檢定機(ji)構檢定(ding)。其中，渦(wo)輪流量(liang)計送南(nan)京計量(liang)中心檢(jian)定（圖 6，編(bian)号爲 131228042 的(de)DN80-G160 流量計(ji)的檢定(ding)結果）。流(liu)量計算(suan)機送至(zhi)上海儀(yi)器儀表(biao)自控系(xi)統檢驗(yan)測試所(suo)進行校(xiao)準測試(shi)（表 1，編号(hao)爲 131227004 的流(liu)量計算(suan)🔴機校準(zhun)測試🌂數(shu)據），在壓(ya)力🐅、溫度(du)爲數字(zi)量輸入(ru)的情況(kuang)下，流量(liang)計算機(ji)的誤差(cha)來源爲(wei)脈沖測(ce)量、壓縮(suo)因💞子計(ji)算以及(ji)标況流(liu)量計算(suan)。
試驗期(qi)間，各站(zhan)點每天(tian)會記錄(lu)兩台作(zuo)比對的(de)流量計(ji)🐪的🚩标況(kuang)累積量(liang)，從而統(tong)計計量(liang)誤差。根(gen)據滁州(zhou)站FC 型流(liu)量計算(suan)機和 Elster 流(liu)量計算(suan)機（精度(du)爲 0.5，流量(liang)範圍爲(wei) 13～250 m
3/h）部分日(ri)累積量(liang)的比對(dui)數據（表(biao) 2），偏差量(liang)大部分(fen)爲負偏(pian)差且最(zui)🈲大值爲(wei) 0.33％，說明 FC 型(xing)流量計(ji)算機計(ji)量準确(que)且穩定(ding)⛹🏻♀️。
試運行(hang) 3 個月後(hou)，将鎮江(jiang)站 渦輪(lun)流量計(ji)和青山(shan)站 渦輪(lun)流量計(ji)拆卸下(xia)來，送南(nan)京計量(liang)中心檢(jian)定。根據(ju)鎮江分(fen)輸站編(bian)号爲 131228041 的(de)流量計(ji)試運行(hang)前後檢(jian)定結果(guo)（圖 7a）、青山(shan)分輸清(qing)管站編(bian)🈲号爲 131228036 的(de)流量計(ji)💰試運行(hang)前後檢(jian)定結果(guo)🈲（圖 7b），
流量(liang)計仍然(ran)滿足 ±1％誤(wu)差的要(yao)求。而與(yu) Elster 流量計(ji)的對比(bi)數💰據表(biao)明：該類(lei)型國産(chan)渦輪流(liu)量計與(yu)流量計(ji)算機達(da)到了國(guo)際水準(zhun)，滿足工(gong)業計量(liang)要求。
4 結(jie)論
通過(guo)超過半(ban)年的現(xian)場工業(ye)性試驗(yan)，高壓渦(wo)輪氣體(ti)流量計(ji)和配套(tao)流量計(ji)算機精(jing)度符合(he)設計要(yao)求，具有(you)較高的(de)可靠性(xing)，各項指(zhi)标和技(ji)術性能(neng)完全滿(man)足工業(ye)貿🌍易計(ji)量的要(yao)求⛹🏻♀️，打破(po)了國外(wai)高壓長(zhang)輸管道(dao)領域的(de)技術壟(long)斷，積累(lei)了一定(ding)試驗數(shu)據和經(jing)驗，爲今(jin)後高壓(ya)長輸管(guan)道長期(qi)運行奠(dian)定了堅(jian)實的基(ji)礎🎯。随着(zhe)我國工(gong)業計量(liang)事業和(he)城市燃(ran)氣的發(fa)展，以及(ji)能量計(ji)量的逐(zhu)步實施(shi)，國産化(hua)流量計(ji)具有很(hen)強的⭐市(shi)場競争(zheng)力和較(jiao)大的市(shi)場潛力(li)，也爲⚽天(tian)然氣的(de)計☎️量管(guan)理提🥵供(gong)了技術(shu)保☁️障。