摘要：目前國內(nèi)缺乏自主研發(fā)的高壓渦輪流量計，而西氣東輸、川氣東送等輸氣管道對用于貿(mào)易計量的渦輪流量計與流量計算機需求旺盛，為此，研發(fā)了用于輸氣管道的 TBQM 型高精度高壓渦輪流量計及 FC 型流量計算機。介紹了 TBQM 型高精度高壓渦輪流量計的工作原理及性能測試情況，包括耐久性試驗、彎矩與扭矩試驗、短時過載試驗、擾動試驗、高低溫性能測試等。研發(fā)的 FC 型流量計算機可以連接 4 路流量計，且具有能量計量功能，可直接通過配置的 RS485 通信接口接收氣相色譜儀的組分分析結(jié)果。為了更好地驗證 TBQM 型高精度高壓渦輪流量計與 FC 型流量計算機的準確性和可靠性，分別在鎮(zhèn)江分輸站、滁州分輸站、青山分輸清管站進行了超過半年的現(xiàn)場工業(yè)性試驗，結(jié)果表明各項指標和技術(shù)性能完全滿足工業(yè)貿(mào)易計量的要求。（圖 7，表 2，參 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

1、TBQM 型高壓氣體渦輪流量計：

  EN 12261- 2002《Gas meters – Turbine gas meters》[8]和 OIML R137-1-2006《氣體流量計》作為流量計產(chǎn)品的研制依據(jù)，并嚴格按照標準進行性能測試，主要包括：耐久性試驗、彎矩與扭矩試驗、短時過載試驗、擾動試驗以及高低溫性能測試等。

1.2.1、耐久性測試 ：

  渦輪流量計進行耐久性測試的目的在于確認流量計在指定條件下的計量性能是否符合分段要求[9]，即：

d=	（4）
	±1％，Qt≤Q＜Qmax

式中：? 為計量相對誤差；Qmax 為工況***大流量，m3/h； Qmin 為工況***小流量，m3/h；Qt 為分界流量點，其值等于 20％Qmax，m3/h。確認各種安裝位置是否影響測試樣機的計量性能，安裝位置可分為水平方向、垂直向上與垂直向下。在不同安裝位置情況下，樣機在耐久性測試前后指示誤差的變化量不得超過式（4）要求值的 1/3。以 DN80-G100 樣機為例，進行耐久性測試說明。首先將 3 臺樣機分別安裝在同一管道的不同位置，管道內(nèi) 0.8 MPa 壓縮氣體以樣機***大流量進行循環(huán)運行，以每 1 000 h 為運行單位，將樣機拆卸并在標準氣體流量裝置上進行相應(yīng)性能測試，得到 7 000 h 運行測試數(shù)據(jù)（圖 1）。

圖 1  DN80-G100 流量計樣機耐久性測試數(shù)據(jù)
 結(jié)果表明：該測試樣機滿足耐久性測試要求，指示誤差的變化量未超過***大允許誤差的 1/3；軸承經(jīng)過長時間運行磨合更趨于穩(wěn)定，長期運行后非線性段更趨于理想特性曲線。
1.2.2、彎扭矩測試：
   對于高壓渦輪流量計，應(yīng)該詳細說明流量計所需的彎曲與扭力力矩的保護水平^[2]。該數(shù)據(jù)可以通過試驗直接獲得（圖 2，其中直管段 1 連接氣體流量標準裝置，圖 2a 中在直管段 2 預(yù)先確定的力臂L 位置附加垂直方向的力F 而形成彎矩M；圖 2b 中在直管段 2 側(cè)面預(yù)先確定的力臂L 位置附加垂直方向的力F 而形成扭矩T，而彎矩與扭矩均是作用于流量計入口與出

圖 2  高壓渦輪流量計的彎矩與扭矩測試裝置示意圖

  口法蘭處）。由于該項測試主要是針對流量計強度的校核，為了使測試結(jié)果更具說服力，并且提高其可靠性，將鋁合金殼體的中低壓渦輪流量計 DN80-G100 用于此次測試。測試過程中按照 EN 12261-2002 表 10中要求施加 1 倍、2 倍直至 4 倍（即力矩為 3 040 N·m）的砝碼F，未發(fā)現(xiàn)流量計殼體有任何異常變化。施加砝碼F 時及卸下砝碼之后得到的指示誤差與施加砝碼F 之前的指示誤差無明顯變化，實際變化量均在***大允許誤差的 1/3 以內(nèi)。
 

1.2.3、 常壓與高壓試驗對比 ：

  為了確認高壓渦輪流量計在高壓氣體介質(zhì)中計量性能是否滿足工業(yè)貿(mào)易計量要求，將多臺 DN80-G160樣機發(fā)往石油天然氣大流量計量站南京分站進行 6 MPa 實流檢定。使用小流量標準裝置對編號為131228041 的 DN80 渦輪流量計進行了檢定（圖 3）。流量計的儀表系數(shù)K 的計算公式[10] ：

K=（Ki）max＋（Ki）min

2

式中（：Ki）max、（Ki）min 分別為流量計在qt～qmax 流量范圍各流量檢定點得到的Ki 中的***大值和***小值。

圖 3  DN80 渦輪流量計常壓與高壓檢定數(shù)據(jù)

2、FC 型流量計算機 ：

  流量計算機是一種可對多個流量測量點集中進行數(shù)據(jù)采集、高精度補償運算、數(shù)據(jù)顯示存儲及運用網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)通信功能的新一代以工業(yè)微型計算機為內(nèi)核的計量儀表。與體積修正儀相比，其數(shù)據(jù)采集頻率高，運算速度快且準確，可以同時對多臺流量計進行溫度壓力修正和計量，廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、電力、城市燃氣及供熱等行業(yè)的重要貿(mào)易計量場合和工廠計量管理網(wǎng)絡(luò)。

  FC 型流量計算機***多可以連接 4 路流量計，可以與渦輪流量計、腰輪流量計、孔板流量計等配套使用。當流量輸入為脈沖信號時，其體積流量為：

Qv=3 600 f/K （6）

式中：Qv 為未經(jīng)修正的體積流量，m3/h。 當連接孔板流量計時，體積流量為[11] ：

	π d 2	Ce	2 p
qv=				（7）
	4	1-b4	r1

  式中：qv 為工作狀態(tài)下體積流量，m3/h；d 為工作條件下孔板開孔直徑，mm；C 為流出系數(shù)，對于孔板，按標準計算；? 為可膨脹系數(shù)；? 為節(jié)流件等效直徑比； p為介質(zhì)流經(jīng)孔板時產(chǎn)生的壓差，kPa；?1 為介質(zhì)在工作狀態(tài)下的密度，kg/m3。

  此外，F(xiàn)C 型流量計算機還具有能量計量功能，可以直接通過配置的 RS485 通信接口接收氣相色譜儀的組分分析結(jié)果，也可以在流量計算機手動輸入天然氣組分數(shù)據(jù)后，計算發(fā)熱量，再根據(jù)所計量的標準體積量計算天然氣能量[12]：

E=∑VnHs （8）

  式中：E 為天然氣的能量，kW·h；Vn 為天然氣基準狀態(tài)下的體積，m3；Hs 為天然氣基準狀態(tài)下的單位發(fā)熱量，MJ/m3。

  FC 型流量計算機內(nèi)置多種壓縮因子計算模型，且含有多種通信接口，可以使用 RS485 接口與上位機或色譜儀通信，也可以通過 RJ45 接口使用 Modbus/TCP通信協(xié)議與上位機通信。

  為了滿足流量計算機對多通道數(shù)據(jù)快速處理的要求，同時，考慮到流量計算機硬件配置的靈活性，F(xiàn)C型流量計算機采用模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，數(shù)據(jù)采集模塊采用可插拔的板卡形式，每張板卡均配置有單獨的微處理器，由該處理器負責接收處理輸入到該數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)采集模塊可以根據(jù)輸入信號的不同進行相應(yīng)的配采集模塊的與流量、溫度和壓力相關(guān)的電信號，同時， 置（圖 4）。

圖 4  流量計算機硬件結(jié)構(gòu)示意圖

 
3、現(xiàn)場工業(yè)性試驗：

  對 4 臺高壓氣體渦輪流量計及流量計算機進行現(xiàn)場工業(yè)性試驗，試驗場地為鎮(zhèn)江分輸站（DN80）、滁州分輸站（DN80）、青山分輸清管站（DN50），站場設(shè)計壓力均為 10 MPa。以滁州分輸站為例，介紹現(xiàn)場工業(yè)性試驗的情況。

  滁州分輸站用戶分輸路共 2 臺 Elster-InstrometTRZ G160 DN80 渦輪流量計，設(shè)置 1 座計量橇（圖 5），具備比對流程。選擇 FE3401 備用回路進行 TBQM 型流量計的替換試用，同時將配套的流量計算機更換為 FC 型流量計算機，調(diào)試正常后與 FE3301 回路流量

計進行比對運行。從流量計算機機柜鋪設(shè)一根 3 芯信號線到 PLC 機柜，PLC 機柜安裝 SD16X 防雷及 485-232 轉(zhuǎn)換分支器。流量計算機通過 RS485 信號連接至站控系統(tǒng)，站控系統(tǒng)通過 Modbus 協(xié)議讀取流量計算機的計量數(shù)據(jù)。試運行期間，每 3 個月將 TBQM 型流量計拆卸下來，送南京計量中心檢定。

圖 5  滁州分輸站計量橇工藝流程圖
 TBQM 型流量計同時輸出高頻脈沖和低頻脈沖，其中高頻信號用于計量，低頻信號用于比對。當兩信號的誤差超出一定范圍時，流量計算機會提示。如渦輪流量計共有 12 個葉片，當某一葉片損壞時高頻和低頻信號將會產(chǎn)生 1/12 的誤差。
 流量計算機可通過 RS485 信號直接與氣相色譜儀連接，讀取天然氣組分數(shù)據(jù)，也可以通過站控機發(fā)送或手動設(shè)置天然氣組分數(shù)據(jù)。由于滁州站的氣相色譜儀停用，因此 FE3301 路和 FE3401 路流量計算機的天然氣組分均為每天手動輸入。
 開始現(xiàn)場安裝試驗前，分別將 4 臺渦輪流量計和流量計算機送第三方檢定機構(gòu)檢定。其中，渦輪流量計送南京計量中心檢定（圖 6，編號為 131228042 的 DN80-G160 流量計的檢定結(jié)果）。流量計算機送至上海儀器儀表自控系統(tǒng)檢驗測試所進行校準測試（表 1，編號為 131227004 的流量計算機校準測試數(shù)據(jù)），在壓力、溫度為數(shù)字量輸入的情況下，流量計算機的誤差來源為脈沖測量、壓縮因子計算以及標況流量計算。

圖 6	試驗前流量計的檢定結(jié)果

表 1  流量計算機校準數(shù)據(jù)

標稱流量（/m³·h^-1） 流量顯示值（/m³·h^-1） 誤差％

 

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

  試驗期間，各站點每天會記錄兩臺作比對的流量計的標況累積量，從而統(tǒng)計計量誤差。根據(jù)滁州站 FC 型流量計算機和 Elster 流量計算機（精度為 0.5，流量范圍為 13～250 m³/h）部分日累積量的比對數(shù)據(jù)（表 2），偏差量大部分為負偏差且***大值為 0.33％，說明 FC 型流量計算機計量準確且穩(wěn)定。

	表 2	流量計算機日累積量比對數(shù)據(jù)
	FC 型流量計算機		Elster 進口流量	偏差量
日期	標況累積量		計算機標況累積量
				％
		/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

  試運行 3 個月后，將鎮(zhèn)江站 TBQM 型渦輪流量計和青山站 TBQM 型渦輪流量計拆卸下來，送南京計量中心檢定。根據(jù)鎮(zhèn)江分輸站編號為 131228041 的流量計試運行前后檢定結(jié)果（圖 7a）、青山分輸清管站編號為 131228036 的流量計試運行前后檢定結(jié)果（圖 7b），流量計仍然滿足 ±1％誤差的要求。而與 Elster 流量計的對比數(shù)據(jù)表明：該類型國產(chǎn)渦輪流量計與流量計算機達到了國際水準，滿足工業(yè)計量要求。

圖 7	不同站場試運行前后流量計檢定結(jié)果對比

相關(guān)產(chǎn)品:

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  溫壓補償氣體渦輪流量計

  
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  插入式渦輪流量計

  
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  渦輪流量計

  
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  食品衛(wèi)生渦輪流量計

  
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  智能渦輪流量計

  
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  卡箍渦輪流量計

  
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  小口徑渦輪流量計

  
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  天然氣渦輪流量計

  
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  渦輪式流量計

  
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  液體渦輪流量計

  
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  渦輪流量計

  
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  流量控制儀

  

4、結(jié)論：
  通過超過半年的現(xiàn)場工業(yè)性試驗，高壓渦輪氣體流量計和配套流量計算機精度符合設(shè)計要求，具有較高的可靠性，各項指標和技術(shù)性能完全滿足工業(yè)貿(mào)易計量的要求，打破了國外高壓長輸管道領(lǐng)域的技術(shù)壟斷，積累了一定試驗數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，為今后高壓長輸管道長期運行奠定了堅實的基礎(chǔ)。隨著我國工業(yè)計量事業(yè)和城市燃氣的發(fā)展，以及能量計量的逐步實施，國產(chǎn)化流量計具有很強的市場競爭力和較大的市場潛力，也為天然氣的計量管理提供了技術(shù)保障。

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