天然氣作為一種高效清潔能源，其需求量隨著全球低碳經(jīng)濟的發(fā)展呈現(xiàn)快速增長趨勢，預(yù)計2020 年國內(nèi)天然氣需求量將達 3 000×108m3[1-4]。進口渦輪流量計一直占據(jù)著高壓管道貿(mào)易計量市場，而國產(chǎn)渦輪流量計通常應(yīng)用于低壓管道，用戶主要為城市燃氣的工業(yè)用戶。
    隨著工業(yè)過程控制自動化的實施及輸氣管道的大量建設(shè)，對貿(mào)易計量所需的渦輪流量計和具有強大功能的流量計算機的需求量也不斷增大，因此，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)且滿足工業(yè)性應(yīng)用要求的精度好的高壓渦輪流量計與流量計算機，對實現(xiàn)管道設(shè)備的國產(chǎn)化，打破國外技術(shù)壟斷，保障管道安全、經(jīng)濟、高效運行，具有十分重要的意義。為了評價國產(chǎn)化流量計在實際運行過程中的準確度、可重復(fù)性、穩(wěn)定性及安全性等指標，為后續(xù)新建管道的推廣應(yīng)用及流量計的制造、改進提供依據(jù)，對 4 臺國產(chǎn) 氣體高壓渦輪流量計和FC 型流量計算機進行了現(xiàn)場工業(yè)性試驗。
1　高壓氣體渦輪流量計
1.1　工作原理
    高壓氣體渦輪流量計是一種帶機械計數(shù)器并用于準確測量氣體流量的流量計，其工作原理：當(dāng)高壓氣流進入流量計時，首先經(jīng)過整流器整流并加速，在流體的作用下，渦輪克服阻力矩開始轉(zhuǎn)動；當(dāng)力矩達到平衡時，渦輪轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，此時其轉(zhuǎn)速與氣體工況流量成正比，并通過齒輪減速傳動；磁耦合聯(lián)接驅(qū)動字輪計數(shù)器轉(zhuǎn)動，直接累積氣體的工況體積總量。
因為通過渦輪的流量與渦輪轉(zhuǎn)速成正比，所以高頻信號脈沖輸出頻率與渦輪轉(zhuǎn)速存在以下關(guān)系[7]：

   綜上所述，儀表系數(shù)K 除與渦輪導(dǎo)程、葉片數(shù)、葉片寬度、螺旋升角、流量計流體通道等結(jié)構(gòu)因素有關(guān)外，還與介質(zhì)流體黏性、軸承本身阻尼、軸承潤滑油黏度等有關(guān)，若以上其中一種或幾種相關(guān)因素發(fā)生改變，則儀表系數(shù)K 也會相應(yīng)改變，因此流量計應(yīng)通過線性檢定等試驗方式進行最終設(shè)計確認。
1.2　性能測試
   以 EN 12261-2002《Gas meters - Turbine gasmeters》[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：

   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 壓縮氣體以樣機最大流量進行循環(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）。

   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最大允許誤差的 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，實際變化量均在最大允許誤差的 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)往國家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]


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、精度高補償運算、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 型流量計算機最多可以連接 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(dāng)流量輸入為脈沖信號時，其體積流量為：

   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]：

   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)的配置（圖 4）。的微處理器，由該處理器負責(zé)接收處理輸入到該數(shù)據(jù)采集模塊的與流量、溫度和壓力相關(guān)的電信號，同時，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)的配置（圖 4）。

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 流量計拆卸下來，送南京計量中心檢定。

   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(dāng)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(dāng)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。


   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 m
3/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最大值為 0.33％，說明 FC 型流量計算機計量準確且穩(wěn)定。

   試運行 3 個月后，將鎮(zhèn)江站 渦輪流量計和青山站 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。

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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