摘 要：闡述(shu)高壓氣體渦輪流(liu)量計 并介紹工作(zuò)原理、結構特點、性(xing)能測試、計量特性(xìng)等，以此🧑🏽‍🤝‍🧑🏻證明高壓(ya)氣體渦輪流量計(jì)可以作爲貿易計(jì)量應用在🌈高壓管(guan)線上
0 引 言
　　天然氣(qì)作爲重要的潔淨(jìng)能源，近幾年在城(chéng)市中的應用迅猛(meng)發展。在當今市場(chang)經濟的體制下，人(ren)們對經濟🆚效益🧑🏽‍🤝‍🧑🏻的(de)日益重視，作爲供(gòng)氣、用氣雙方進行(hang)貿易結算依據的(de)計量問🏃‍♀️題日益突(tu)顯起來[1]，特别對高(gao)壓天然氣的計量(liàng)形勢尤爲嚴☂️峻，“計(jì)量就是計錢”的觀(guan)念深入人心。而世(shi)界能源供求日益(yi)緊張，人們都十分(fèn)關心并尋求一種(zhong)精度高🛀，适應性強(qiáng)的流量計來測量(liang)天然氣流❤️量，以減(jiǎn)少、避免天然氣貿(mào)易糾紛。目前國内(nèi)渦輪流量計生産(chan)廠家均是以中低(dī)壓爲主，對高壓的(de)涉及較少，規格種(zhǒng)類繁多、結構複雜(za)。供油系統、防沖擊(jī)結💰構等因素均是(shì)直接影響流量計(jì)使用壽命。與此同(tong)時，爲了😍順應國家(jia)能源安全的戰略(luè)部署，保證國家能(neng)源輸運安全，響應(ying)建設“創新型”國家(jiā)的發展戰略，自主(zhu)知識産權且滿足(zú)♌工業性應用要求(qiú)的精度佳高壓渦(wō)輪流量計。
1 渦輪流(liú)量計的工作原理(li)與流量特性
1.1 工作(zuo)原理
　　 氣體渦輪流(liú)量計 是一種帶機(ji)械計數器并用于(yú)測量氣體流量的(de)流量計，其🎯工作原(yuán)理如圖1 所示：當氣(qì)流進入流量計時(shi)🏃🏻，首先🙇🏻經過特殊整(zhěng)流⛱️器整流并加速(sù)，在流體的作用下(xià)，渦輪克服阻⛹🏻‍♀️力矩(ju)開始轉動。當力矩(jǔ)達到平衡時渦輪(lún)轉速穩定，此時其(qi)轉速與氣體工況(kuang)流量成正比，并通(tōng)過齒輪減速傳動(dong)以及磁耦合🚩聯接(jie)驅動字輪計數器(qi)轉動，直接累積氣(qi)體👉的工況體積總(zong)量。

　　因通過渦輪的(de)流量與渦輪轉速(sù)成正比，高頻信号(hao)✨脈沖🚩輸♍出頻率 與(yu)渦輪轉速存在下(xia)列
|=nZ

　　對一定精度的(de)流量計而言，在一(yī)定的流量範圍内(nèi)，其儀表系💛數K 應接(jiē)近常數。理論上儀(yí)表系數K 與體積流(liu)量☎️q成如👌下關系，即(jí)

式中：K—儀表系數，爲(wei)工況條件下每立(li)方米通過流量傳(chuán)感器時輸出的脈(mo)沖數，1/m3 ；
q—工況體積流(liú)量m3 s 。
　　綜上所述，儀表(biǎo)系數K 在實際上除(chu)渦輪導程、葉片數(shu)、葉片寬度、螺旋升(shēng)角、流量計流體通(tōng)道等結構因素有(yǒu)關🤞外，還👌與介質流(liu)✊體粘性、軸承本身(shen)阻尼、軸承潤滑油(yóu)粘度等有💚關，若以(yi)上其中一種或幾(jǐ)種相關因素發生(shēng)改變，則儀表系數(shù)K就會相應改變。故(gu)每台流量計均應(yīng)通過檢定得出儀(yí)表系數。
1.2 流量特性(xing)介紹
　　K—q關系曲線稱(chēng)爲渦輪流量計的(de)流量特性曲線。理(lǐ)論上， K—q關系應是一(yī)條水平直線，但實(shí)際上由于在不同(tóng)的流🧡動狀态下，流(liú)體産生阻力機理(lǐ)不同，效果也不同(tong)，所以使特性曲線(xiàn)成爲曲線形狀。 以(yi)🧡DN50 爲例，如圖2 所示。

　　由圖2 可見，儀表(biǎo)系數可分爲二段(duan)，即線性段和非線(xiàn)✉️性段。在非🈚線性段(duàn)， 實際特性受軸承(cheng)摩擦力、流體粘性(xìng)阻力影響較大。當(dāng)流量低于Qmin 時，儀表(biao)系數随着流量迅(xun)速變化。壓🧡力損失(shī)⚽與流量的平方🈲成(cheng)正比關系。通常線(xian)性段約爲工作段(duàn)的2/3，其特性與渦🈲輪(lun)結構參數及流體(ti)粘性有關。随流量(liang)的變化其儀表系(xì)數K 也會有一定的(de)變化，但變化不大(dà)，通常将其變化幅(fú)度稱爲流量計的(de)計量準确✂️度。對于(yu)産品設計而言，期(qī)望能将線性段的(de)流量範圍拓展，一(yī)台流量計能覆蓋(gài)同口徑的不同流(liú)量範圍，使得産品(pin)量程比變寬從而(er)降低生産管理與(yǔ)生産批量加工成(cheng)✏️本。對于1.0 級的高壓(yā)氣體渦輪流量計(ji)，以Qt（0.2Qmax）爲分界流量點(dian)，将計量線性🏃‍♀️分爲(wei)兩段，其中一段的(de)最大允許誤差爲(wei)±2%，而另一段的最大(da)允許誤差爲±1% 。按圖(tu)2 所示，通常每台渦(wo)輪流量計均有較(jiào)☂️爲相似特性曲線(xiàn)，若将可測量流量(liàng)範圍做寬，就能在(zài)同口徑不同💯流量(liàng)範圍進行分段💔截(jié)取，以實現一台流(liu)量計能覆蓋同口(kǒu)徑🥰的不同流量範(fan)圍。
2 高壓渦輪流量(liang)計研制
　　高壓氣體(tǐ)渦輪流量計主要(yao)是由鍛鋼殼體、表(biǎo)芯總成、機械顯☎️示(shi)計數器、高壓油泵(bèng)、高低頻信号輸出(chu)（按客戶要求選配(pèi)）等組成；根據EN12261 要求(qiu)，設計高壓渦輪流(liú)量計内部結構、外(wai)觀等并對殼體與(yu)軸承進行設計計(ji)算；研究高壓供油(yóu)系統的結構設計(ji)，避免軸承潤滑油(you)回流等不良現象(xiang)；研🥰究渦輪防沖擊(ji)結構設計✏️，緩沖因(yīn)流量🧡波❗動引起瞬(shùn)間沖🈚擊力；研究雙(shuāng)向增計數的新型(xíng)機械計數器，主要(yào)解決了流量計由(you)于其單向計數的(de)特性，而導緻倒置(zhì)安裝時🔅出🐅現計數(shu)不🐆增反減的問題(ti)。
2.1 殼體與軸承設計(jì)計算
　　高壓氣體渦(wo)輪流量計殼體作(zuò)爲主要的承壓零(ling)部⛷️件，應進行強度(du)校核計算。并可将(jiāng)其視爲鋼管，并根(gēn)🔞據标準GB50316 與GB150 中相關(guan)規定，計算壁厚ts 計(ji)算公式：

式中 ts—計算(suan)厚度（mm）；
        P—設計壓力（MPa）；
        Do—管(guan)子外徑（mm）；
—在設計溫(wen)度下材料的許用(yong)應力（MPa）；
Ej —焊接接頭系(xì)數；
Y—計算系數。
以DN50-PN100 爲(wèi)例，将殼體設計參(can)數代入（4）中直

而對(duì)于轉速較高的軸(zhóu)承，軸承可靠度爲(wei)90%，軸承材料爲常規(guī)材料，其基本額定(ding)動載荷計算公式(shì)如下[3]：

　　将選型軸承(cheng)的參數代入（5）、（6）中直(zhi)接得出基本額定(ding)動載荷C，而選型⛹🏻‍♀️軸(zhou)承的動載荷Cr 必須(xu)大于基本額定動(dòng)㊙️載荷C 才能滿足設(she)計要求。
2.2 高壓供油(you)系統
　　流量計所需(xū)軸承潤滑油必須(xu)在内部密封、持久(jiǔ)、免維🌂護或者♊采💜用(yong)外部注入的方式(shì)。高壓渦輪流量計(ji)結構⛷️設計🔞應采取(qu)外部注入方式進(jìn)行潤滑軸承。該♻️方(fang)式必🌏須克服高壓(yā)氣體對潤滑油管(guǎn)反作用力，壓🔅力越(yue)高，反⛷️作用力越強(qiang)。對供油系統提出(chu)更高的要求，目前(qián)行業内的中低壓(yā)供油結構已不适(shi)用，可能會引起潤(rùn)滑🈲油回流或密封(fēng)圈提前失效等問(wen)題。
　　應研制一種高(gao)壓供油系統，其主(zhǔ)要是通過手動油(you)泵将潤滑油👨‍❤️‍👨從油(you)杯注入注油腔中(zhōng)，而注油腔中的💔潤(rùn)滑油是通過兩隻(zhi)阻回流單向閥以(yǐ)及内置供油管路(lu)将潤滑油直接注(zhu)入需潤滑軸承附(fù)近的儲油區内；而(er)手👌動油泵是由手(shǒu)柄、油泵座、油杯、
　　活(huó)塞、O 型密封圈等組(zu)成；該結構設計的(de)亮點在于采用兩(liǎng)隻單向閥其一内(nèi)置油泵，另一嵌入(rù)管道，實現雙重💋阻(zǔ)回流功能，并提高(gāo)高壓管道供油可(kě)靠性；而㊙️且将所有(yǒu)油管内置，該💃🏻供油(you)管路設計結構簡(jiǎn)單、緊🔴湊，實現一🏃🏻體(tǐ)化潤滑🏒，順利解決(jue)生産過程與搬運(yun)物📱流對外部引油(you)管路造成♊傷害；
2.3 渦(wō)輪防沖擊與高頻(pín)信号檢測系統
　　爲(wèi)了減緩流量波動(dong)、管道震動對渦輪(lún)生産瞬間沖擊力(li)，研究計量芯的内(nei)部結構。通常計量(liàng)芯中前後🙇🏻軸承均(jun1)是徑向旋轉作用(yòng)，對瞬間沖擊力的(de)承受能力有限，若(ruò)操作不當，對流量(liàng)計🧡壽命與精度影(yǐng)響甚大。考慮以🏃上(shang)因素，對計量芯内(nèi)部結構進行改進(jìn)。将🙇🏻主軸的前後軸(zhóu)承作用力分開，前(qian)軸承爲徑向旋轉(zhuan)🤟作用，後軸承爲🐆軸(zhóu)向推力作用，後軸(zhou)承也可與推力⛹🏻‍♀️軸(zhou)承或波紋墊圈配(pei)合使用。能有效的(de)抑制流體瞬間沖(chòng)擊力，并配合渦🈲輪(lun)形成反向推力，能(neng)較快将渦輪調整(zhěng)至平衡狀态，從而(er)改善渦輪流量計(jì)的壽命與精度。
　　目(mu)前國内外取高頻(pín)信号傳感器頻率(lǜ)最高大概爲2000Hz，而且(qie)🔞大部分制造商采(cǎi)取穿過流體通道(dao)的方式插入計量(liang)芯内部實現信号(hào)💘采取。此方式會引(yin)起高、低頻檢定的(de)示值誤差不🎯一緻(zhì)。使用的新型高頻(pín)旋轉檢測傳感器(qi)是通過🐪渦輪的葉(yè)片放大的，對流體(tǐ)通道無任何影響(xiang)，其頻率最高能達(da)到3 500 Hz 或者更高。通過(guò)該傳感技術的應(yīng)用，并采用新🏃型信(xìn)号處理放大技術(shu)和獨特的濾波技(ji)術，有效地剔除壓(yā)力波動和管道振(zhèn)動所産生的幹擾(rǎo)信号，提高流量計(ji)的抗幹擾能力。從(cong)而克服了因頻率(lǜ)高而丢失信号的(de)難題，提高産品對(dui)小流量的靈敏度(du)和精度，更便于用(yong)戶高頻檢定操作(zuo)等。
2.4 雙向增計數的(de)新型機械計數器(qi)
　　目前市場上的機(ji)械計數器計數均(jun1)爲正向進氣時計(jì)💜數器正向計數，反(fǎn)向進氣時計數器(qi)反走。而帶單💘向計(ji)數功📞能的👌渦輪⭕流(liú)量㊙️計是一種能夠(gou)在渦輪流量計左(zuo)進右出進氣、垂🌈直(zhí)安裝、水平安裝條(tiáo)件下均能滿足單(dān)向計數（單向計數(shù)可分爲正向計數(shu)與反✌️向計數；按目(mù)前市場需求☂️，此單(dān)向計數便是通常(cháng)所說的正向計數(shù)）。然而，在燃氣計量(liàng)市場中有部分投(tou)機分子爲了盜氣(qì)等原因将渦輪流(liu)量計倒置安裝，使(shǐ)🈚得單向計數器的(de)計數不增反退。爲(wèi)了避免上述‼️問題(tí)再次🤩出現，設計具(ju)有自主知識産權(quan)帶雙向增計數功(gōng)能的新型渦輪流(liu)量計，其中包括💛渦(wo)輪流量🌈計基表、上(shang)磁耦合組件、主軸(zhou)、主錐齒輪、錐齒輪(lún)組件✊和計數字輪(lún)組件等。雙向🐇增計(jì)數功能實現如圖(tú)3 所示，主要是通過(guò)增加單向軸承的(de)🔞數量㊙️，并🈲對稱分布(bù)在主錐齒輪的🐇兩(liang)側，通過單向軸承(cheng)與錐齒輪的緊🔴配(pei)合，實現正反進氣(qì)情況下始終有一(yī)隻單向軸承通過(guo)其單向特性帶動(dong)驅動軸轉動，并由(you)驅動軸帶動另一(yi)隻因⚽反向而發生(shēng)🐇自鎖的單向軸承(cheng)轉動，保證驅動軸(zhóu)始終沿一個方向(xiang)轉動，從而保證即(ji)使倒置安裝，機械(xie)計數也會隻增不(bu)減。該結構設計也(yě)能有效解決因管(guan)道震❄️動、齒輪反向(xiang)間隙而引起🛀🏻機械(xiè)顯示不整齊等問(wèn)題。

3 高壓渦(wō)輪流量計的性能(néng)測試
　　該流量計的(de)研制以歐盟标準(zhun)EN 12261：2002（Measurement of natural gas flow by turbine meters) 與OIMLR137-1 作爲産品設計(ji)依🚶據并嚴格🌂按照(zhao)标準進行性能測(ce)試，該性能測試包(bāo)括：耐久性試驗、彎(wan)矩與扭矩試驗、短(duan)時過載試驗、擾動(dong)試驗、高低溫性能(néng)測試等；本文詳細(xi)介紹耐久性試驗(yan)、彎矩與扭矩試🔞驗(yan)
3.1 耐久性測試
　　 渦輪(lun)流量計 進行耐久(jiu)性測試的目的在(zài)于确認流量計在(zai)指定條件📱下、額定(ding)的使用壽命裏的(de)計量性能是否符(fú)合上述🧑🏽‍🤝‍🧑🏻的分段要(yao)求，即🥵。

　　還需确認各(ge)種安裝位置是否(fou)影響測試樣機的(de)計量性能🈲，安裝位(wei)置可分爲：水平方(fang)向、垂直向上與垂(chuí)直向✔️下；而且不同(tóng)安裝位置樣機在(zai)耐久性測試前後(hòu)的指示誤差的變(biàn)化量不得超過最(zui)大允許誤差的1/3。
　　整(zheng)個耐久性測試以(yǐ)DN80-G100 樣機爲例進行說(shuo)明，首先是将三⭐台(tai)樣🧡機分别安裝在(zai)不同安裝位置的(de)同一管道中，其🍓管(guǎn)道是由0.8 MPa 壓縮氣體(ti)爲介質以樣機最(zuì)大流量♋進行循環(huan)運行☎️，以每1 000 h 爲運行(háng)周🔆期将樣機拆卸(xie)并在标準氣體👣流(liú)量裝置做相應性(xing)能測試，經過7 000 h 運行(hang)如🚶‍♀️圖4 所示。

從圖4 分(fèn)析可知：
①該測試樣(yàng)機滿足耐久性測(cè)試要求，指示誤差(cha)的變化量未🔱超過(guo)最大允許誤差的(de)1/3。
②軸承經過長時間(jian)運行磨合更趨于(yú)穩定，長期運行後(hòu)🚶‍♀️非線性段🚩更趨于(yu)理想特性曲線。
3.2 彎(wan)矩與扭矩測試
　　對(duì)于高壓氣體渦輪(lun)流量計來說，還應(ying)當詳細說明🐕流量(liàng)🈲計♈所需求的彎曲(qu)與扭力力矩的保(bao)護水平。此數據是(shì)通過試驗直接獲(huò)得，彎矩測試裝置(zhì)如圖5-a 所示，直管段(duan)1 連接氣體流量标(biao)準裝置，在直管段(duàn)2 預先🌐确定的力臂(bi)L 位置附加垂直方(fāng)♊向的力F 而形成彎(wan)矩🤩M；扭矩測試裝置(zhì)如圖5-b 所示，直管段(duan)1 連接氣體流量标(biāo)準裝置，在直管段(duàn)2 側面預先确🏃定的(de)力臂L 位置附加垂(chuí)直方向🔞的力F 而形(xing)成扭矩T。而彎矩與(yǔ)扭矩均是作🙇‍♀️用于(yu)流量計入口與出(chu)口法蘭處。由于此(ci)項測試主要針對(duì)流量計強度的校(xiao)核，爲🔞了更有說服(fú)力、提高可靠性，故(gù)将鋁合金殼體的(de)中低壓渦輪流量(liàng)計DN80-G100用于此次測試(shi)。而整個測試過程(chéng)是将砝碼F 按EN12261 表10 中(zhōng)要求1 倍⭐、2 倍直至做(zuo)到4 倍（即力矩爲3 040 N·m），未(wèi)發現流量計殼體(ti)☔有任何異常變化(hua)。而測試結果表🐪明(ming)在施加砝碼F 之前(qian)、過後得到的指示(shì)誤差與施加砝碼(mǎ)F 之前的指🆚示誤差(cha)未有明顯變化。

3.3 第(di)三方高壓實流檢(jiǎn)定測試
　　爲了确認(ren)高壓渦輪流量計(ji)在高壓氣體介質(zhi)中計量性能是否(fou)☎️滿足工業貿易計(ji)量要求，相對于常(cháng)壓檢定數據樣機(jī)的儀🌂表系數K 有所(suo)偏移，但仍在允許(xǔ)誤差範圍内。其🌈中(zhōng)南京分站使用小(xiǎo)流量标準裝置對(duì)編号爲131228041 的DN80 渦輪流(liu)💘量計進行檢定，該(gai)樣機在常壓與高(gāo)壓檢定比對數據(ju)如圖6 所示。而流量(liàng)計的儀表系數K 的(de)計算如下：



根據上(shang)式(7)、(8) 并結合圖6 可得(de)出。
①該樣機完全滿(mǎn)足工業貿易計量(liàng)的指示誤差要求(qiu)。
②高壓相對于常壓(yā)整體線性會向正(zheng)向偏移+0.65%。
③高壓相對(dui)于常壓整體線性(xìng)較爲平穩，而且線(xian)性誤差有向理想(xiǎng)誤差曲線靠攏的(de)趨勢。
根據實際流(liú)量計的所測得儀(yi)表系數K 更換對應(yīng)齒輪傳動比，使機(jī)械表頭顯示部分(fen)和齒輪轉動發出(chu)低頻脈沖輸出😄均(jun1)與高頻脈沖輸出(chū)匹配，實際三者關(guān)系如🙇‍♀️下：

　　爲了降低(dī)齒輪模具的投入(rù)成本，應通過試驗(yàn)确認流量計K與i ，以(yǐ)控制i在不同口徑(jing)不同流量範圍内(nèi)的可調區間均是(shì)一緻的。
4 結束語
　　高(gao)壓渦輪流量計順(shun)利通過各種性能(néng)測試并獲得相應(ying)型式批準證書，該(gāi)流量計的各項指(zhǐ)标和技術性能完(wan)全滿足工業貿易(yì)計量的要求，而且(qiě)打破國外高壓長(zhǎng)輸管線領域的技(ji)術壟斷，爲以後積(ji)累高壓長輸管♊線(xiàn)長期運行經驗奠(dian)定堅實的基礎。

以(yi)上内容來源于網(wang)絡，如有侵權請聯(lián)系即删除!