天(tian)然氣作爲一種高(gāo)效清潔能源，其需(xū)求量随着全球低(dī)碳♋經💜濟👄的發展呈(chéng)現快速增長趨勢(shi)，預計2020 年國⭐内天然(ran)氣需求量将✂️達 3 000×108m3[1-4]。進(jìn)口渦輪流量計一(yi)直占據着高壓管(guan)道貿易計量市場(chang)，而國産 渦輪流量(liang)計 通常應用于低(dī)壓管道，用戶主要(yao)爲城市燃氣的工(gōng)㊙️業用戶🛀🏻。
    随着工業(ye)過程控制自動化(huà)的實施及輸氣管(guan)道的大量✨建設，對(dui)貿易計量所需的(de)渦輪流量計和具(ju)有強大功能的流(liú)量計算機的需求(qiú)量也不斷增大，因(yin)🥵此，擁有自主知識(shi)産權且滿足工業(ye)性應用要求的精(jīng)度好的高壓渦輪(lun)流量計 與流量計(jì)算機，對實現管道(dao)設備的國産化，打(da)破國外技♍術壟斷(duàn)，保障管道安全、經(jing)濟、高效運行，具有(yǒu)十♈分重要的意義(yì)。爲了評價國産化(hua)流量計在實際運(yùn)行過程中的準确(que)度、可重複性、穩定(ding)性及安全性等指(zhǐ)标，爲後續新建管(guan)道的推廣應用及(ji)流🏒量計的制造、改(gǎi)進提供依據，對 4 台(tái)國🧑🏽‍🤝‍🧑🏻産 氣體高壓渦(wō)輪流量計和FC 型流(liu)量計算機進行了(le)現場工業性試驗(yàn)。
1　高壓氣體渦輪流(liu)量計
1.1　工作原理
    高(gāo)壓氣體渦輪流量(liàng)計 是一種帶機械(xie)計數器并用于準(zhǔn)确測量氣體流量(liàng)的流量計⚽，其工作(zuo)原理：當高壓氣流(liú)進入流量計時，首(shou)先經過整流器整(zheng)流并加速，在流體(tǐ)的作用下，渦輪克(kè)服阻力矩🙇‍♀️開始轉(zhuǎn)🐇動；當力矩達到平(ping)衡時，渦輪轉速穩(wěn)定，此時其轉㊙️速與(yu)氣體✏️工況流量成(chéng)正比，并通過齒輪(lun)減🧑🏾‍🤝‍🧑🏼速傳動；磁耦合(he)聯接驅動字輪計(ji)數器轉動，直接累(lei)積🤩氣體的工況體(ti)積總量。
因爲通過(guo)渦輪的流量與渦(wo)輪轉速成正比，所(suo)以高🍓頻信号脈沖(chong)輸出頻率與渦輪(lun)轉速存在以下關(guān)系[7]：

   綜上所述，儀表(biao)系數K 除與渦輪導(dao)程、葉片數、葉片寬(kuan)度、螺✍️旋🔞升角、流量(liàng)計流體通道等結(jié)構因素有關外，還(hai)與🙇🏻介質💜流體黏性(xing)⛱️、軸承本身阻尼、軸(zhóu)承潤滑油黏🔱度等(děng)有關，若以上其中(zhong)一種或幾種相關(guan)因素發生✉️改變，則(ze)儀表系數K 也會相(xiàng)應改變，因此流量(liàng)計應通🏃過線性檢(jiǎn)定等試驗方式⛹🏻‍♀️進(jin)行最終設計确認(ren)。
1.2　性能測試
   以 EN 12261-2002《Gas meters - Turbine gasmeters》[8]和 OIML R137-1-2006《氣(qi)體流量計》作爲流(liu)量計産品的研制(zhi)依據，并嚴♌格按照(zhao)❤️标準進行性能測(cè)試，主要包括：耐久(jiǔ)性試✊驗、彎矩與扭(niǔ)矩試驗、短時過載(zai)試驗、擾動試驗以(yi)及高低溫性能測(cè)試等。
1.2.1　耐久性測試(shì)
渦輪流量計進行(hang)耐久性測試的目(mù)的在于确認流量(liang)計在指定🏃‍♂️條件下(xià)的計量性能是否(fǒu)符合分段要求[9]，即(ji)：

   确認各種安裝位(wei)置是否影響測試(shì)樣機的計量性能(neng)，安裝位置可分爲(wèi)水平方向、垂直向(xiang)上與垂直向下。在(zài)不同安裝位置情(qíng)況下，樣機在耐久(jiǔ)性測試前後指示(shì)🌈誤差的變化量不(bu)得超過式（4）要🔆求值(zhí)的 1/3。
   以 DN80-G100 樣機爲例，進(jin)行耐久性測試說(shuō)明。首先将 3 台樣機(ji)分别安裝在同一(yī)管道的不同位置(zhì)，管道内 0.8 MPa 壓縮氣體(tǐ)以樣機最大📱流量(liàng)進行循環運行，以(yi)每 1 000 h 爲運行單位，将(jiang)樣機拆卸🥵并在标(biāo)準氣體流量裝置(zhì)上進行相應性能(néng)測試，得到 7 000 h 運行測(cè)試數據（圖 1）。

   結果表明：該(gāi)測試樣機滿足耐(nai)久性測試要求，指(zhǐ)示誤🏃🏻‍♂️差的變化量(liang)未超過最大允許(xǔ)誤差的 1/3；軸承經過(guò)長時間運行磨♈合(he)更趨于💯穩定，長期(qī)運行後非線性段(duàn)更趨于理想特性(xìng)曲線。
1.2.2　彎扭矩測試(shi)
   對于高壓渦輪流(liú)量計，應該詳細說(shuō)明流量計所需的(de)彎曲📧與扭✔️力力矩(jǔ)的保護水平[2]。該數(shu)據可以通過試驗(yàn)直接獲得（圖 2，其中(zhōng)直管段 1 連接氣體(ti)流量标準裝置，圖(tu) 2a 中在直管段 2 預先(xian)确定💚的力臂L 位置(zhì)附加垂直方向的(de)力F 而形成彎矩M；圖(tu) 2b 中在直管段 2 側面(miàn)預先确定的力臂(bi)L 位置附加垂直方(fāng)向的力❤️F 而形成扭(niu)矩T，而彎矩與扭矩(jǔ)均是作用于流量(liang)計入口與出口法(fǎ)蘭處）。由于該項測(cè)試主要是針對流(liú)量計強度的校核(hé)，爲了使測試結果(guǒ)更具說服力，并且(qiě)提🐅高其可靠性，将(jiāng)鋁合金殼體的中(zhong)低壓渦✂️輪流量計(jì) DN80-G100 用于此次測試。測(cè)試過程中按照 EN 12261-2002 表(biǎo) 10中要求施加 1 倍、2 倍(bei)直至 4 倍（即力矩爲(wei) 3 040 N·m）的砝碼F，未發現流(liú)量計殼體有任何(hé)異常🥰變化。施加砝(fǎ)碼F 時及卸下砝碼(ma)之後得到的指示(shi)誤差與施加砝碼(ma)F 之前的指示誤差(chà)無明顯變化，實際(ji)變化量均在最大(dà)允許誤差的 1/3 以内(nei)。

1.2.3　常(cháng)壓與高壓試驗對(duì)比
   爲了确認高壓(ya)渦輪流量計在高(gao)壓氣體介質中計(ji)量性能是否滿足(zu)工業貿易計量要(yao)求，将多台 DN80-G160樣機發(fā)往國家🐪石油天然(ran)氣大🔞流量計量站(zhàn)南京分站進行 6 MPa 實(shí)流檢定。使㊙️用小流(liú)量标準裝置對編(bian)号爲131228041 的 DN80 渦輪流量(liàng)計進行了檢定（圖(tú) 3）。流量計的儀表系(xi)數K 的計算公式[10]


2 　FC 型(xíng)流量計算機
   流量(liàng)計算機是一種可(ke)對多個流量測量(liang)點集中進行數🧡據(jù)采集、精度高補償(cháng)運算、數據顯示存(cun)儲及運用網絡實(shi)🔅現通信功💜能的新(xin)一代以工業微型(xing)計算機爲内㊙️核的(de)計量儀表。與體積(ji)修正儀相比，其數(shù)據采集頻率👉高，運(yùn)算速度快且準确(què)，可以同時對多台(tái)流量計進行溫度(du)壓力修🈲正和計量(liàng)，廣泛應用于石油(yóu)、化工、冶金、電力、城(chéng)市燃氣及供熱等(deng)行業的重要貿易(yì)計量場合和工廠(chang)計🔆量管理網💋絡。
   FC 型(xing)流量計算機最多(duō)可以連接 4 路流量(liang)計，可以與渦輪流(liu)量計、腰⭐輪流量計(jì)、 孔闆流量計 等配(pei)套使用。當流量輸(shu)入爲脈沖信号時(shí)，其體積流量爲：

   此(ci)外，FC 型流量計算機(jī)還具有能量計量(liang)功能，可以直接通(tong)過配置的 RS485 通信接(jie)口接收氣相色譜(pǔ)儀的組分分析結(jié)果，也可以在流量(liàng)計算機手動輸入(rù)天然氣組分數據(jù)後，計算發熱量，再(zai)根據所計量的标(biāo)準體積量計算天(tian)然氣能量[12]：

   FC 型流量(liang)計算機内置多種(zhong)壓縮因子計算模(mó)型，且含有📐多種通(tong)♋信接口，可以使用(yòng) RS485 接口與上位機或(huo)色譜儀通信，也可(kě)以通過 RJ45 接口使用(yòng) Modbus/TCP通信協議與上位(wei)機通信。
   爲了滿足(zu)流量計算機對多(duō)通道數據快速處(chu)理的要求，同時，考(kǎo)慮到流量計算機(jī)硬件配置的靈活(huó)性📱，FC型流量計算機(jī)采用模塊化的結(jié)構設計方案，數據(jù)采集模塊采用可(kě)插拔的闆卡🏃🏻形式(shì)，每張闆卡均配置(zhì)有單獨✏️數據采集(jí)模塊可以🌈根據輸(shū)入信号的不🔞同進(jìn)行相應的配置（圖(tú) 4）。的微處理器，由該(gāi)處理器負責接收(shōu)處理輸入到該數(shù)據采集模塊的與(yǔ)流量、溫度和壓力(li)相關的電信号，同(tong)時，數據⭕采集模塊(kuài)可以根據輸入信(xin)号的不📧同進行相(xiàng)應的配⛹🏻‍♀️置（圖 4）。

3　現場工(gōng)業性試驗
   對 4 台高(gāo)壓氣體渦輪流量(liang)計及流量計算機(jī)進行現🚶‍♀️場工業性(xìng)🧡試🧑🏾‍🤝‍🧑🏼驗，試驗場地爲(wèi)鎮江分輸站（DN80）、滁州(zhōu)分輸站（DN80）、青山分🌈輸(shu)清管站❓（DN50），站場♊設計(jì)壓力均爲 10 MPa。以滁州(zhou)分輸站爲例，介紹(shao)現場工🔅業性試驗(yan)的情況。
   滁州分輸(shu)站用戶分輸路共(gòng) 2 台 Elster-InstrometTRZ G160 DN80 渦輪流量計，設(shè)置 1 座計📱量橇🤟（圖 5），具(jù)備比對流程。選擇(ze) FE3401 備用回路進行 TBQM型(xing)流量計的替換試(shi)用，同時将🍉配套的(de)流量計算機更換(huàn)爲 FC 型流量計算機(ji)，調試正常後與 FE3301 回(huí)路流量計進行比(bi)對運行。從流量計(ji)算機機櫃鋪設一(yī)根 3 芯信号線到 PLC 機(ji)櫃，PLC 機櫃安裝 SD16X 防雷(lei)及 485-232 轉換分支器。流(liú)量計算機💃通過 RS485 信(xin)号連接至站控系(xì)統，站控系統通過(guo) Modbus 協議讀取流量計(ji)算機的♻️計量數據(jù)。試運行期間，每 3 個(gè)月将 流量計拆卸(xie)下來，送南京計量(liang)中心檢定。

   流量計(ji)同時輸出高頻脈(mò)沖和低頻脈沖，其(qi)中高頻信号♉用🌈于(yú)💰計量，低頻信号用(yong)于比對。當兩信号(hào)的誤差超出一定(ding)範㊙️圍時，流量計算(suan)機會提示。如渦輪(lún)流量計共🐅有 12 個葉(yè)片，當某一葉片損(sǔn)壞時高頻和低頻(pin)信号将會産生 1/12 的(de)誤差。
   流量計算機(jī)可通過 RS485 信号直接(jie)與氣相色譜儀連(lián)接，讀取天👄然氣組(zǔ)分數據，也可以通(tōng)過站控機發送或(huò)手動設置天然氣(qì)組✨分數🌈據。由于滁(chú)州站的氣相色譜(pǔ)儀停用，因此 FE3301 路和(he) FE3401 路流量計算機的(de)天然氣組分均爲(wèi)每天手動輸入。
   開(kāi)始現場安裝試驗(yan)前，分别将 4 台渦輪(lún)流量計和流量計(ji)算機送🧡第三方檢(jiǎn)定機構檢定。其中(zhōng)，渦輪流量計送南(nán)京♍計量中心檢定(ding)（圖 6，編号爲 131228042 的DN80-G160 流量(liang)計的檢🌈定結果）。流(liú)量計算機送至上(shang)海儀器儀表自控(kòng)系統檢驗測試㊙️所(suo)進行校♈準測試（表(biao)🈚 1，編号爲 131227004 的流量計(ji)算機校準測試數(shù)據），在壓力、溫度爲(wèi)數字量輸入的情(qing)況下，流量計算機(jī)的誤差來源爲脈(mò)沖測量、壓縮因🚶‍♀️子(zǐ)計算以及标況流(liú)量計✉️算。


   試驗期間(jiān)，各站點每天會記(jì)錄兩台作比對的(de)流量計的标🧑🏽‍🤝‍🧑🏻況累(lei)積量，從而統計計(jì)量誤差。根據滁州(zhōu)站FC 型流🏃🏻‍♂️量計算機(ji)和 Elster 流👉量計🌈算機（精(jīng)度爲 0.5，流量範圍爲(wei)💘 13～250 m
3/h）部分日累積量的(de)比對數據（表 2），偏差(chà)量大部分爲負偏(pian)差且最🥰大值爲 0.33％，說(shuō)明 FC 型流量計算機(jī)計量準确且穩定(ding)。

   試運行 3 個月後，将(jiang)鎮江站 渦輪流量(liàng)計和青山站 渦輪(lun)㊙️流量計拆卸下來(lai)，送南京計量中心(xīn)檢定。根據鎮江分(fen)輸站編号爲 131228041 的流(liú)量🈚計試運行前後(hòu)檢定結果（圖 7a）、青山(shan)分輸清管站編号(hao)爲 131228036 的流量計試運(yùn)行前後檢定結果(guo)🐉（圖 7b），
   流量計仍然滿(mǎn)足 ±1％誤差的要求。而(er)與 Elster 流量計的對比(bǐ)數據表明✂️：該類型(xing)國産渦輪流量計(jì)與流量計算機達(dá)到了國際水準，滿(man)足工業計量要求(qiu)。

4　結論
   通過超過半(ban)年的現場工業性(xìng)試驗，高壓渦輪氣(qì)體流量計和配套(tao)流量計算機精度(dù)符合設計要求，具(jù)有較高的可靠性(xing)，各項指标和技術(shù)性能完全滿足工(gōng)業貿易計量的要(yào)求，打破了國外高(gāo)壓長輸管道領域(yù)的技術壟斷，積累(lèi)了一定試驗數據(jù)和經驗，爲💃今後高(gāo)壓長輸管道長期(qi)運行奠定了堅實(shi)的基礎。随着我國(guó)工❗業計量事業和(hé)城市燃氣的發展(zhǎn)，以及能量計量⁉️的(de)逐步實施，國産化(hua)流量計具有很強(qiáng)的市🌍場競争力和(he)較大的市場潛力(li)，也爲天然氣的計(ji)量管理提供了技(jì)術保障。

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