天然氣(qi)作爲一(yi)種高效(xiào)清潔能(néng)源，其需(xu)求量随(sui)着全✊球(qiú)低碳♉經(jing)⚽濟的發(fā)展呈現(xiàn)快速增(zeng)長趨勢(shì)，預計2020 年(nian)國内天(tiān)然氣需(xū)求量将(jiang)達 3 000×108m3[1-4]。進口(kou)渦輪流(liú)量計一(yī)直占據(ju)👣着高壓(yā)管道貿(mào)💁易計量(liang)市場，而(ér)國産 渦(wō)輪流量(liàng)計 通常(chang)應用于(yú)低壓管(guan)道，用戶(hù)主要爲(wei)城市燃(ran)氣的工(gōng)🥰業用戶(hu)🚶‍♀️。
    随着工(gōng)業過程(chéng)控制自(zi)動化的(de)實施及(jí)輸氣管(guǎn)道的大(dà)量建設(she)，對貿易(yi)計量所(suo)需的渦(wō)輪流量(liang)計和具(jù)有強大(dà)功能的(de)流量計(ji)算機❤️的(de)需求量(liang)也不斷(duan)增大，因(yin)此，擁有(yǒu)自主知(zhi)識産權(quán)且滿足(zú)工業性(xing)應用要(yào)求的精(jīng)度好的(de)高壓渦(wo)輪流量(liang)計 與流(liu)量計算(suàn)機，對實(shí)現管道(dao)設備的(de)國産化(huà)，打破國(guó)外技術(shù)壟斷，保(bao)障管道(dao)安全、經(jing)濟、高效(xiao)運行，具(ju)有十分(fèn)重🙇‍♀️要的(de)意義。爲(wei)了評價(jià)國産化(huà)流量計(ji)在實際(ji)運⭐行過(guo)程中的(de)準确度(dù)、可重複(fú)性👄、穩定(dìng)性♍及安(ān)全性等(deng)指标，爲(wèi)後續新(xin)建管道(dào)的推廣(guǎng)應用及(jí)流❌量計(ji)的制造(zao)、改進提(tí)供依據(jù)，對 4 台國(guo)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻産 氣體(ti)高壓渦(wō)輪流量(liàng)計和FC 型(xing)流量計(jì)算機進(jin)行了現(xian)場✊工業(yè)性試驗(yan)。
1　高壓氣(qì)體渦輪(lun)流量計(jì)
1.1　工作原(yuan)理
    高壓(ya)氣體渦(wō)輪流量(liàng)計 是一(yi)種帶機(ji)械計數(shu)器并用(yòng)于準确(què)測量氣(qì)體流量(liàng)的💁流量(liàng)計，其工(gong)作原理(lǐ)：當高壓(yā)氣流進(jin)入流量(liang)計時，首(shou)先經過(guo)整流器(qi)整流并(bing)加速，在(zai)流體的(de)作用下(xia)，渦輪克(ke)服阻力(li)矩開始(shǐ)轉☂️動；當(dang)力矩達(da)到平衡(heng)時，渦輪(lún)轉速穩(wěn)定😍，此時(shí)其轉速(su)與氣體(tǐ)工況流(liú)量㊙️成正(zhèng)比，并通(tong)過齒輪(lún)減速傳(chuán)動；磁耦(ou)合聯接(jie)驅動👨‍❤️‍👨字(zì)輪計數(shù)器❄️轉動(dong)，直接累(lei)積氣體(ti)的工況(kuàng)體積總(zong)量。
因爲(wèi)通過渦(wō)輪的流(liu)量與渦(wō)輪轉速(sù)成正比(bi)，所以高(gao)🥵頻信号(hào)脈📧沖🌐輸(shu)出頻率(lǜ)與渦輪(lún)轉速存(cún)在以下(xià)關系[7]：

   綜(zong)上所述(shu)，儀表系(xi)數K 除與(yǔ)渦輪導(dǎo)程、葉片(piàn)數、葉片(piàn)寬度♈、螺(luó)🏃🏻‍♂️旋升🔴角(jiǎo)🍉、流量計(jì)流體通(tōng)道等結(jié)構因素(sù)有關外(wai)，還與介(jie)質流體(ti)黏性、軸(zhóu)承本身(shēn)阻尼、軸(zhou)承潤滑(hua)油黏度(du)等有關(guan)，若以🔱上(shàng)其中一(yi)種或幾(ji)種相關(guan)因素發(fā)生改變(biàn)，則儀表(biao)系數K 也(ye)會相應(yīng)改☎️變，因(yin)此流量(liàng)計應通(tōng)💁過線性(xing)檢定等(deng)試驗方(fāng)式進行(hang)最終設(shè)㊙️計确認(ren)。
1.2　性能測(cè)試
   以 EN 12261-2002《Gas meters - Turbine gasmeters》[8]和(he) OIML R137-1-2006《氣體流(liu)量計》作(zuò)爲流量(liang)計産品(pǐn)的研制(zhi)依據，并(bìng)嚴格按(an)照标準(zhun)進行性(xing)能測試(shì)，主要包(bao)括：耐久(jiǔ)性試驗(yàn)、彎矩與(yu)扭矩🤩試(shi)驗、短時(shi)👉過載試(shì)驗、擾動(dòng)試驗以(yǐ)及高低(di)溫性能(néng)測試等(děng)。
1.2.1　耐久性(xing)測試
渦(wo)輪流量(liang)計進行(háng)耐久性(xing)測試的(de)目的在(zai)于确認(ren)流量計(ji)在🌈指定(ding)條件下(xia)的計量(liàng)性能是(shi)否符合(hé)分段要(yao)求[9]，即：

   确(que)認各種(zhong)安裝位(wèi)置是否(fou)影響測(cè)試樣機(ji)的計量(liang)性能，安(ān)裝💚位置(zhì)可分爲(wei)水平方(fang)向、垂直(zhí)向上與(yu)垂直向(xiàng)下。在🛀🏻不(bu)同安裝(zhuang)位置情(qing)況下，樣(yàng)機在耐(nài)久性測(ce)試前後(hòu)指示誤(wù)差的變(biàn)化量㊙️不(bu)得超📐過(guò)式（4）要求(qiú)值的 1/3。
   以(yi) DN80-G100 樣機爲(wèi)例，進行(hang)耐久性(xing)測試說(shuō)明。首先(xian)将 3 台樣(yang)機分别(bié)安裝在(zài)同一管(guǎn)道的不(bú)同位置(zhì)，管道内(nèi) 0.8 MPa 壓縮氣(qì)💰體以樣(yàng)機最大(da)流量進(jin)行循環(huán)運行，以(yi)每 1 000 h 爲運(yun)行單位(wei)，将樣♋機(ji)拆卸并(bìng)在标準(zhun)氣體流(liú)量裝置(zhì)上進行(hang)相應性(xìng)能測😘試(shì)，得到 7 000 h 運(yùn)⁉️行測試(shi)數🔞據（圖(tú) 1）。

   結果表(biao)明：該測(cè)試樣機(ji)滿足耐(nai)久性測(cè)試要求(qiú)，指示誤(wu)差的變(bian)化量未(wei)超過最(zui)大允許(xu)誤差的(de) 1/3；軸承經(jīng)過🔅長時(shí)間運行(háng)磨合更(geng)趨于📞穩(wen)定，長期(qī)運行後(hòu)非線性(xìng)段更趨(qu)于理想(xiang)特性曲(qǔ)線。
1.2.2　彎扭(niǔ)矩測試(shì)
   對于高(gāo)壓渦輪(lún)流量計(jì)，應該詳(xiáng)細說明(ming)流量計(jì)所需的(de)🆚彎曲與(yu)扭力力(li)矩的保(bao)護水平(ping)[2]。該數據(jù)可以通(tōng)過試驗(yàn)直接獲(huò)得👌（圖 2，其(qí)中直管(guan)段 1 連接(jie)氣體流(liú)量标準(zhun)裝置，圖(tú) 2a 中在直(zhí)📐管段 2 預(yù)先确定(ding)的力臂(bi)L 位置附(fu)加垂🔞直(zhi)方向的(de)力F 而形(xing)成🈲彎矩(jǔ)M；圖 2b 中在(zài)直管段(duan) 2 側面預(yù)先🏃‍♀️确定(dìng)的力臂(bì)L 位置附(fu)加垂直(zhi)方向的(de)力F 而形(xing)成扭矩(jǔ)♌T，而彎矩(ju)與扭🛀矩(jǔ)🔆均是作(zuo)用于流(liú)量計入(ru)口與出(chu)🔆口法📞蘭(lan)處）。由于(yu)🏃🏻該項測(cè)試主要(yào)是針對(duì)流量計(jì)強度的(de)校核，爲(wei)了使測(cè)試結果(guǒ)🆚更具說(shuō)服力，并(bìng)且🧑🏽‍🤝‍🧑🏻提高(gao)其可靠(kào)性，将鋁(lǚ)合金殼(ké)體的中(zhong)㊙️低壓渦(wo)輪流量(liàng)計 DN80-G100 用于(yu)此次測(cè)試。測試(shì)過程中(zhong)按照 EN 12261-2002 表(biǎo) 10中要求(qiu)施加 1 倍(bei)🛀🏻、2 倍直至(zhi) 4 倍🍉（即力(lì)矩爲 3 040 N·m）的(de)砝碼F，未(wei)發現流(liú)量計殼(ké)體有任(ren)何異常(cháng)變化。施(shī)加砝碼(mǎ)F 時及卸(xie)下砝碼(mǎ)☀️之💯後得(de)到的指(zhǐ)示誤差(cha)與施加(jiā)砝碼F 之(zhī)前的指(zhǐ)示誤差(chà)無明顯(xiǎn)變化，實(shi)際變化(huà)量均在(zai)最大允(yǔn)許誤差(chà)的 1/3 以内(nei)🔞。

1.2.3　常(chang)壓與高(gāo)壓試驗(yan)對比
   爲(wei)了确認(ren)高壓渦(wo)輪流量(liang)計在高(gao)壓氣體(ti)介質中(zhong)計👣量性(xing)能是否(fǒu)滿足工(gōng)業貿易(yì)計量要(yao)求，将多(duō)台 DN80-G160樣機(jī)發往國(guó)家石油(yóu)天然氣(qi)大流量(liang)計量站(zhàn)南京分(fen)站進行(hang) 6 MPa 實流檢(jiǎn)定。使用(yòng)小流量(liang)标準裝(zhuāng)置對編(biān)号爲131228041 的(de) DN80 渦輪流(liú)量計👣進(jìn)行了檢(jiǎn)定（圖 3）。流(liú)量👌計的(de)儀表系(xì)數K 的計(jì)算公式(shi)[10]


2 　FC 型(xing)流量計(jì)算機
   流(liu)量計算(suan)機是一(yi)種可對(dui)多個流(liu)量測量(liang)點集中(zhong)進行數(shu)據采集(jí)、精度高(gao)補償運(yun)算、數據(jù)顯示存(cún)儲及運(yùn)用網絡(luo)實現通(tong)信功能(néng)的新一(yi)代以工(gong)業微型(xing)計算✌️機(ji)爲内核(he)的計量(liàng)儀表。與(yu)體積修(xiū)正儀相(xiàng)比，其數(shù)據☀️采集(ji)頻率高(gāo)，運算速(su)度快且(qie)準确，可(ke)以同時(shi)對多台(tai)🐇流量計(ji)進行💃溫(wēn)度壓力(li)修正和(he)計量，廣(guǎng)🌈泛應用(yòng)于石油(you)、化工、冶(ye)金、電力(lì)、城市燃(rán)氣及供(gòng)熱等行(háng)業的重(zhong)要貿易(yi)計量場(chǎng)合和工(gōng)廠計量(liàng)管理網(wang)絡。
   FC 型流(liu)量計算(suàn)機最多(duo)可以連(lian)接 4 路流(liú)量計，可(ke)以與渦(wo)♻️輪🏃🏻流😘量(liang)計🐪、腰輪(lun)流量計(ji)、 孔闆流(liu)量計 等(děng)配套使(shǐ)用。當流(liu)量輸入(ru)爲脈沖(chòng)信号時(shi)，其體積(jī)流量爲(wei)：

   此外，FC 型(xing)流量計(ji)算機還(hái)具有能(neng)量計量(liàng)功能，可(ke)以直接(jiē)通過配(pèi)📧置📧的 RS485 通(tōng)信接口(kǒu)接收氣(qì)相色譜(pu)儀的組(zǔ)分分析(xī)🈲結果，也(ye)可以在(zai)流量計(jì)算機手(shou)動輸入(rù)天然氣(qì)組分數(shu)據後，計(ji)算發熱(re)量，再根(gen)🆚據所計(jì)量的标(biao)準體積(ji)量計算(suàn)🐇天然氣(qì)能量[12]：

   FC 型(xíng)流量計(ji)算機内(nèi)置多種(zhǒng)壓縮因(yin)子計算(suan)模型，且(qie)含有🌈多(duo)種通信(xìn)接口，可(kě)以使用(yòng) RS485 接口與(yǔ)上位機(ji)或色譜(pǔ)🍉儀通信(xin)，也可以(yǐ)通過 RJ45 接(jie)口💋使用(yong) Modbus/TCP通信協(xié)議與上(shang)位機通(tōng)信。
   爲了(le)滿足流(liú)量計算(suàn)機對多(duo)通道數(shu)據快速(sù)處理的(de)要😘求，同(tong)☂️時🈲，考慮(lü)到流量(liàng)計算機(jī)硬件配(pei)置的靈(líng)活性，FC型(xíng)流量計(jì)㊙️算機⛹🏻‍♀️采(cǎi)用⛷️模塊(kuai)化的結(jié)構設計(jì)方案，數(shù)據采集(jí)模🧡塊采(cai)用⚽可插(cha)拔的闆(pan)卡⛷️形式(shi)，每張闆(pan)卡均配(pèi)置有單(dan)獨🈲數據(ju)采集模(mó)塊可以(yǐ)根據輸(shu)入⛹🏻‍♀️信号(hao)的不同(tong)進行相(xiang)應的配(pèi)置（圖 4）。的(de)微處理(lǐ)器，由該(gai)處理器(qì)負責接(jiē)收處理(li)輸入到(dao)該數據(jù)采集模(mó)塊的與(yǔ)流量、溫(wen)度和壓(ya)力相關(guan)的電信(xìn)号，同時(shi)，數據采(cǎi)集模塊(kuai)可以根(gēn)據輸入(rù)信号的(de)不🐪同進(jin)行相應(yīng)的配置(zhì)（圖 4）。

3　現(xian)場工業(yè)性試驗(yàn)
   對 4 台高(gao)壓氣體(ti)渦輪流(liú)量計及(jí)流量計(ji)算機進(jìn)行現場(chǎng)工業性(xing)試驗，試(shi)驗場地(di)爲鎮江(jiāng)分輸站(zhàn)（DN80）、滁州分(fèn)輸✨站（DN80）、青(qing)🔞山分❤️輸(shū)清🧡管站(zhàn)（DN50），站場設(shè)計壓力(li)均爲 10 MPa。以(yi)滁州分(fen)輸站爲(wei)例，介紹(shào)📱現場工(gong)業性試(shi)驗的情(qing)況。
   滁州(zhōu)分輸站(zhàn)用戶分(fen)輸路共(gong) 2 台 Elster-InstrometTRZ G160 DN80 渦輪(lún)流量計(ji)，設置 1 座(zuo)計量橇(qiāo)❤️（圖⭐ 5），具備(bèi)比對流(liu)程。選擇(zé) FE3401 備用回(hui)路進行(hang) TBQM型流量(liang)計的替(ti)換試用(yong)，同時将(jiang)配套的(de)流量計(jì)算機更(gèng)換爲 FC 型(xing)流量計(jì)算機，調(diao)試正常(cháng)後與 FE3301 回(huí)路流量(liàng)計進行(háng)比對運(yun)行。從流(liú)量計算(suan)機機櫃(guì)鋪設一(yī)根♊ 3 芯信(xìn)号線到(dao) PLC 機櫃，PLC 機(ji)櫃安裝(zhuāng) SD16X 防雷及(jí) 485-232 轉換分(fen)支器。流(liú)量計算(suàn)機通過(guo) RS485 信号連(lian)接💁至站(zhàn)控系統(tǒng)，站控系(xi)統通過(guo) Modbus 協議讀(dú)取流量(liàng)計算機(jī)的計量(liang)數據。試(shì)運行♉期(qi)間，每 3 個(gè)月将 流(liú)量計拆(chai)卸下來(lái)，送🏃‍♂️南京(jing)計量中(zhong)心檢定(dìng)。

   流量計(jì)同時輸(shu)出高頻(pín)脈沖和(hé)低頻脈(mo)沖，其中(zhong)高頻信(xin)号用🔴于(yu)🍓計量，低(di)頻信号(hào)用于比(bǐ)對。當兩(liang)信号的(de)誤差超(chao)出一定(dìng)範圍時(shí)，流量計(jì)算機會(huì)提示。如(rú)渦輪流(liu)量計共(gong)有 12 個葉(ye)片，當某(mou)㊙️一葉片(piàn)✌️損壞時(shi)高頻和(he)低頻信(xìn)号将會(huì)産生 1/12 的(de)誤差。
   流(liu)量計算(suàn)機可通(tong)過 RS485 信号(hào)直接與(yǔ)氣相色(se)譜儀連(lián)接，讀取(qǔ)天然✊氣(qi)組分數(shu)據，也可(ke)以通過(guo)站控機(jī)發送或(huò)手動設(shè)置天然(rán)氣組分(fèn)數據。由(yóu)于滁州(zhōu)站的氣(qi)相色譜(pu)儀停用(yong)，因此 FE3301 路(lù)和 FE3401 路流(liú)量計算(suàn)機的㊙️天(tiān)然氣組(zǔ)分均爲(wèi)每天手(shǒu)動輸入(ru)。
   開始現(xian)場安裝(zhuang)試驗前(qián)，分别将(jiāng) 4 台渦輪(lún)流量計(jì)和流量(liàng)計💋算機(jī)送第三(sān)方檢定(ding)機構檢(jiǎn)定。其中(zhōng)，渦輪流(liu)量🌂計送(song)南京計(jì)量中心(xin)🔱檢定🌍（圖(tu) 6，編号爲(wèi) 131228042 的DN80-G160 流量(liàng)計的檢(jian)定結果(guǒ)）。流量計(jì)算機送(song)👉至上海(hǎi)儀器儀(yí)表自控(kòng)系統檢(jiǎn)驗測試(shi)🤞所進行(háng)校準測(cè)試（表🈲 1，編(bian)号爲 131227004 的(de)流量計(ji)算機校(xiào)準測試(shì)數據），在(zài)壓力☂️、溫(wen)度爲數(shu)字量輸(shū)入的情(qíng)📞況下，流(liu)量計算(suàn)機的誤(wù)差來源(yuan)爲脈沖(chòng)測量、壓(ya)縮因子(zǐ)計算以(yǐ)及标況(kuang)流量計(jì)算。


   試驗(yàn)期間，各(gè)站點每(mei)天會記(jì)錄兩台(tai)作比對(duì)的流量(liàng)計的标(biao)🔴況累積(ji)量，從而(ér)統計計(ji)量誤差(chà)。根據滁(chú)州站💋FC 型(xíng)流☔量計(jì)算機和(hé) Elster 流量計(ji)算機（精(jing)度爲 0.5，流(liu)量範圍(wéi)爲 13～250 m
3/h）部分(fen)日累積(jī)量的比(bǐ)對數據(ju)（表 2），偏差(cha)量大部(bù)分爲負(fu)偏差且(qie)最大值(zhí)爲 0.33％，說明(ming) FC 型流量(liàng)計算機(jī)計量準(zhun)确且穩(wen)定。

   試運(yùn)行 3 個月(yue)後，将鎮(zhèn)江站 渦(wō)輪流量(liang)計和青(qīng)山站 渦(wo)輪♌流量(liàng)計拆卸(xiè)下來，送(song)南京計(ji)量中心(xīn)檢定。根(gen)據鎮江(jiang)分輸站(zhan)編号爲(wèi) 131228041 的流量(liàng)計試運(yùn)行前後(hòu)檢定結(jie)果（圖 7a）、青(qīng)山分輸(shū)清管站(zhan)編号爲(wèi) 131228036 的流量(liang)計試運(yùn)行前後(hou)♍檢定結(jié)果（圖 7b），
   流(liu)量計仍(reng)然滿足(zu) ±1％誤差的(de)要求。而(ér)與 Elster 流量(liàng)計的對(dui)比數據(ju)表明：該(gāi)類型國(guó)産渦輪(lún)流量計(ji)與流量(liang)計算機(ji)達到了(le)國際水(shuǐ)準，滿足(zu)工業計(jì)量要求(qiu)。

4　結論
   通(tong)過超過(guò)半年的(de)現場工(gōng)業性試(shì)驗，高壓(ya)渦輪氣(qì)體流😄量(liang)計和配(pèi)套流量(liang)計算機(ji)精度符(fu)合設計(ji)要求，具(ju)有較高(gāo)的可靠(kao)性，各🛀項(xiang)指标和(he)技術性(xìng)能完全(quán)滿足工(gong)業貿易(yì)計量的(de)要求👣，打(dǎ)破了國(guo)外高壓(yā)長輸管(guan)道領域(yu)的技術(shu)壟斷，積(ji)累了一(yi)定試驗(yan)數據和(hé)經驗，爲(wèi)今後高(gao)壓長輸(shū)管道長(zhang)期運行(háng)奠定了(le)堅實的(de)基礎。随(suí)着我國(guó)工業計(jì)量事業(ye)和城市(shi)燃氣的(de)發展，以(yi)及⚽能量(liang)計量的(de)逐步實(shi)施，國産(chan)化流量(liàng)計具有(you)很強的(de)市場競(jìng)争力和(hé)較大的(de)市場潛(qian)力，也爲(wei)天然氣(qì)的計量(liang)管理提(ti)供了技(jì)術保障(zhang)。

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