天然(rán)氣作爲一種(zhong)高效清潔能(neng)源，其需求量(liàng)随着全球低(di)碳經濟的發(fā)展呈現快速(sù)增長趨勢，預(yu)計 2020 年國内天(tiān)然氣需求量(liàng)将達 3 000×108m3。進💰口渦(wō)輪流量計一(yī)直占據着高(gao)壓管道貿易(yì)計量市場，而(er)國産渦輪流(liú)量計通常應(yīng)用于低壓管(guǎn)道，用戶主要(yao)爲城市燃氣(qì)的工業🙇🏻用戶(hù)。
　　随着工業過(guo)程控制自動(dòng)化的實施及(ji)輸氣管道的(de)大量建🔅設，對(dui)貿易計量所(suo)需的渦輪流(liu)量計和具有(you)強大功能㊙️的(de)流🔴量計算機(ji)的需求量也(ye)不斷增大，因(yīn)此，擁有自主(zhǔ)知識産權✊且(qiě)滿足工業性(xing)🐇應用要求的(de)高精度高壓(ya)渦輪流量計(jì)與流量計算(suàn)機，對實現管(guan)道設備的國(guó)産化，打破國(guo)外✊技📧術壟斷(duàn)，保障管道安(an)全、經濟、高效(xiào)運行，具有十(shi)分重要的意(yi)義⁉️。爲了評價(jià)國産化流量(liàng)計在實際運(yùn)行過程中的(de)精度、可重複(fu)性、穩定性及(ji)安全性等指(zhi)🍉标，爲後續🧑🏾‍🤝‍🧑🏼新(xin)建管道的推(tuī)廣應用及流(liu)量🌂計的制造(zào)、改進提供依(yī)據，對 4 台國産(chǎn)氣體高壓渦(wō)輪流量計和(hé)FC 型流量計算(suàn)機進行了現(xiàn)場工業性。
1　TBQM 型(xing)高壓氣體渦(wō)輪流量計
1.1　工(gong)作原理
　　高壓(yā)氣體渦輪流(liu)量計是一種(zhong)帶機械計數(shù)器并用于精(jīng)确測量氣體(ti)流量的流量(liang)計，其工作原(yuán)理：當高壓氣(qi)流進入流量(liàng)計時，首先經(jīng)過整流器整(zheng)流并🏃‍♀️加速，在(zài)流體的作用(yong)下，渦輪克服(fu)阻力矩開始(shi)轉動；當力🏃‍♂️矩(jǔ)達到平衡時(shi)，渦輪☂️轉速穩(wen)定，此時其轉(zhuan)速與氣體♊工(gōng)況流量成正(zhèng)比，并通過齒(chǐ)輪減速傳動(dòng)；磁耦合聯接(jiē)驅動字輪計(jì)數器轉動，直(zhi)接累積氣體(ti)的工況體🔆積(jī)總量。因爲通(tong)過渦輪的流(liú)量與渦輪轉(zhuǎn)速成正比，所(suǒ)以高頻信号(hào)脈沖輸❌出頻(pin)率與渦輪轉(zhuǎn)速存在以下(xia)關系[7]：
f=nZ （1）
式中：f 爲(wei)脈沖頻率，Hz；n 爲(wei)渦輪轉速，r/s；Z 爲(wèi)渦輪
葉片數(shù)。
　　爲了使高壓(ya)渦輪流量計(jì)在一定的流(liú)量範圍内正(zhèng)常工🔱作🥰，其儀(yi)表系數K 應爲(wèi)常數，但實際(ji)上儀表系數(shù)K與體積流量(liang)q 成一定💯的函(han)數關系，即：
q=f/K （2）
将(jiāng)式（1）代入式（2），可(kě)得：
K=nZ/q （3）
　　式中：K 爲儀(yí)表系數，爲工(gong)況條件下每(měi)立方米天然(ran)氣通過流量(liàng)傳感器時輸(shū)出的脈沖數(shù)，1/m3；q 爲工況體積(jī)流量，m3/s。
綜上所(suo)述，儀表系數(shù)K 除與渦輪導(dao)程、葉片數、葉(ye)片寬🤟度♻️、螺✊旋(xuan)升角🍉、流量計(ji)流體通道等(deng)結構因素有(yǒu)關外，還與介(jiè)質💘流體黏性(xing)、軸承本身阻(zu)尼、軸承潤滑(huá)油黏度等有(yǒu)關，若以上其(qí)中一種或幾(ji)種相🥰關因素(su)發生改變，則(zé)儀表系數K 也(yě)會相應改變(bian)，因此流🤞量計(ji)應通🤟過線性(xìng)檢定等方式(shi)進行最終設(she)計确認。
1.2　性能(neng)測試
　　以 EN 12261-2002《Gas meters - Turbine gasmeters》[8]和 OIML R137-1-2006《氣(qì)體流量計》作(zuo)爲流量計産(chǎn)品的研制依(yī)據，并嚴格按(àn)照标準進行(hang)性能測試，主(zhǔ)要包括：耐久(jiǔ)性、彎矩與扭(niǔ)矩、短時過載(zai)、擾動以及高(gāo)低溫性能測(cè)試等。
1.2.1　耐久性(xìng)測試
　　渦輪流(liu)量計進行耐(nài)久性測試的(de)目的在于确(què)認流量計在(zài)指🔞定條件下(xià)的計量性能(neng)是否符合分(fèn)段要求[9]，即：

　　式(shi)中：δ爲計量相(xiang)對誤差；Qmax爲工(gōng)況最大流量(liàng)，m3/h；Qmin爲工況最小(xiǎo)流量，m3/h；Qt爲💛分界(jie)流量點，其值(zhi)等于 20％Qmax，m3/h。
　　确認各(ge)種安裝位置(zhì)是否影響測(ce)試樣機的計(ji)量性✊能，安裝(zhuāng)位置㊙️可分爲(wèi)水平方向、垂(chuí)直向上與垂(chuí)直向下。在不(bu)同安裝位置(zhi)情況下，樣機(ji)在耐久性測(ce)試前⛹🏻‍♀️後指示(shi)誤差的變化(hua)量不得超過(guò)式（4）要求值的(de) 1/3。
以 DN80-G100 樣機爲例(li)，進行耐久性(xìng)測試說明。首(shǒu)先将 3 台樣機(ji)⭐分别安裝在(zai)同一管道的(de)不同位置，管(guǎn)道内 0.8 MPa 壓縮氣(qi)體以🏃🏻樣機最(zui)大流量⭐進行(hang)循環運行，以(yi)每 1 000 h 爲運行單(dān)位，将樣機拆(chāi)卸并在标準(zhǔn)氣體流量裝(zhuāng)置上進行相(xiang)應性能測試(shì)，得到 7 000 h 運行測(cè)試數據（圖 1）。

　　結果(guǒ)表明：該測試(shì)樣機滿足耐(nai)久性測試要(yao)求，指示誤差(chà)的變化量未(wèi)超過最大允(yun)許誤差的 1/3；軸(zhóu)承經過🛀🏻長時(shi)間運行磨合(hé)更趨于穩定(ding)，長期運行後(hòu)非線性段更(gèng)趨于理想特(te)性曲線。
1.2.2　彎扭(niu)矩測試
　　對于(yu)高壓渦輪流(liú)量計，應該詳(xiang)細說明流量(liàng)計所需的彎(wan)曲與✊扭力力(lì)矩的保護水(shuǐ)平[2]。該數據可(kě)以通過直接(jie)獲得（圖 2，其中(zhōng)直管段 1 連接(jiē)氣體流量标(biao)準裝置，圖 2a 中(zhong)在直管段 2 預(yu)先确定的力(lì)臂L 位置附加(jia)垂直方向的(de)力F 而形成彎(wan)矩M；圖 2b 中在直(zhí)管段 2 側面預(yu)先确定的力(li)臂L 位置附加(jiā)垂直方向的(de)力F 而形成扭(niǔ)矩T，而彎矩與(yu)扭矩均是作(zuo)用于流量計(ji)🙇‍♀️入口與出口(kou)法蘭處）。由于(yú)該項測試主(zhǔ)要是針⚽對流(liú)量計強度的(de)校核，爲了使(shi)測試結果更(gèng)具說服力，并(bing)且提高其🔞可(ke)靠性，将鋁合(hé)金殼⚽體的中(zhōng)低壓渦輪流(liú)量計 DN80-G100 用于此(cǐ)次測試🍉。測試(shì)過程中按照(zhao) EN 12261-2002 表 10中要求施(shī)加 1 倍、2 倍直至(zhì) 4 倍（即力📐矩爲(wei) 3 040 N·m）的砝碼F，未發(fa)現流量計殼(ke)體有任何異(yi)常變化。施加(jiā)砝碼F 時及卸(xie)下砝碼‼️之後(hòu)得到的指示(shi)誤差與施加(jiā)砝碼F 之前的(de)指示誤差無(wu)明顯變化♌，實(shi)際變化量均(jun)在最大允許(xǔ)誤差的 1/3 以内(nèi)。

1.2.3　常壓與高壓(ya)對比
　　爲了确(que)認高壓渦輪(lún)流量計在高(gāo)壓氣體介質(zhi)中計☀️量性能(néng)💔是否滿足工(gong)業貿易計量(liàng)要求，将多台(tái) DN80-G160樣機發往國(guo)家石油天然(ran)氣大流量計(ji)量站南京分(fèn)站進行 6 MPa 實流(liu)檢定。使🏃用小(xiǎo)流量标準⚽裝(zhuāng)置對編号爲(wèi)131228041 的 DN80 渦輪流量(liàng)計進行了檢(jiǎn)定（圖 3）。流量💛計(jì)的儀表系數(shu)K 的計算公式(shì)[10]：

　　式中（Ki）max、（Ki）min分别爲(wèi)流量計在qt～qmax流(liu)量範圍各流(liu)量檢定點得(dé)🚶‍♀️到的🐅Ki中的最(zui)大值和最小(xiao)值。

2 FC 型流量計算(suan)機
　　流量計算(suan)機是一種可(ke)對多個流量(liàng)測量點集中(zhōng)進💁行㊙️數據采(cǎi)集、精度高補(bu)償運算、數據(ju)顯示存儲及(ji)運❌用網絡實(shi)現通信功能(néng)的新一代以(yǐ)工業微型計(jì)算機爲内核(hé)的計量儀表(biǎo)。與體積😘修正(zhèng)儀相比，其數(shu)據采集頻率(lü)⭐高，運算速度(dù)快且準👌确，可(ke)以同時對多(duo)台流量計進(jìn)行溫度壓力(lì)修正和計量(liang)，廣泛應用于(yu)石油、化工、冶(yě)金、電力、城市(shì)燃氣及🚩供熱(rè)等行業的重(zhong)要貿易計量(liàng)場合和工廠(chang)計量管理網(wǎng)🥰絡。
　　FC 型流量計(jì)算機最多可(ke)以連接 4 路流(liu)量計，可以與(yǔ)渦輪流量計(ji)、腰輪流量計(ji)、孔闆流量計(jì)等配套使用(yòng)。當流量輸入(ru)爲脈沖信号(hao)時，其體積流(liu)⭐量爲：
Qv=3 600 f/K 　　　　（6）
式中：Qv爲(wei)未經修正的(de)體積流量，m3/h。
當(dāng)連接孔闆流(liú)量計時，體積(jī)流量爲[11]：

　　式中(zhōng)：qv爲工作狀态(tai)下體積流量(liàng)，m3/h；d 爲工作條件(jian)下孔闆開孔(kǒng)直徑，mm；C 爲👄流出(chū)系數，對于孔(kong)闆，按标準計(jì)算；? 爲可膨脹(zhàng)🏃🏻系數；? 爲節🤟流(liu)件等效直徑(jing)比；Δp爲介質流(liú)經孔闆時産(chǎn)生的壓差，kPa；?1爲(wei)介質在工作(zuò)狀态下的密(mì)度，kg/m3。
此外，FC 型流(liu)量計算機還(hai)具有能量計(jì)量功能，可以(yi)直接🧑🏾‍🤝‍🧑🏼通💛過配(pei)置的 RS485 通信接(jie)口接收氣相(xiang)色譜儀的組(zǔ)分🆚分析🈲結果(guo)，也可以在流(liú)量🔞計算機手(shǒu)動輸入天然(ran)氣組分數據(jù)後，計算發熱(rè)量，再根據所(suǒ)計量的标準(zhun)體積量計算(suàn)天然氣能🏃‍♀️量(liang)[12]：
E=∑VnHs　　　　（8）
　　式中：E 爲天然(rán)氣的能量，kW·h；Vn爲(wei)天然氣基準(zhǔn)狀态下的體(tǐ)積，m3；Hs爲天然氣(qì)基準狀态下(xia)的單位發熱(re)量，MJ/m3。
FC 型流量計(jì)算機内置多(duō)種壓縮因子(zǐ)計算模型，且(qiě)含有多種通(tong)信接口，可以(yǐ)使用 RS485 接口與(yǔ)上位機或色(se)譜儀通信，也(yě)可以通過 RJ45 接(jiē)口👅使用 Modbus/TCP通信(xin)協議與上位(wei)機🐅通信。
　　爲了(le)滿足流量計(ji)算機對多通(tong)道數據快速(sù)處理的👄要求(qiú)，同時，考㊙️慮到(dao)流量計算機(ji)硬件配置的(de)靈活性💋，FC型流(liu)量計算機采(cai)用模塊😘化的(de)結構設計方(fang)案，數據采集(jí)模塊采用可(kě)插拔的闆卡(ka)形式，每張闆(pan)卡均配有單(dān)獨的📱微處理(li)器，由該處理(li)🏃‍♂️器負責接收(shōu)處理輸入到(dao)該數據♍采集(ji)模塊的與流(liú)量、溫度和壓(yā)力相關的電(dian)信号，同時，數(shu)據采集模塊(kuài)☁️可以根據輸(shu)入信号的不(bú)同進行相應(ying)的配置㊙️（圖 4）。

4　結論
　　通過(guò)超過半年的(de)現場工業性(xìng)，高壓渦輪氣(qi)體流量💃🏻計和(hé)配套流量計(jì)算機精度符(fu)合設計要求(qiú)，具有較高的(de)👅可靠性，各項(xiang)指标和技術(shù)性能完全滿(man)足工業貿易(yì)計🔱量的要求(qiú)，打破了國外(wai)高壓長輸管(guan)道領域的技(ji)術壟斷，積累(lèi)了一定數據(jù)和經驗，爲😄今(jin)後高壓長輸(shu)管道長期運(yùn)行奠定了堅(jiān)實的基礎。随(sui)着我國工業(yè)計量事✌️業和(he)城市燃氣的(de)☀️發展，以及能(neng)量計量的逐(zhú)步實施，國産(chǎn)化流量計具(ju)有很🚶‍♀️強的市(shì)場競争力和(he)較大的市場(chǎng)潛☀️力，也爲天(tian)然氣的計量(liang)管理提供了(le)保障。

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