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高压涡轮流量计及流量计算机工业试验
发布时间:2016-10-27

    天然气作为一种高效清洁能源,其需求量随着全球低碳经济的发展呈现快速增长趋势,预计2020 年国内天然气需求量将达 3 000×108m3[1-4]。进口涡轮流量计一直占据着高压管道贸易计量市场,而国产涡轮流量计通常应用于低压管道,用户主要为城市燃气的工业用户。
    随着工业过程控制自动化的实施及输气管道的大量建设,对贸易计量所需的涡轮流量计和具有强大功能的流量计算机的需求量也不断增大[5],因此,拥有自主知识产权且满足工业性应用要求的高精度高压涡轮流量计与流量计算机,对实现管道设备的国产化,打破国外技术垄断,保障管道安全、经济、高效运行,具有十分重要的意义。为了评价国产化流量计在实际运行过程中的准确度、可重复性、稳定性及安全性等指标,为后续新建管道的推广应用及流量计的制造、改进提供依据,对 4 台国产 气体高压涡轮流量计和FC 型流量计算机进行了现场工业性试验。
1 高压气体涡轮流量计
1.1 工作原理
    高压气体涡轮流量计是一种带机械计数器并用于精确测量气体流量的流量计,其工作原理:当高压气流进入流量计时,首先经过整流器整流并加速,在流体的作用下,涡轮克服阻力矩开始转动;当力矩达到平衡时,涡轮转速稳定,此时其转速与气体工况流量成正比,并通过齿轮减速传动;磁耦合联接驱动字轮计数器转动,直接累积气体的工况体积总量。
因为通过涡轮的流量与涡轮转速成正比,所以高频信号脉冲输出频率与涡轮转速存在以下关系[7]:

   综上所述,仪表系数K 除与涡轮导程、叶片数、叶片宽度、螺旋升角、流量计流体通道等结构因素有关外,还与介质流体黏性、轴承本身阻尼、轴承润滑油黏度等有关,若以上其中一种或几种相关因素发生改变,则仪表系数K 也会相应改变,因此流量计应通过线性检定等试验方式进行最终设计确认。
1.2 性能测试
   以 EN 12261-2002《Gas meters - Turbine gasmeters》[8]和 OIML R137-1-2006《气体流量计》作为流量计产品的研制依据,并严格按照标准进行性能测试,主要包括:耐久性试验、弯矩与扭矩试验、短时过载试验、扰动试验以及高低温性能测试等。
1.2.1 耐久性测试
涡轮流量计进行耐久性测试的目的在于确认流量计在指定条件下的计量性能是否符合分段要求[9],即:

   确认各种安装位置是否影响测试样机的计量性能,安装位置可分为水平方向、垂直向上与垂直向下。在不同安装位置情况下,样机在耐久性测试前后指示误差的变化量不得超过式(4)要求值的 1/3。
   以 DN80-G100 样机为例,进行耐久性测试说明。首先将 3 台样机分别安装在同一管道的不同位置,管道内 0.8 MPa 压缩气体以样机最大流量进行循环运行,以每 1 000 h 为运行单位,将样机拆卸并在标准气体流量装置上进行相应性能测试,得到 7 000 h 运行测试数据(图 1)。
DN80-G100 流量计样机耐久性测试数据
   结果表明:该测试样机满足耐久性测试要求,指示误差的变化量未超过最大允许误差的 1/3;轴承经过长时间运行磨合更趋于稳定,长期运行后非线性段更趋于理想特性曲线。
1.2.2 弯扭矩测试
   对于高压涡轮流量计,应该详细说明流量计所需的弯曲与扭力力矩的保护水平[2]。该数据可以通过试验直接获得(图 2,其中直管段 1 连接气体流量标准装置,图 2a 中在直管段 2 预先确定的力臂L 位置附加垂直方向的力F 而形成弯矩M;图 2b 中在直管段 2 侧面预先确定的力臂L 位置附加垂直方向的力F 而形成扭矩T,而弯矩与扭矩均是作用于流量计入口与出口法兰处)。由于该项测试主要是针对流量计强度的校核,为了使测试结果更具说服力,并且提高其可靠性,将铝合金壳体的中低压涡轮流量计 DN80-G100 用于此次测试。测试过程中按照 EN 12261-2002 表 10中要求施加 1 倍、2 倍直至 4 倍(即力矩为 3 040 N·m)的砝码F,未发现流量计壳体有任何异常变化。施加砝码F 时及卸下砝码之后得到的指示误差与施加砝码F 之前的指示误差无明显变化,实际变化量均在最大允许误差的 1/3 以内。
高压涡轮流量计的弯矩与扭矩测试装置示意图
1.2.3 常压与高压试验对比
   为了确认高压涡轮流量计在高压气体介质中计量性能是否满足工业贸易计量要求,将多台 DN80-G160样机发往国家石油天然气大流量计量站南京分站进行 6 MPa 实流检定。使用小流量标准装置对编号为131228041 的 DN80 涡轮流量计进行了检定(图 3)。流量计的仪表系数K 的计算公式[10]

DN80 涡轮流量计常压与高压检定数据
2  FC 型流量计算机
   流量计算机是一种可对多个流量测量点集中进行数据采集、高精度补偿运算、数据显示存储及运用网络实现通信功能的新一代以工业微型计算机为内核的计量仪表。与体积修正仪相比,其数据采集频率高,运算速度快且准确,可以同时对多台流量计进行温度压力修正和计量,广泛应用于石油、化工、冶金、电力、城市燃气及供热等行业的重要贸易计量场合和工厂计量管理网络。
   FC 型流量计算机最多可以连接 4 路流量计,可以与涡轮流量计、腰轮流量计、孔板流量计等配套使用。当流量输入为脉冲信号时,其体积流量为:

   此外,FC 型流量计算机还具有能量计量功能,可以直接通过配置的 RS485 通信接口接收气相色谱仪的组分分析结果,也可以在流量计算机手动输入天然气组分数据后,计算发热量,再根据所计量的标准体积量计算天然气能量[12]:

   FC 型流量计算机内置多种压缩因子计算模型,且含有多种通信接口,可以使用 RS485 接口与上位机或色谱仪通信,也可以通过 RJ45 接口使用 Modbus/TCP通信协议与上位机通信。
   为了满足流量计算机对多通道数据快速处理的要求,同时,考虑到流量计算机硬件配置的灵活性,FC型流量计算机采用模块化的结构设计方案,数据采集模块采用可插拔的板卡形式,每张板卡均配置有单独数据采集模块可以根据输入信号的不同进行相应的配置(图 4)。的微处理器,由该处理器负责接收处理输入到该数据采集模块的与流量、温度和压力相关的电信号,同时,数据采集模块可以根据输入信号的不同进行相应的配置(图 4)。
图 4 流量计算机硬件结构示意图
3 现场工业性试验
   对 4 台高压气体涡轮流量计及流量计算机进行现场工业性试验,试验场地为镇江分输站(DN80)、滁州分输站(DN80)、青山分输清管站(DN50),站场设计压力均为 10 MPa。以滁州分输站为例,介绍现场工业性试验的情况。
   滁州分输站用户分输路共 2 台 Elster-InstrometTRZ G160 DN80 涡轮流量计,设置 1 座计量橇(图 5),具备比对流程。选择 FE3401 备用回路进行 TBQM型流量计的替换试用,同时将配套的流量计算机更换为 FC 型流量计算机,调试正常后与 FE3301 回路流量计进行比对运行。从流量计算机机柜铺设一根 3 芯信号线到 PLC 机柜,PLC 机柜安装 SD16X 防雷及 485-232 转换分支器。流量计算机通过 RS485 信号连接至站控系统,站控系统通过 Modbus 协议读取流量计算机的计量数据。试运行期间,每 3 个月将 流量计拆卸下来,送南京计量中心检定。

   流量计同时输出高频脉冲和低频脉冲,其中高频信号用于计量,低频信号用于比对。当两信号的误差超出一定范围时,流量计算机会提示。如涡轮流量计共有 12 个叶片,当某一叶片损坏时高频和低频信号将会产生 1/12 的误差。
   流量计算机可通过 RS485 信号直接与气相色谱仪连接,读取天然气组分数据,也可以通过站控机发送或手动设置天然气组分数据。由于滁州站的气相色谱仪停用,因此 FE3301 路和 FE3401 路流量计算机的天然气组分均为每天手动输入。
   开始现场安装试验前,分别将 4 台涡轮流量计和流量计算机送第三方检定机构检定。其中,涡轮流量计送南京计量中心检定(图 6,编号为 131228042 的DN80-G160 流量计的检定结果)。流量计算机送至上海仪器仪表自控系统检验测试所进行校准测试(表 1,编号为 131227004 的流量计算机校准测试数据),在压力、温度为数字量输入的情况下,流量计算机的误差来源为脉冲测量、压缩因子计算以及标况流量计算。


   试验期间,各站点每天会记录两台作比对的流量计的标况累积量,从而统计计量误差。根据滁州站FC 型流量计算机和 Elster 流量计算机(精度为 0.5,流量范围为 13~250 m
3/h)部分日累积量的比对数据(表 2),偏差量大部分为负偏差且最大值为 0.33%,说明 FC 型流量计算机计量准确且稳定。

   试运行 3 个月后,将镇江站 涡轮流量计和青山站 涡轮流量计拆卸下来,送南京计量中心检定。根据镇江分输站编号为 131228041 的流量计试运行前后检定结果(图 7a)、青山分输清管站编号为 131228036 的流量计试运行前后检定结果(图 7b),
   流量计仍然满足 ±1%误差的要求。而与 Elster 流量计的对比数据表明:该类型国产涡轮流量计与流量计算机达到了国际水准,满足工业计量要求。

4 结论
   通过超过半年的现场工业性试验,高压涡轮气体流量计和配套流量计算机精度符合设计要求,具有较高的可靠性,各项指标和技术性能完全满足工业贸易计量的要求,打破了国外高压长输管道领域的技术垄断,积累了一定试验数据和经验,为今后高压长输管道长期运行奠定了坚实的基础。随着我国工业计量事业和城市燃气的发展,以及能量计量的逐步实施,国产化流量计具有很强的市场竞争力和较大的市场潜力,也为天然气的计量管理提供了技术保障。


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