摘 要：闡述(shu)高壓氣體渦輪流(liú)量計 并介紹工作(zuo)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(ji)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(cheng)市中的應用迅👉猛(meng)💋發展。在當今市場(chǎng)經濟的體制下，人(rén)們對經濟效益的(de)日益重視，作爲供(gong)氣、用氣雙方進行(hang)貿易結算依據的(de)計量問題日益🧑🏾‍🤝‍🧑🏼突(tū)顯起來[1]，特别對高(gao)壓天然氣的計量(liàng)形勢尤爲嚴峻，“計(ji)量就是計錢”的✉️觀(guān)念深入人心。而世(shì)界能源供求日益(yi)緊張，人們都♍十分(fen)關心并尋求一種(zhǒng)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(di)壓爲主，對高壓的(de)涉及較少，規格種(zhong)類繁多、結構複雜(za)。供♈油系統、防沖擊(ji)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(jiā)能源安全的戰略(luè)部🐕署，保證國家能(neng)源輸運安全，響應(yīng)建設“創新型”國家(jiā)的發展戰略，自主(zhǔ)知識産權且滿📐足(zú)工業性應用要求(qiu)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(liu)量計 是一種帶機(jī)械計數器并用于(yu)測量氣體流量的(de)流♊量⛹🏻‍♀️計，其工作原(yuan)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(jǔ)開始轉動。當力矩(ju)達到平衡時渦輪(lun)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(dòng)以及磁耦合😍聯接(jie)驅動字🔱輪計數器(qi)轉🐉動，直接累積氣(qì)體的工況體積總(zǒng)量。

　　因通過渦輪的(de)流量與渦輪轉速(sù)成正比，高頻信号(hào)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(nei)，其😄儀表✊系數K 應接(jie)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(ji)

式中：K—儀表系數，爲(wèi)工況條件下每立(li)方米通過流量💃傳(chuan)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(chú)渦輪導程、葉片數(shù)、葉片🈚寬度、螺旋升(sheng)角、流量計流體通(tong)道等結構因素有(you)關外，還🌈與介質流(liú)體粘性、軸承本身(shen)阻尼、軸承潤滑油(you)粘度等有關，若以(yi)上其中一種或幾(jǐ)種相關因素發生(sheng)改變，則儀表系數(shu)K就會相應改變。故(gu)每台流量計均應(ying)通過檢定得出儀(yi)表系數。
1.2 流量特性(xìng)介紹
　　K—q關系曲線稱(cheng)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(tóng)，所以使特性曲線(xian)成爲曲線形狀。 以(yi)✍️DN50 爲例，如圖2 所示。

　　由圖2 可見，儀表(biao)系數可分爲二段(duan)，即線性段和非線(xian)性段。在㊙️非🌏線性段(duan)， 實際特性受軸承(chéng)摩擦力、流體粘性(xìng)阻力影💋響較大。當(dāng)流量低于Qmin 時，儀表(biǎo)系數随着流量迅(xùn)速📧變化。壓力損失(shī)✍️與流量的平方成(chéng)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(tǐ)粘性有關。随流量(liàng)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(fu)度稱爲流量計的(de)計量準确度。對于(yú)産品設計而言，期(qi)望能将線性段的(de)流量範圍拓展，一(yi)台流量計能覆蓋(gài)同口徑的不同流(liu)量範圍，使得産品(pǐn)量程比變寬💁從而(er)降低生産管理與(yu)生産批量加工成(chéng)本。對于1.0 級💯的高壓(ya)氣體渦輪流量計(ji)，以Qt（0.2Qmax）爲分界流量點(diǎn)，将計量線性分爲(wei)兩段，其中一段的(de)最大㊙️允許誤差爲(wèi)±2%，而另一段的最大(dà)允許誤差爲±1% 。按圖(tú)2 所示，通常每台渦(wō)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(liang)範圍進行分段截(jié)取，以實現一台流(liú)量計能覆蓋同口(kou)徑的不同流量範(fan)圍。
2 高壓渦輪流量(liàng)計研制
　　高壓氣體(ti)渦輪流量計主要(yao)是由鍛鋼殼體、表(biao)芯總成、機械⭕顯示(shi)計數器、高壓油泵(beng)、高低頻信号輸出(chū)（按客戶要求選配(pèi)）等組成；根🔅據EN12261 要求(qiú)，設計高壓渦輪流(liú)量計内部結構、外(wài)觀等并對殼體與(yǔ)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(xiàng)；研究渦輪防沖擊(ji)結構設計🔞，緩沖因(yin)流量波動引起瞬(shùn)間沖擊力；研究雙(shuāng)向增計數的新型(xing)機械計⭕數器，主要(yao)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(shù)不增反減的😄問題(tí)。
2.1 殼體與軸承設計(ji)計算
　　高壓氣體渦(wo)輪流量計殼體作(zuò)爲主要的承壓零(líng)部件，應進✔️行強度(dù)校核計算。并可将(jiang)其視爲鋼管，并根(gēn)據标準GB50316 與GB150 中相🔴關(guān)規定，計算壁厚ts 計(jì)算公式：

式中 ts—計算(suàn)厚度（mm）；
        P—設計壓力（MPa）；
        Do—管(guǎn)子外徑（mm）；
—在設計溫(wēn)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(cān)數代入（4）中直

而對(dui)于轉速較高的軸(zhóu)承，軸承可靠度爲(wèi)90%，軸承材料爲常規(guī)材料，其基本額定(ding)動載荷計算公式(shi)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(xū)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(xu)軸承潤滑油必須(xu)在内部密封、持久(jiu)、免🧑🏽‍🤝‍🧑🏻維護或者📧采用(yong)外部注入的方式(shì)。高壓渦輪流量計(jì)結構設計應采取(qu)外🍓部注入方式進(jin)行潤滑軸承。該方(fang)式必🏃🏻須克服🌈高壓(yā)氣體對潤滑油管(guan)✂️反作用力，壓力越(yue)高，反作用力越強(qiáng)。對供油🏃系統提出(chu)更高的要♈求，目前(qian)行業内的中低壓(ya)♋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(zhu)要是通過手動油(you)🤞泵将潤♍滑油從油(yóu)杯注入注油腔中(zhōng)，而注油腔中的潤(rùn)滑油是♈通過兩隻(zhī)阻回流單向閥以(yǐ)及内置供油管路(lu)将潤滑油直接注(zhù)入需潤滑軸承附(fu)近的儲油區内；而(er)手動油泵是由手(shou)柄、油泵座、油杯、
　　活(huó)塞、O 型密封圈等組(zǔ)成；該結構設計的(de)亮點在于采用💛兩(liang)隻單㊙️向閥其一内(nèi)置油泵，另一嵌入(rù)管道，實現雙重阻(zu)回流功能，并💁提高(gāo)高壓管道供油可(ke)靠性；而且将所有(yǒu)油管内置，該供油(yóu)管🧑🏾‍🤝‍🧑🏼路設計結構簡(jian)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(yóu)管路造成傷害；
2.3 渦(wo)輪防沖擊與高頻(pin)信号檢測系統
　　爲(wei)了減緩流量波動(dòng)、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(liang)芯中前後軸承均(jun1)是徑向旋轉⚽作用(yong)，對瞬間沖擊力的(de)承受能力有限，若(ruo)操作不當，對流量(liàng)計壽命與精度影(yǐng)響甚大。考慮以上(shàng)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(qián)軸承🏃爲徑向旋轉(zhuǎn)作用，後軸承爲軸(zhou)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(chong)擊力，并配合渦輪(lún)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(ji)的壽命與精度。
　　目(mu)前國内外取高頻(pin)信号傳感器頻率(lü)最高大概爲2000Hz，而且(qiě)🌂大部分制造商采(cai)取穿過流體通道(dao)的方式插入計量(liang)芯内部實現信号(hao)采取。此方式會引(yǐn)起高、低✌️頻檢定的(de)示值誤差不㊙️一緻(zhi)。使用的新型高頻(pín)旋轉檢測傳感器(qi)是通過渦輪的葉(ye)片放大的，對流體(ti)通道無任何影響(xiǎng)，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(xin)号處理放大技術(shù)和獨特的濾波技(jì)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(duì)小流量🔞的靈敏度(dù)和精度，更便于用(yong)戶高頻檢定操作(zuò)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(jī)械計數器計數均(jun1)爲正向進氣時‼️計(ji)數器正向計數，反(fǎn)向進氣時計數器(qì)反走。而帶單向計(jì)數功🌈能的渦輪流(liú)量計是一種能夠(gou)在渦輪流量計左(zuǒ)進右出進氣、垂💞直(zhi)安裝、水平安❓裝條(tiao)件下均能滿足單(dan)向計數（單♻️向計數(shù)可🔱分爲正向計數(shù)與反向計數；按目(mù)前市場需求，此單(dan)向計數便是通常(chang)所🚶‍♀️說的正向計數(shu)）。然而，在燃氣計量(liang)市場中有部分投(tóu)機分子爲了盜氣(qì)等原因将渦輪流(liú)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(jù)有自主知識産權(quán)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(zhóu)☀️、主錐齒輪、錐齒輪(lun)組件和計😘數字輪(lun)組件等。雙向增計(jì)數功能實現如圖(tu)3 所示，主要是通過(guò)增加單向軸承的(de)數量，并對稱分布(bu)在主錐齒輪的兩(liǎng)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(yi)隻單向軸承通過(guò)其單向特性帶動(dòng)驅動軸轉動，并由(yóu)驅動軸帶動另一(yī)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(jí)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(wo)輪流量計的性能(neng)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(jì)依據并嚴格按照(zhào)标準進行性能測(cè)試，該性能測試包(bāo)括：耐久性✏️試驗、彎(wān)矩與扭矩試驗、短(duan)時過載試驗、擾動(dòng)試驗、高低溫性能(neng)測試等；本文詳細(xi)介紹耐久性試驗(yan)、彎矩與扭矩試🔞驗(yàn)
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(zài)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(gè)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(tong)安裝位置樣機在(zài)耐久性測試前後(hòu)的指示誤差的變(bian)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(yi)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(zui)大流量進行循環(huán)運行🏒，以每1 000 h 爲運行(hang)周期将樣機拆卸(xiè)并在标準氣體流(liu)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(yang)機滿足耐久性測(ce)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(yu)穩定，長期運行後(hou)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(lún)流量計來說，還應(yīng)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(shi)通過試驗直接獲(huo)得，彎矩測試裝置(zhi)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(bì)L 位置附加垂直方(fang)向的力F 而形成彎(wān)矩M；扭矩測試裝置(zhì)如圖5-b 所示，直管段(duàn)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(yú)流量計入口與出(chū)口法蘭處。由于此(ci)項測試主要針對(duì)流量計強度的校(xiào)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(zhong)要求1 倍、2 倍直至做(zuo)到4 倍（即力矩爲3 040 N·m），未(wei)發現流量計殼體(tǐ)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(rèn)高壓渦輪流量計(jì)在高壓氣體介質(zhì)中計🛀量性能🧑🏽‍🤝‍🧑🏻是否(fou)✂️滿足工業貿易計(ji)量要求，相對于常(chang)壓檢定👅數據樣機(ji)的儀☁️表系數K 有所(suo)偏移，但仍在允許(xǔ)誤差範🔞圍内。其中(zhong)南京分站使❄️用小(xiao)流量标準裝置對(duì)編号爲131228041 的DN80 渦輪流(liú)量計進行檢定，該(gāi)樣機在常壓與高(gao)壓檢定比對數據(jù)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(dé)出。
①該樣機完全滿(mǎn)足工業貿易計量(liang)的指示誤差要求(qiú)。
②高壓相對于常壓(yā)整體線性會向正(zhèng)向偏移+0.65%。
③高壓相對(dui)于常壓整體線性(xing)較爲平穩，而且線(xian)性誤差有向理想(xiang)🐕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(ying)齒輪傳動比🌍，使機(ji)械表頭顯示部分(fèn)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(yi)🚶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(gāo)壓渦輪流量計順(shùn)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(wán)全滿足工業貿易(yi)計量的要求，而且(qiě)打破國外高壓長(zhang)輸管線領域的技(jì)術😄壟斷，爲以後積(jī)累高壓長輸管線(xiàn)長期運行經驗奠(dian)定堅實的基礎。

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