天然气流量计量中的涡轮流量计的应用

一、概述

人们对自然界的认识很大程度上取决于检测和仪表。流量的检测计量一直是工业生产中过程控制的重要组成部分之一，它与国民经济、国防建设、工业生产、科学研究有密切的关系。特别是在能源高度紧张、工业生产自动化程度愈来愈高的当今世界，世界各国都在加紧开发新能源来代替传统的煤、石油等一次能源。

“西气东输”工程的开展和天然气资源的不断开发，是我国能源政策的重大变革，与此同时，天然气工业得到了蓬勃发展，伴随着天然气在各国一次能源中的比重不断上升，天然气的计量引起了人们的特别关注，在天然气的采集、处理、储存、运输和分配过程中，需要数以百万计的流量计，其中有些流量计涉及到的结算金额数字巨大，对测量准确度和可靠性要求特别高。燃气计量将成为“西气东输”工程的一个重要环节，如何选择一套既能做到燃气计量的科学性、准确性和公正性，又能在经济适用的情况下尽量减少贸易结算的误差的计量设备，将是各级燃气用户最关心的问题。

二、几种气体流量计的比较

长期以来，我国的燃气计量主要依靠孔板流量计，随着城市现代化生活的推进，孔板越来越突出许多不易解决的问题:比如孔板流量计的计量范围都很窄(1:3~1:5)，不适合现代城市燃气的高峰低谷用气量的变化;孔板的安装尺寸大(对前后直管段的要求比较高)，不适合集成化程度高的撬装式城市调压计量站的使用;孔板流量计的压损大(压差式流量计，依靠节流孔板的前后压差计量)，不适合城市低压管网的燃气计量;孔板流量计的孔板不可避免地会出现磨损而引起计量偏差，需要经常性校验和调整等。诸多缺点使得孔板流量计在城市燃气输配中受到很大限制。

目前我国城市燃气输配管网中使用的流量计，除了家用燃气表普遍采用皮膜表外，在城市燃气的干线和支线上较为常见的流量计有孔板流量计、涡轮流量计、涡街流量计、罗茨流量计和旋进旋涡流量计以及超声波流量计。每种流量计多具有自身的优缺点，如果单从流量精度看，在实验室的条件下都可以做到很高的精度，但从现场实际使用情况看，各种流量计在不同的流体工作状态下计量精度有很大的差别，因此我们只能选择适合大多数流体工况，并且能保证贸易计量精度的流量计。

三、涡轮流量计

在流量计中涡轮流量计、容积式流量计和科氏质量流量计是三类重复性、精确度最佳的产品，而涡轮流量计有具有自己的特点，如结构简单、加工零部件少、重量轻、维修方便、流通能力大和科适应高参数(高温、高压和低温)等是容积式流量计和科氏流量计难以达到的。

1、涡轮流量计原理和结构

涡轮流量计的工作原理:
   涡轮流量计的原理方框图如图1所示。在管道中心安放一个涡轮，两端由轴承支撑。当流体通过管道时，冲击涡轮叶片，对涡轮产生驱动力矩，使涡轮克服摩擦力矩和流体阻力矩而产生旋转。在一定的流量范围内，对一定的流体介质粘度，涡轮的旋转角速度与流体流速成正比。由此，流体流速可通过涡轮的旋转角速度得到，从而可以计算得到通过管道的流体流量。

 

图1 涡轮流量计结构图

 

图2 涡轮流量计原理方框图

涡轮的转速通过装在机壳外的传感线圈来检测。当涡轮叶片切割由壳体内永久磁钢产生的磁力线时，就会引起传感线圈中的磁通变化。传感线圈将检测到的磁通周期变化信号送入前置放大器，对信号进行放大、整形，产生与流速成正比的脉冲信号，送入单位换算与流量积算电路得到并显示累积流量值;同时亦将脉冲信号送入频率电流转换电路，将脉冲信号转换成模拟电流量，进而指示瞬时流量值。

涡轮流量计原理方框图见图2。
   流体从机壳的进口流入。通过支架将一对袖承固定在管中心轴线上，涡轮安装在轴承上。在涡轮上下游的支架上装有呈辐射形的整流板，以对流体起导向作用，以避免流体自旋而改变对涡轮叶片的作用角度。在涡轮上方机壳外部装有传感线圈，接收磁通变化信号。其主要部件有:
(1)涡轮
   涡轮由导磁不锈钢材料制成，装有螺旋状叶片。叶片数量根据直径变化而不同，2-24片不等。为了使涡轮对流速有很好的响应，要求质量尽可能小。
   对涡轮叶片结构参数的一般要求为:叶片倾角10°~15°;叶片重叠度P为1~1.2;叶片与内壳间的间隙为0.5~1mm。
(2)轴承
   涡轮的轴承一般采用滑动配合的硬质合金轴承，要求耐磨性能好。由于流体通过涡轮时会对涡轮产生一个轴向推力，使铀承的摩擦转矩增大，加速铀承磨损，为了消除轴向力，需在结构上采取水力平衡措施，其原理见图3所示。由于涡轮处直径DH略小于前后支架处直径Ds，所以，在涡轮段流通截而扩大，流速降低，使流体静压上升ΔP，这个ΔP的静压将起到抵消部分轴向推力的作用。

 

图3 水力平衡原理示意图

(3)前置放大器
   前置放大器由磁电感应转换器与放大整形电路两部分组成，示意图见图4所示。
磁电转换器国内一般采用磁阻式，它由永久磁钢及外部缠绕的感应线圈组成。当流体通过使讽轮旋转的，叶片在永久磁钢正下方时磁阻最小，两叶片空隙在磁钢下方时磁阻最大，涡轮旅转，不断地改变磁路的磁通量，使线圈中产生变化的感应电势，送入放大整形电路，变成脉冲信号。
   输出脉冲的频率与通过流量计的流量成正比，其比例系数K为
                               K=f/qv
式中: f--涡轮流量计输出脉冲频率;
    qv--通过流量计的流量。
    该比例系数亦称为涡轮流量计的仪表系数。

图4 涡轮流量计前置放大器原理图

(4)信号接收与显示

   信号接收与显示器内系数校正器、加法器和频电转换器等组成，其作用是将从前置放大器送来的脉冲信号变换成累积流量和瞬时流量并显。

2、进口涡轮流量计(以爱拓利涡轮流量计为例)

就原理而言，进口和国产涡轮流量计的原理相同，都是一种速度式流量计，当气体流入流量计时，首先通过流量计入口的整流器，在整流器收缩段加速，并调整流速的分布，克服气体扰动的影响，然后进入管网，由于涡轮叶片设计成角度的重叠，使气体在低速时能够最大限度的吸收气体能量。由于气体的冲力，涡轮克服摩擦力矩和阻力力矩开始转动，当力矩达到平衡，速度稳定，涡轮的角频率与流入流量计的气体平均流速成正比。

爱拓利涡轮流量计主要由表体、表体前端的导流翼(整流器)、涡轮(叶轮)、齿轮传送装置和计数器五个部分组成，另外根据实际需要表体上可以选配温度套管、压力接口、高频发生器、参考高频发生器、润滑油泵等。爱拓利涡轮流量计为机械传动计量，无需任何耗电即可在表头计数器内进行工况流量的总计量。其温压补偿及压缩系数补偿在电子体积校正仪内完成。所以既保证计量的稳定性又能做到选配的灵活性。爱拓利涡轮流量计的设计制造符合欧共体标准、OIML IR-32/88建议标准及ISO/DIN9951标准，结构形式符合国际规范。

 

图5 爱拓利涡轮流量计

对于进口涡轮流量计的原理和结构在这里不再赘述，下面重点谈谈爱拓利涡轮流量计的主要特点:

l        高精确度:对于气体介质，涡轮流量计精度一般为±1%R~±1.5%R,特殊专用型为±0.5%R~±1.0%R。在所用流量计中属于最精确之一。

l        重复性好:短期重复性可以达到0.05%~0.2%,正是由于具有良好的重复性，是在燃气贸易结算中最优先选择的流量计。如果经常校准或在线校准，可得到极高的精确度。

l        低频脉冲信号:低频脉冲信号适于总量计量及与流量计算机或校正仪连接，无零点漂移，抗干扰能力强，同时具有高频输出，可用于流量计的运行状态在线监测。

l        范围度宽:1:20或1:30的量程比，高压可以扩展到1:50。

l        自润滑轴承:爱拓利涡轮流量计采用永久自润滑轴承，可以实现8年免维护(对气质清洁、干燥的天然气而言)。

l        直管段要求低:爱拓利涡轮流量计结构紧凑、安装方便，只要求入口有两倍的直管段，出口无要求。

涡轮流量计使用受限的主要原因有:1、轴承磨损;2、粘附性的杂质对涡轮和轴承的影响。爱拓利涡轮流量计针对这些原因，经过对流量计的材质和结构的改进，采用永久自润滑轴承，使用寿命一般都很长。

四、气体体积校正仪

 天然气的计量关系到每个用气的公司、个人的切身经济利益。由于天然气是一种可压缩性流体，作为一次检测仪表的流量计本身仅仅能够检测工况下的气体体积量，无法给出统一状态下的气体体积量，给天然气的贸易计量带来很大的不便。为了更准确的计量，必须有一种可以在线检测气体的温度、压力和流量信号，并进行压缩因子自动修正和流量自动跟踪补偿。将工况体积量转换成标准状态体积量的仪器，在这种背景下就产生了体积校正仪。
   1、体积校正仪的主要功能:
   体积校正仪主要用来在线检测气体的温度、压力、流量等信号，并进行压缩因子自动修正和流量自动跟踪补偿，将工况体积量转换成标准状态体积量的仪表。具体转换原理为:(1)、在线检测温度、压力信号;

(2)、检测气体成分，然后通过温度、压力信号、气体成分计算出压缩因子;

(3)、接受流量计发出的流量脉冲信号，并根据流量计的出厂校准曲线对流量计的脉冲信号进行自动修正;

(4)、最后通过气体状态方程计算出标准状态下的流量值，并直接显示计算结果进而达到商业计量的需要。此外，作为一种现场检测仪表，随着自动化水平和现场总线技术的不断提高，要求体积校正仪具有存储、显示、通讯等功能。
    但是由于体积校正仪作为天然气流量计量的二次仪表，其精度在很大程度上受流量检测元件(一般为涡轮流量计)的限制。由于生产单位的制造水平的影响(如温度、压力信号检测和传输的准确率、频率，气体成分的检测、设置，软件设计水平等等)，目前国内外市场上很少有校正仪能够完整的实现上述功能。
2、体积校正仪的结构;
(1)硬件
   主要硬件结构
   目前市场由于各家公司所采用的单片机各不相同，功能较为齐全的产品一般采用RENESAS的H8s/2238芯片或MITSUBISHI的M16C/62芯片。这两种同为16位单片机，内部自带存储器、看门狗电路以及A/D、D/A转换功能,整机的数据存储运算功能都十分强大。

(2) 传感器的选取

作为体积校正仪的重要组成部分，也是体积校正仪的成本中所占份额最多的组件，温度、压力传感器的选用很大程度上决定了体积校正仪的精度等级，同时也决定了整个产品的稳定性。目前市场上的主流一般采用如下精度的传感器:
   温度传感器精度:0.1%
   压力传感器精度:0.1%
(3) 存储器
  目前市场上绝大多数的体积校正仪都具有存储功能，但是考虑到整机功耗、PCB布局、成本、软件设计等一系列原因，各个公司所采用的存储芯片都不尽相同，其存储空间也都有所差别，目前没有统一的标准。
(4) 电源
  在不进行远程通信的情况下，绝大多数体积校正仪采用3.6V锂电池供电。当进行远程通讯或远程连接时，一般配有专用的电源转换模块，采用外接电源供电。

 

五、结束语

国产和进口涡轮流量计基表在原理和结构上没有本质上的区别，但在对工况体积进行修正方面存在一些差异。

虽然我国有较丰富的天然气资源，但是天然气的利用却严重滞后，国内也没有天然气计量设备的统一标准，难以与国际接轨。国内市场上的涡轮流量计在对体积进行修正时，体积校正仪一般只注意外围设备的功能，如在显示上采用了较大的显示屏、在通信上基本都采用了RS-232、4~20mA等标准信号的输出，但是忽略校正仪本身的意义，没有对流量脉冲信号进行修正、没有检测气体成分、很少在线进行压缩因子的计算修正。而国外的涡轮流量计采用流量计基表和体积校正仪分体的型式，并且遵循欧洲的计量标准，尤其在校正仪方面对压缩系数的修正，采用AGA8等计算公式，这样可以确保计量的科学性和精确度。我们应该积极学习外国气体计量技术的先进经验,引进国外先进技术,努力提高我国气体计量技术水平。