1、1高壓氣體渦輪流量計的研制高壓氣體渦輪流量計的研制潘友藝1 楊國芬1 林尚喜1,2 潘承澤1 錢月明1(1天信儀表集團有限公司，浙江 蒼南，325800；2上海理工大學，上海，200930)摘要：摘要：闡述高壓氣體渦輪流量計研制的意義和設計依據；并介紹高壓渦輪流量計的工作原理、結構特點、性能測試、計量特性等，以此證明研制的高壓氣體渦輪流量計可以作為貿易計量應用在高壓管線上。關鍵詞關鍵詞: 渦輪流量計、高壓、性能測試、線性、偏移development of high-pressure gas turbine flowmeterpan youyi1，yang guofen1，lin shangxi

2、1,2，pan chengze1，qian yueming1（1tancy instrument group co.,ltd.，cangnan，zhejiang 325800，china；2university of shanghai for science and technology, shanghai 200930，china）abstract：described the development of high-pressure gas turbine flowmeters meaning and design consideration; and introduced the work

3、ing principle of the high-pressure turbine flowmeter, structural features, performance testing and measurement characteristics, etc., results indicated that the high-pressure gas turbine flowmeter we made can be used in measuring trade on high-pressure pipeline.keywords：gas turbine flowmeter; high p

4、ressure; performance testing; linearity; offset 1 引 言天然氣作為重要的潔凈能源，近幾年在城市中的應用迅猛發展。在當今市場經濟的體制下，人們對經濟效益的日益重視，作為供氣、用氣雙方進行貿易結算依據的計量問題日益突顯起來1，特別對高壓天然氣的計量形勢尤為嚴峻，“計量就是計錢”的觀念深入人心。而世界能源供求日益緊張，人們都十分關心并尋求一種精度高，適應性強的流量計來測量天然氣流量，以減少、避免天然氣貿易糾紛。目前國內渦輪流量計生產廠家均是與中低壓為主，對高壓的涉及較少，規格種類繁多、結構復雜。供油系統、防沖擊結構等因素均是直接影響流量計使用壽命。以

5、此同時，我司為了順應國家能源安全的戰略部署，保證國家能源輸運安全，響應建設“創新型”國家的發展戰略，開發擁有自主知識產權且滿足工業性應用要求的高精度高壓渦輪流量計。 作者簡介：潘友藝（1964-），男，漢族，浙江蒼南人，副總工程師，主要從事工業貿易計量儀器儀表以及配套產品設計研發。email: 22 渦輪流量計的工作原理與流量特性2.1 工作原理工作原理氣體渦輪流量計是一種帶機械計數器并用于精確測量氣體流量的流量計，其工作原理如圖 1 所示是：當氣流進入流量計時，首先經過特殊整流器整流并加速，在流體的作用下，渦輪克服阻力矩開始轉動。當力矩達到平衡時渦輪轉速穩定，此時其轉速與氣體工況流量成正比，

6、并通過齒輪減速傳動以及磁耦合聯接驅動字輪計數器轉動，直接累積氣體的工況體積總量。圖 1 高壓渦輪流量計工作原理示意圖因通過渦輪的流量與渦輪轉速成正比，高頻信號脈沖輸出頻率 f 與渦輪轉速存在下列關系2 （1）fnz式中：渦輪轉速，r/s；n 渦輪葉片數；z 脈沖頻率，hz。f 對一定精度的流量計而言，在一定的流量范圍內，其儀表系數 k 應接近常數。理論上儀表系數 k 與體積流量成如下關系，即q （2）/qfk將（1）代入（2）中，可得出 （3）/kfqnz q式中：儀表系數，為工況條件下每立方米通過流量傳感器時輸出的脈沖數，；k31 m 工況體積流量，。q3ms綜上所述，儀表系數 k 在實際上

7、除渦輪導程、葉片數、葉片寬度、螺旋升角、流量計流體通道等結構因素有關外，還與介質流體粘性、軸承本身阻尼、軸承潤滑油粘度等有關，若以上其中一種或幾種相關因素發生改變，則儀表系數 k 就會相應改變。故每臺流量計均應通過檢定得出儀表系數。2.2 流量特性介紹流量特性介紹關系曲線稱為渦輪流量計的流量特性曲線。理論上，關系應是一條水平直線，但qkqk實際上由于在不同的流動狀態下，流體產生阻力機理不同，效果也不同，所以使特性曲線成為曲線形狀。 以 dn50 為例，如圖 2 所示。3圖 2 流量特性曲線由圖 2 可見，儀表系數可分為二段，即線性段和非線性段。在非線性段， 實際特性受軸承摩擦力、流體粘性阻力影

8、響較大。當流量低于時，儀表系數隨著流量迅速變化。壓力損失與流minq量的平方成正比關系。通常線性段約為工作段的三分之二，其特性與渦輪結構參數及流體粘性有關。隨流量的變化其儀表系數 k 也會有一定的變化，但變化不大，通常將其變化幅度稱為流量計的計量準確度。對于產品設計而言，我們期望能將線性段的流量范圍拓展，一臺流量計能覆蓋同口徑的不同流量范圍，使得產品量程比變寬從而降低生產管理與生產批量加工成本。對于 1.0 級的高壓氣體渦輪流量計，以為分界流量點，將計量線性分為兩段，其中一段的最tmaxq 0.2q（）minqqqt大允許誤差為，而另一段的最大允許誤差為。按圖 2 所示，通常每臺渦2%maxq

9、qqt1%輪流量計均有較為相似特性曲線，若可將可測量流量范圍做寬，就能在同口徑不同流量范圍進行分段截取，以實現一臺流量計能覆蓋同口徑的不同流量范圍。3 高壓渦輪流量計研制高壓渦輪流量計主要是由鍛鋼殼體、表芯總成、機械顯示計數器、高壓油泵、高低頻信號輸出（按客戶要求選配）等組成；根據 en12261 要求，設計高壓渦輪流量計內部結構、外觀等并對殼體與軸承進行設計計算；研究高壓供油系統的結構設計，避免軸承潤滑油回流等不良現象；研究渦輪防沖擊結構設計，緩沖因流量波動引起瞬間沖擊力；研究雙向增計數的新型機械計數器，主要解決了流量計由于其單向計數的特性，而導致倒置安裝時出現計數不增反減的問題； 3.1

10、殼體與軸承設計計算殼體與軸承設計計算殼體作為主要的承壓零部件，應進行強度校核計算。并可將其視為鋼管，并根據標準 gb50316 與 gb150 中相關規定，計算壁厚計算公式： st （4） pyepdtjtos2式中 計算厚度（mm）；st設計壓力（mpa）；p4管子外徑（mm）；od在設計溫度下材料的許用應力（mpa）； t焊接接頭系數；je計算系數y以 dn50-pn100 為例，將殼體設計參數代入（4）中直接得出壁厚，故實際設計壁厚8stmm，安全系數,設計壁厚才能滿足設計要求。sdsts t 3s取24mmsdt而對于轉速較高的軸承，軸承可靠度為 90%，軸承材料為常規材料，其基本額定

11、動載荷計算公式如下3： (5)pfffffctndmh式中 c基本額定動載荷計算值，n； p當量動載荷，n； 壽命因數；hf速度因數；nf力矩載荷因數，力矩載荷較小并取值為 1.5；mf沖擊載荷因數；df溫度因數；tf其中當量動載荷 p 的計算公式如下： (6)rapxfyf式中 p當量動載荷，n；徑向載荷，n；rf軸向載荷，n；afx徑向動載荷系數；y徑向動載荷系數；將選型軸承的參數代入（5）、（6）中直接得出基本額定動載荷 c，而選型軸承的動載荷cr必須大于基本額定動載荷 c 才能滿足設計要求。3.2 高壓供油系統高壓供油系統流量計所需軸承潤滑油必須在內部密封、持久、免維護或者采用外部注入

12、的方式。高壓渦輪流量計結構設計應采取外部注入方式進行潤滑軸承。該方式必須克服高壓氣體對潤滑油管反作用力，壓力越高，反作用力越強。對供油系統提出更高的要求，目前行業內的中低壓供油結構已不適用，可能會引起潤滑油回流或密封圈提前失效等問題。應研制一種高壓供油系統，其主要是通過手動油5泵將潤滑油從油杯注入注油腔中，而注油腔中的潤滑油是通過兩只阻回流單向閥以及內置供油管路將潤滑直接注入需潤滑軸承附近的儲油區內；而手動油泵是由手柄、油泵座、油杯、活塞、o 型密封圈等組成；該結構設計的亮點在于采用兩只單向閥其一內置油泵，另一嵌入管道，實現雙重阻回流功能，并提高高壓管道供油可靠性；而且將所有油管內置，該供油管

13、路設計結構簡單、緊湊，實現一體化潤滑，順利解決生產過程與搬運物流對外部引油管路造成傷害；3.3 渦輪防沖擊與高頻信號檢測系統渦輪防沖擊與高頻信號檢測系統為了減緩流量波動、管道震動對渦輪生產瞬間沖擊力，研究計量芯的內部結構。通常計量芯中前后軸承均是徑向旋轉作用，對瞬間沖擊力的承受能力有限，若操作不當，對流量計壽命與精度影響甚大?？紤]以上因素，對計量芯內部結構進行改進。將主軸的前后軸承作用力分開，前軸承為徑向旋轉作用，后軸承為軸向推力作用，后軸承也可與推力軸承或波紋墊圈配合使用。能有效的抑制流體瞬間沖擊力，并配合渦輪形成反向推力，能較快將渦輪調整至平衡狀態，從而改善渦輪流量計的壽命與精度。目前國內

14、外取高頻信號傳感器頻率最高大概為 2000 赫茲，而且大部分制造商采取穿過流體通道的方式插入計量芯內部實現信號采取。此方式會引起高、低頻檢定的示值誤差不一致。而我司目前使用的新型高頻旋轉檢測傳感器是通過專業生產廠家特殊定制，所采集的信號是通過渦輪的葉片放大的，對流體通道無任何影響，其頻率最高能達到 3500 赫茲或者更高。通過該傳感技術的應用，并采用新型信號處理放大技術和獨特的濾波技術，有效地剔除壓力波動和管道振動所產生的干擾信號，提高流量計的抗干擾能力。從而克服了因頻率高而丟失信號的難題，提高產品對小流量的靈敏度和精度，更便于用戶高頻檢定操作等。3.4 雙向增計數的新型機械計數器雙向增計數的

15、新型機械計數器目前市場上的機械計數器計數均為正向進氣時計數器正向計數，反向進氣時計數器反走。而帶單向計數功能的渦輪流量計是一種能夠在渦輪流量計左進右出進氣、垂直安裝、水平安裝條件下均能滿足單向計數（單向計數可分為正向計數與反向計數；按目前市場需求，此單向計數便是通常所說的正向計數）。然而，在燃氣計量市場中也部分投機分子為了盜氣等原因將渦輪流量計倒置安裝，使得單向計數器的計數不增反退。為了避免上述問題再次出現，設計具有自主知識產權帶雙向增計數功能的新型渦輪流量計，其包括渦輪流量計基表、上磁耦合組件、主軸、主錐齒輪、錐齒輪組件和計數字輪組件等。雙向增計數功能實現如圖 3 所示，主要是通過增加單向軸

16、承的數量，并對稱分布在主錐齒輪的兩側，通過單向軸承與錐齒輪的緊配合，實現正反進氣情況下始終有一只單向軸承通過其單向特性帶動驅動軸轉動，并由驅動軸帶動另一只因反向而發生自鎖的單向軸承轉動，保證圖 3 主軸正反轉示意圖6驅動軸始終沿一個方向轉動，從而保證即使倒置安裝，機械計數也會只增不減。該結構設計也能有效解決因管道震動、齒輪反向間隙而引起機械顯示不整齊等問題。4 高壓渦輪流量計的性能測試該流量計的研制以歐盟標準 en 12261：2002 （measurement of natural gas flow by turbine meters) 與 oiml r137-1 作為產品設計依據并嚴格按照

17、標準進行性能測試，該性能測試包括：耐久性試驗、彎矩與扭矩試驗、短時過載試驗、擾動試驗、高低溫性能測試等；本文詳細介紹耐久性試驗、彎矩與扭矩試驗。4.1 耐久性測試耐久性測試渦輪流量計進行耐久性測試的目的在于確認流量計在指定條件下、額定的使用壽命里的計量性能是否符合上述的分段要求，即 minmaxqqq2%qqq 1%tt還需確認各種安裝位置是否影響測試樣機的計量性能，安裝位置可分為：水平方向、垂直向上與垂直向下；而且不同安裝位置樣機在耐久性測試前后的指示誤差的變化量不得超過最大允許誤差的 1/3。整個耐久性測試以 dn80-g100 樣機為例進行說明，首先是將三臺樣機分別安裝在不同安裝位置的同

18、一管道中，其管道是由 0.8mpa 壓縮氣體為介質以樣機最大流量進行循環運行，以每 1000h為運行周期將樣機拆卸并在標準氣體流量裝置做相應性能測試，經過 7000h 運行如圖 4 所示：圖 4 耐久性測試數據圖表從圖 4 分析可知：、該測試樣機滿足耐久性測試要求，指示誤差的變化量未超過最大允許誤差的 1/3；、軸承經過長時間運行磨合更趨于穩定，長期運行后非線性段更趨于理想特性曲線；4.2 彎矩與扭矩測試彎矩與扭矩測試7圖 6 常壓與高壓數據比對對于高壓渦輪流量計來說，還應當詳細說明流量計所需求的彎曲與扭力力矩的保護水平。此數據是通過試驗直接獲得，彎矩測試裝置如圖 5-a 所示，直管段 1 連

19、接氣體流量標準裝置，在直管段2預先確定的力臂 l 位置附加垂直方向的力 f 而形成彎矩 m；扭矩測試裝置如圖 5-b 所示，直管段 1 連接氣體流量標準裝置，在直管段 2 側面預先確定的力臂 l 位置附加垂直方向的力 f 而形成扭矩 t。而彎矩與扭矩均是作用于流量計入口與出口法蘭處。由于此項測試主要針對流量計強度的校核，為了更有說服力、提高可靠性，故將鋁合金殼體的中低壓渦輪流量計 dn80-g100 用于此次測試。而整個測試過程是將砝碼 f 按 en12261 表 10中要求 1 倍、2 倍直至做到 4 倍（即力矩為 3040），未發現流量計殼體有任何異常變化。而n m測試結果表明在施加砝碼

20、f 之間、過后得到的指示誤差與施加砝碼 f 之前的指示誤差未有明顯變化。4.3 第三方高壓實流檢定測試第三方高壓實流檢定測試為了確認高壓渦輪流量計在高壓氣體介質中計量性能是否滿足工業貿易計量要求，將多臺 dn80-g160 樣機發往第三方檢測機構國家石油天然氣大流量計量站南京分站進行 6mpa 實流檢定；檢定合格，準確度等級為 1.0 級，相對于常壓檢定數據樣機的儀表系數 k 有所偏移，但仍在允許誤差范圍內。其中南京分站使用小流量標準裝置對編號為 131228041 的 dn80 渦輪流量計進行檢定，該樣機在常壓與高壓檢定比對數據如圖 6所示。而流量計的儀表系數 k 的計算如下： (7)maxmin2iikkk式中：k 流量計的儀表系