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摘要：目前國內缺乏自主研發的高壓渦輪流量計，而西氣東輸、川氣東送等輸氣管道對用于貿易計量的渦輪流量計與流量計算機需求旺盛，為此，研發了用于輸氣管道的 TBQM 型高精度高壓渦輪流量計及 FC 型流量計算機。介紹了 TBQM 型高精度高壓渦輪流量計的工作原理及性能測試情況，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。研發的 FC 型流量計算機可以連接 4 路流量計，且具有能量計量功能，可直接通過配置的 RS485 通信接口接收氣相色譜儀的組分分析結果。為了更好地驗證 TBQM 型高精度高壓渦輪流量計與 FC 型流量計算機的準確性和可靠性，分別在鎮江分輸站、滁州分輸站、青山分輸清管站進行了超過半年的現場工業性試驗，結果表明各項指標和技術性能完全滿足工業貿易計量的要求。（圖 7，表 2，參 12）
Abstract: In China now, no high pressure turbine flowmeter is developed independently, and turbine flowmeter and flowrate computer used for trade measurement is highly demanded for long-distance, large-diameter and high pressure natural gas pipelines, such as West-to-East Gas Pipeline, and Sichuan-East Gas Pipeline. Accordingly, TBQM high precision and high pressure turbine flowmeter and FC flowrate computer are developed. This paper presents the working principle and performance test of the TBQM high precision and high pressure turbine flowmeter, including durability test, bending moment and torque test, short-time overload test, disturbance test, and high/low temperature performance test. The FC
flowrate computer can be connected to four flowmeters. It has the function of energy measurement and is equipped with the RS485 communication interface to receive component analysis results from gas chromatography. To further verify the accuracy and reliability of TBQM high precision and high pressure turbine flowmeter and FC flowrate computer, industrial
field tests have been carried out in Zhenjiang Offtake Station, Chuzhou Offtake Station, and Qingshan Offtake and Pigging Operation Station respectively for more than half a year. The results show that all the indexes and technical performance can meet the requirements of industry trade measurement. (7 Figures, 2 Tables, 12 References)

Key words: natural gas pipeline, high pressure, flowrate computer, industrial test

天然氣作為一種高效清潔能源，其需求量隨著全球低碳經濟的發展呈現快速增長趨勢，預計 2020 年國內天然氣需求量將達 3 000×108 m3[1-4]。進口渦輪流量計一直占據著高壓管道貿易計量市場，而國產渦輪流量計通常應用于低壓管道，用戶主要為城市燃氣的工業用戶。

隨著工業過程控制自動化的實施及輸氣管道的大量建設，對貿易計量所需的渦輪流量計和具有強大功能的流量計算機的需求量也不斷增大[5]，因此，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與流量計算機，對實現管道設備的國產化，打破國外技術壟斷，保障管道安全、經濟、高效運行，具有十分重要的意義[6]。為了評價國產化流量計在實際運行過程中的準確度、可重復性、穩定性及安全性等指標，為后續新建管道的推廣應用及流量計的制造、改進提供依據，對 4 臺國產 TBQM 型氣體高壓渦輪流量計和FC 型流量計算機進行了現場工業性試驗。

1、TBQM 型高壓氣體渦輪流量計：

1.1 、工作原理：

高壓氣體渦輪流量計是一種帶機械計數器并用于測量氣體流量的流量計，其工作原理：當高壓氣流進入流量計時，首先經過整流器整流并加速，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，并通過齒輪減速傳動；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。因為通過渦輪的流量與渦輪轉速成正比，所以高頻信號脈沖輸出頻率與渦輪轉速存在以下關系[7]：f=nZ （1）式中：f 為脈沖頻率，Hz；n 為渦輪轉速，r/s；Z 為渦輪葉片數。

為了使高壓渦輪流量計在一定的流量范圍內正常工作，其儀表系數K 應為常數，但實際上儀表系數K與體積流量q 成一定的函數關系，即：

q=f/K （2）

將式（1）代入式（2），可得：

K=nZ/q （3）

式中：K 為儀表系數，為工況條件下每立方米天然氣通過流量傳感器時輸出的脈沖數，1/m3；q 為工況體積流量，m3/s。

綜上所述，儀表系數K 除與渦輪導程、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，還與介質流體黏性、軸承本身阻尼、軸承潤滑油黏度等有關，若以上其中一種或幾種相關因素發生改變，則儀表系數K 也會相應改變，因此流量計應通過線性檢定等試驗方式進行***終設計確認。

1.2、性能測試：

EN 12261- 2002《Gas meters – Turbine gas meters》[8]和 OIML R137-1-2006《氣體流量計》作為流量計產品的研制依據，并嚴格按照標準進行性能測試，主要包括：耐久性試驗、彎矩與扭矩試驗、短時過載試驗、擾動試驗以及高低溫性能測試等。

1.2.1、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的計量性能是否符合分段要求[9]，即：

d=	（4）
	±1％，Q_t≤Q＜Q_max

式中：? 為計量相對誤差；Qmax 為工況***大流量，m3/h； Qmin 為工況***小流量，m3/h；Qt 為分界流量點，其值等于 20％Qmax，m3/h。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。在不同安裝位置情況下，樣機在耐久性測試前后指示誤差的變化量不得超過式（4）要求值的 1/3。以 DN80-G100 樣機為例，進行耐久性測試說明。首先將 3 臺樣機分別安裝在同一管道的不同位置，管道內 0.8 MPa 壓縮氣體以樣機***大流量進行循環運行，以每 1 000 h 為運行單位，將樣機拆卸并在標準氣體流量裝置上進行相應性能測試，得到 7 000 h 運行測試數據（圖 1）。

圖 1 DN80-G100 流量計樣機耐久性測試數據

圖 1 DN80-G100 流量計樣機耐久性測試數據
結果表明：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***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。
1.2.2、彎扭矩測試：
對于高壓渦輪流量計，應該詳細說明流量計所需的彎曲與扭力力矩的保護水平^[2]。該數據可以通過試驗直接獲得（圖 2，其中直管段 1 連接氣體流量標準裝置，圖 2a 中在直管段 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；圖 2b 中在直管段 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
圖 2 高壓渦輪流量計的彎矩與扭矩測試裝置示意圖

圖 2 高壓渦輪流量計的彎矩與扭矩測試裝置示意圖

口法蘭處）。由于該項測試主要是針對流量計強度的校核，為了使測試結果更具說服力，并且提高其可靠性，將鋁合金殼體的中低壓渦輪流量計 DN80-G100 用于此次測試。測試過程中按照 EN 12261-2002 表 10中要求施加 1 倍、2 倍直至 4 倍（即力矩為 3 040 N·m）的砝碼F，未發現流量計殼體有任何異常變化。施加砝碼F 時及卸下砝碼之后得到的指示誤差與施加砝碼F 之前的指示誤差無明顯變化，實際變化量均在***大允許誤差的 1/3 以內。

1.2.3、常壓與高壓試驗對比：

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樣機發往石油天然氣大流量計量站南京分站進行 6 MPa 實流檢定。使用小流量標準裝置對編號為131228041 的 DN80 渦輪流量計進行了檢定（圖 3）。流量計的儀表系數K 的計算公式[10] ：

_K₌^（^Ki^）max^＋（^Ki^）min

式中（：Ki）max、（Ki）min 分別為流量計在qt～qmax 流量范圍各流量檢定點得到的Ki 中的***大值和***小值。

圖 3 DN80 渦輪流量計常壓與高壓檢定數據
圖 3 DN80 渦輪流量計常壓與高壓檢定數據

2、FC 型流量計算機：

流量計算機是一種可對多個流量測量點集中進行數據采集、高精度補償運算、數據顯示存儲及運用網絡實現通信功能的新一代以工業微型計算機為內核的計量儀表。與體積修正儀相比，其數據采集頻率高，運算速度快且準確，可以同時對多臺流量計進行溫度壓力修正和計量，廣泛應用于石油、化工、冶金、電力、城市燃氣及供熱等行業的重要貿易計量場合和工廠計量管理網絡。

FC 型流量計算機***多可以連接 4 路流量計，可以與渦輪流量計、腰輪流量計、孔板流量計等配套使用。當流量輸入為脈沖信號時，其體積流量為：

Qv=3 600 f/K （6）

式中：Qv 為未經修正的體積流量，m3/h。當連接孔板流量計時，體積流量為[11] ：

	π d ²	Ce	2 p
q_v=				（7）
	4	1-b⁴	r₁

式中：qv 為工作狀態下體積流量，m3/h；d 為工作條件下孔板開孔直徑，mm；C 為流出系數，對于孔板，按標準計算；? 為可膨脹系數；? 為節流件等效直徑比； p為介質流經孔板時產生的壓差，kPa；?1 為介質在工作狀態下的密度，kg/m3。

此外，FC 型流量計算機還具有能量計量功能，可以直接通過配置的 RS485 通信接口接收氣相色譜儀的組分分析結果，也可以在流量計算機手動輸入天然氣組分數據后，計算發熱量，再根據所計量的標準體積量計算天然氣能量[12]：

E=∑VnHs （8）

式中：E 為天然氣的能量，kW·h；Vn 為天然氣基準狀態下的體積，m3；Hs 為天然氣基準狀態下的單位發熱量，MJ/m3。

FC 型流量計算機內置多種壓縮因子計算模型，且含有多種通信接口，可以使用 RS485 接口與上位機或色譜儀通信，也可以通過 RJ45 接口使用 Modbus/TCP通信協議與上位機通信。

為了滿足流量計算機對多通道數據快速處理的要求，同時，考慮到流量計算機硬件配置的靈活性，FC型流量計算機采用模塊化的結構設計方案，數據采集模塊采用可插拔的板卡形式，每張板卡均配置有單獨的微處理器，由該處理器負責接收處理輸入到該數據數據采集模塊可以根據輸入信號的不同進行相應的配采集模塊的與流量、溫度和壓力相關的電信號，同時，置（圖 4）。

圖 4 流量計算機硬件結構示意圖
圖 4 流量計算機硬件結構示意圖

3、現場工業性試驗：

對 4 臺高壓氣體渦輪流量計及流量計算機進行現場工業性試驗，試驗場地為鎮江分輸站（DN80）、滁州分輸站（DN80）、青山分輸清管站（DN50），站場設計壓力均為 10 MPa。以滁州分輸站為例，介紹現場工業性試驗的情況。

滁州分輸站用戶分輸路共 2 臺 Elster-InstrometTRZ G160 DN80 渦輪流量計，設置 1 座計量橇（圖 5），具備比對流程。選擇 FE3401 備用回路進行 TBQM 型流量計的替換試用，同時將配套的流量計算機更換為 FC 型流量計算機，調試正常后與 FE3301 回路流量

計進行比對運行。從流量計算機機柜鋪設一根 3 芯信號線到 PLC 機柜，PLC 機柜安裝 SD16X 防雷及 485-232 轉換分支器。流量計算機通過 RS485 信號連接至站控系統，站控系統通過 Modbus 協議讀取流量計算機的計量數據。試運行期間，每 3 個月將 TBQM 型流量計拆卸下來，送南京計量中心檢定。

圖 5 滁州分輸站計量橇工藝流程圖

圖 5 滁州分輸站計量橇工藝流程圖
TBQM 型流量計同時輸出高頻脈沖和低頻脈沖，其中高頻信號用于計量，低頻信號用于比對。當兩信號的誤差超出一定范圍時，流量計算機會提示。如渦輪流量計共有 12 個葉片，當某一葉片損壞時高頻和低頻信號將會產生 1/12 的誤差。
流量計算機可通過 RS485 信號直接與氣相色譜儀連接，讀取天然氣組分數據，也可以通過站控機發送或手動設置天然氣組分數據。由于滁州站的氣相色譜儀停用，因此 FE3301 路和 FE3401 路流量計算機的天然氣組分均為每天手動輸入。
開始現場安裝試驗前，分別將 4 臺渦輪流量計和流量計算機送第三方檢定機構檢定。其中，渦輪流量計送南京計量中心檢定（圖 6，編號為 131228042 的 DN80-G160 流量計的檢定結果）。流量計算機送至上海儀器儀表自控系統檢驗測試所進行校準測試（表 1，編號為 131227004 的流量計算機校準測試數據），在壓力、溫度為數字量輸入的情況下，流量計算機的誤差來源為脈沖測量、壓縮因子計算以及標況流量計算。
圖 6 試驗前流量計的檢定結果

圖 6	試驗前流量計的檢定結果

表 1 流量計算機校準數據

標稱流量（/m³·h^-1）流量顯示值（/m³·h^-1）誤差％

31 762.00	31	759.7	-0.01
63 524.00	63	519.4	-0.01
105 873.34	105	865.7	-0.01

試驗期間，各站點每天會記錄兩臺作比對的流量計的標況累積量，從而統計計量誤差。根據滁州站 FC 型流量計算機和 Elster 流量計算機（精度為 0.5，流量范圍為 13～250 m³/h）部分日累積量的比對數據（表 2），偏差量大部分為負偏差且***大值為 0.33％，說明 FC 型流量計算機計量準確且穩定。

	表 2	流量計算機日累積量比對數據

	FC 型流量計算機		Elster 進口流量	偏差量
日期	標況累積量		計算機標況累積量
				％
		/m³	/m³

2014-7-15		44 102	44 215	-0.26
2014-7-16		44 085	44 167	-0.19
2014-7-17		44 017	44 111	-0.21
2014-7-18		44 075	44 131	-0.13
2014-7-19		44 376	44 464	-0.20
2014-7-20		44 475	44 452	0.05
2014-7-21		44 475	44 597	-0.27
2014-7-22		44 201	44 347	-0.33
2014-7-23		44 279	44 371	-0.21
2014-7-24		44 321	44 336	-0.03
2014-7-25		44 509	44 577	-0.15
2014-7-26		44 547	44 637	-0.20
2014-7-27		44 385	44 473	-0.20
2014-7-28		44 587	44 648	-0.14
2014-7-29		44 494	44 519	-0.06
2014-7-30		44 262	44 315	-0.12
2014-7-31		44 472	44 563	-0.20

試運行 3 個月后，將鎮江站 TBQM 型渦輪流量計和青山站 TBQM 型渦輪流量計拆卸下來，送南京計量中心檢定。根據鎮江分輸站編號為 131228041 的流量計試運行前后檢定結果（圖 7a）、青山分輸清管站編號為 131228036 的流量計試運行前后檢定結果（圖 7b），流量計仍然滿足 ±1％誤差的要求。而與 Elster 流量計的對比數據表明：該類型國產渦輪流量計與流量計算機達到了國際水準，滿足工業計量要求。

圖 7 不同站場試運行前后流量計檢定結果對比 1

圖 7 不同站場試運行前后流量計檢定結果對比 2

圖 7	不同站場試運行前后流量計檢定結果對比

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4、結論：
通過超過半年的現場工業性試驗，高壓渦輪氣體流量計和配套流量計算機精度符合設計要求，具有較高的可靠性，各項指標和技術性能完全滿足工業貿易計量的要求，打破了國外高壓長輸管道領域的技術壟斷，積累了一定試驗數據和經驗，為今后高壓長輸管道長期運行奠定了堅實的基礎。隨著我國工業計量事業和城市燃氣的發展，以及能量計量的逐步實施，國產化流量計具有很強的市場競爭力和較大的市場潛力，也為天然氣的計量管理提供了技術保障。

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