工業(yè)高壓渦輪流量計(jì)用計(jì)算機(jī)在高壓長(zhǎng)輸管道領(lǐng)
天然氣作為一種高效清潔能源,其需求量隨著全球低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì),預(yù)計(jì) 2020 年國(guó)內(nèi)天然氣需求量將達(dá) 3 000×108m3[1-4]。進(jìn)口渦輪流量計(jì)一直占據(jù)著高壓管道貿(mào)易計(jì)量市場(chǎng),而國(guó)產(chǎn)渦輪流量計(jì)通常應(yīng)用于低壓管道,用戶主要為城市燃?xì)獾墓I(yè)用戶。
隨著工業(yè)過(guò)程控制自動(dòng)化的實(shí)施及輸氣管道的大量建設(shè),對(duì)貿(mào)易計(jì)量所需的渦輪流量計(jì)和具有強(qiáng)大功能的流量計(jì)算機(jī)的需求量也不斷增大[5],因此,擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)且滿足工業(yè)性應(yīng)用要求的高精度高壓渦輪流量計(jì)與流量計(jì)算機(jī),對(duì)實(shí)現(xiàn)管道設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化,打破國(guó)外技術(shù)壟斷,保障管道安全、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行,具有十分重要的意義[6]。為了評(píng)價(jià)國(guó)產(chǎn)化流量計(jì)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的準(zhǔn)確度、可重復(fù)性、穩(wěn)定性及安全性等指標(biāo),為后續(xù)新建管道的推廣應(yīng)用及流量計(jì)的制造、改進(jìn)提供依據(jù),對(duì) 4 臺(tái)國(guó)產(chǎn)氣體高壓渦輪流量計(jì)和FC 型流量計(jì)算機(jī)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)。
1 TBQM 型高壓氣體渦輪流量計(jì)
1.1 工作原理
高壓氣體渦輪流量計(jì)是一種帶機(jī)械計(jì)數(shù)器并用于測(cè)量氣體流量的流量計(jì),其工作原理:當(dāng)高壓氣流進(jìn)入流量計(jì)時(shí),首先經(jīng)過(guò)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(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)力矩達(dá)到平衡時(shí),渦輪轉(zhuǎn)速穩(wěn)定,此時(shí)其轉(zhuǎn)速與氣體工況流量成正比,并通過(guò)齒輪減速傳動(dòng);磁耦合聯(lián)接驅(qū)動(dòng)字輪計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)動(dòng),直接累積氣體的工況體積總量。因?yàn)橥ㄟ^(guò)渦輪的流量與渦輪轉(zhuǎn)速成正比,所以高頻信號(hào)脈沖輸出頻率與渦輪轉(zhuǎn)速存在以下關(guān)系[7]:
f=nZ (1)
式中:f 為脈沖頻率,Hz;n 為渦輪轉(zhuǎn)速,r/s;Z 為渦輪
葉片數(shù)。
為了使高壓渦輪流量計(jì)在一定的流量范圍內(nèi)正常工作,其儀表系數(shù)K 應(yīng)為常數(shù),但實(shí)際上儀表系數(shù)K與體積流量q 成一定的函數(shù)關(guān)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(shù),為工況條件下每立方米天然氣通過(guò)流量傳感器時(shí)輸出的脈沖數(shù),1/m3;q 為工況體積流量,m3/s。
綜上所述,儀表系數(shù)K 除與渦輪導(dǎo)程、葉片數(shù)、葉片寬度、螺旋升角、流量計(jì)流體通道等結(jié)構(gòu)因素有關(guān)外,還與介質(zhì)流體黏性、軸承本身阻尼、軸承潤(rùn)滑油黏度等有關(guān),若以上其中一種或幾種相關(guān)因素發(fā)生改變,則儀表系數(shù)K 也會(huì)相應(yīng)改變,因此流量計(jì)應(yīng)通過(guò)線性檢定等試驗(yàn)方式進(jìn)行***終設(shè)計(jì)確認(rèn)。
1.2 性能測(cè)試
以 EN 12261-2002《Gas meters – Turbine gasmeters》[8]和 OIML R137-1-2006《氣體流量計(jì)》作為流量計(jì)產(chǎn)品的研制依據(jù),并嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行性能測(cè)試,主要包括:耐久性試驗(yàn)、彎矩與扭矩試驗(yàn)、短時(shí)過(guò)載試驗(yàn)、擾動(dòng)試驗(yàn)以及高低溫性能測(cè)試等。
1.2.1 耐久性測(cè)試
渦輪流量計(jì)進(jìn)行耐久性測(cè)試的目的在于確認(rèn)流量計(jì)在指定條件下的計(jì)量性能是否符合分段要求[9],即:
式中:δ為計(jì)量相對(duì)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(diǎn),其值等于 20%Qmax,m3/h。
確認(rèn)各種安裝位置是否影響測(cè)試樣機(jī)的計(jì)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(jī)在耐久性測(cè)試前后指示誤差的變化量不得超過(guò)式(4)要求值的 1/3。
以 DN80-G100 樣機(jī)為例,進(jìn)行耐久性測(cè)試說(shuō)明。首先將 3 臺(tái)樣機(jī)分別安裝在同一管道的不同位置,管道內(nèi) 0.8 MPa 壓縮氣體以樣機(jī)***大流量進(jìn)行循環(huán)運(yùn)行,以每 1 000 h 為運(yùn)行單位,將樣機(jī)拆卸并在標(biāo)準(zhǔn)氣體流量裝置上進(jìn)行相應(yīng)性能測(cè)試,得到 7 000 h 運(yùn)行測(cè)試數(shù)據(jù)(圖 1)。
結(jié)果表明:該測(cè)試樣機(jī)滿足耐久性測(cè)試要求,指示誤差的變化量未超過(guò)***大允許誤差的 1/3;軸承經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行磨合更趨于穩(wěn)定,長(zhǎng)期運(yùn)行后非線性段更趨于理想特性曲線。
1.2.2 彎扭矩測(cè)試
對(duì)于高壓渦輪流量計(jì),應(yīng)該詳細(xì)說(shuō)明流量計(jì)所需的彎曲與扭力力矩的保護(hù)水平[2]。該數(shù)據(jù)可以通過(guò)試驗(yàn)直接獲得(圖 2,其中直管段 1 連接氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置,圖 2a 中在直管段 2 預(yù)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(cè)面預(yù)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(jì)入口與出口法蘭處)。由于該項(xiàng)測(cè)試主要是針對(duì)流量計(jì)強(qiáng)度的校核,為了使測(cè)試結(jié)果更具說(shuō)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(jì) DN80-G100 用于此次測(cè)試。測(cè)試過(guò)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(fā)現(xiàn)流量計(jì)殼體有任何異常變化。施加砝碼F 時(shí)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(wú)明顯變化,實(shí)際變化量均在***大允許誤差的 1/3 以內(nèi)。
1.2.3 常壓與高壓試驗(yàn)對(duì)比
為了確認(rèn)高壓渦輪流量計(jì)在高壓氣體介質(zhì)中計(jì)量性能是否滿足工業(yè)貿(mào)易計(jì)量要求,將多臺(tái) DN80-G160樣機(jī)發(fā)往石油天然氣大流量計(jì)量站南京分站進(jìn)行 6 MPa 實(shí)流檢定。使用小流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)編號(hào)為131228041 的 DN80 渦輪流量計(jì)進(jìn)行了檢定(圖 3)。流量計(jì)的儀表系數(shù)K 的計(jì)算公式[10]:
式中(Ki)max、(Ki)min分別為流量計(jì)在qt~qmax流量范圍各流量檢定點(diǎn)得到的Ki中的***大值和***小值。
2 FC 型流量計(jì)算機(jī)
流量計(jì)算機(jī)是一種可對(duì)多個(gè)流量測(cè)量點(diǎn)集中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、高精度補(bǔ)償運(yùn)算、數(shù)據(jù)顯示存儲(chǔ)及運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信功能的新一代以工業(yè)微型計(jì)算機(jī)為內(nèi)核的計(jì)量?jī)x表。與體積修正儀相比,其數(shù)據(jù)采集頻率高,運(yùn)算速度快且準(zhǔn)確,可以同時(shí)對(duì)多臺(tái)流量計(jì)進(jìn)行溫度壓力修正和計(jì)量,廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、電力、城市燃?xì)饧肮岬刃袠I(yè)的重要貿(mào)易計(jì)量場(chǎng)合和工廠計(jì)量管理網(wǎng)絡(luò)。
FC 型流量計(jì)算機(jī)***多可以連接 4 路流量計(jì),可以與渦輪流量計(jì)、腰輪流量計(jì)、孔板流量計(jì)等配套使用。當(dāng)流量輸入為脈沖信號(hào)時(shí),其體積流量為:
Qv=3 600 f/K ?????????????????(6)
式中:Qv為未經(jīng)修正的體積流量,m3/h。
當(dāng)連接孔板流量計(jì)時(shí),體積流量為[11]:
式中:qv為工作狀態(tài)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(shù),對(duì)于孔板,按標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算;? 為可膨脹系數(shù);? 為節(jié)流件等效直徑比;Δp為介質(zhì)流經(jīng)孔板時(shí)產(chǎn)生的壓差,kPa;?1為介質(zhì)在工作狀態(tài)下的密度,kg/m3。
此外,F(xiàn)C 型流量計(jì)算機(jī)還具有能量計(jì)量功能,可以直接通過(guò)配置的 RS485 通信接口接收氣相色譜儀的組分分析結(jié)果,也可以在流量計(jì)算機(jī)手動(dòng)輸入天然氣組分?jǐn)?shù)據(jù)后,計(jì)算發(fā)熱量,再根據(jù)所計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)體積量計(jì)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(zhǔn)狀態(tài)下的體積,m3;Hs為天然氣基準(zhǔn)狀態(tài)下的單位發(fā)熱量,MJ/m3。
FC 型流量計(jì)算機(jī)內(nèi)置多種壓縮因子計(jì)算模型,且含有多種通信接口,可以使用 RS485 接口與上位機(jī)或色譜儀通信,也可以通過(guò) RJ45 接口使用 Modbus/TCP通信協(xié)議與上位機(jī)通信。
為了滿足流量計(jì)算機(jī)對(duì)多通道數(shù)據(jù)快速處理的要求,同時(shí),考慮到流量計(jì)算機(jī)硬件配置的靈活性,F(xiàn)C型流量計(jì)算機(jī)采用模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,數(shù)據(jù)采集模塊采用可插拔的板卡形式,每張板卡均配有單獨(dú)的微處理器,由該處理器負(fù)責(zé)接收處理輸入到該數(shù)據(jù)采集模塊的與流量、溫度和壓力相關(guān)的電信號(hào),同時(shí),數(shù)據(jù)采集模塊可以根據(jù)輸入信號(hào)的不同進(jìn)行相應(yīng)的配置(圖 4)。
4 結(jié)論
通過(guò)超過(guò)半年的現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn),高壓渦輪氣體流量計(jì)和配套流量計(jì)算機(jī)精度符合設(shè)計(jì)要求,具有較高的可靠性,各項(xiàng)指標(biāo)和技術(shù)性能完全滿足工業(yè)貿(mào)易計(jì)量的要求,打破了國(guó)外高壓長(zhǎng)輸管道領(lǐng)域的技術(shù)壟斷,積累了一定試驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn),為今后高壓長(zhǎng)輸管道長(zhǎng)期運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。隨著我國(guó)工業(yè)計(jì)量事業(yè)和城市燃?xì)獾陌l(fā)展,以及能量計(jì)量的逐步實(shí)施,國(guó)產(chǎn)化流量計(jì)具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和較大的市場(chǎng)潛力,也為天然氣的計(jì)量管理提供了技術(shù)保障。