高壓氣體渦輪流量計(jì)的研制

1、1高壓氣體渦輪流量計(jì)的研制高壓氣體渦輪流量計(jì)的研制潘友藝1 楊國(guó)芬1 林尚喜1,2 潘承澤1 錢(qián)月明1(1天信儀表集團(tuán)有限公司，浙江 蒼南，325800；2上海理工大學(xué)，上海，200930)摘要：摘要：闡述高壓氣體渦輪流量計(jì)研制的意義和設(shè)計(jì)依據(jù)；并介紹高壓渦輪流量計(jì)的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、性能測(cè)試、計(jì)量特性等，以此證明研制的高壓氣體渦輪流量計(jì)可以作為貿(mào)易計(jì)量應(yīng)用在高壓管線上。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞: 渦輪流量計(jì)、高壓、性能測(cè)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(yīng)用迅猛發(fā)展。在當(dāng)今市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的體制下，人們對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的日益重視，作為供氣、用氣雙方進(jìn)行貿(mào)易結(jié)算依據(jù)的計(jì)量問(wèn)題日益突顯起來(lái)1，特別對(duì)高壓天然氣的計(jì)量形勢(shì)尤為嚴(yán)峻，“計(jì)量就是計(jì)錢(qián)”的觀念深入人心。而世界能源供求日益緊張，人們都十分關(guān)心并尋求一種精度高，適應(yīng)性強(qiáng)的流量計(jì)來(lái)測(cè)量天然氣流量，以減少、避免天然氣貿(mào)易糾紛。目前國(guó)內(nèi)渦輪流量計(jì)生產(chǎn)廠家均是與中低壓為主，對(duì)高壓的涉及較少，規(guī)格種類(lèi)繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。供油系統(tǒng)、防沖擊結(jié)構(gòu)等因素均是直接影響流量計(jì)使用壽命。以

5、此同時(shí)，我司為了順應(yīng)國(guó)家能源安全的戰(zhàn)略部署，保證國(guó)家能源輸運(yùn)安全，響應(yīng)建設(shè)“創(chuàng)新型”國(guó)家的發(fā)展戰(zhàn)略，開(kāi)發(fā)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)。 作者簡(jiǎn)介：潘友藝（1964-），男，漢族，浙江蒼南人，副總工程師，主要從事工業(yè)貿(mào)易計(jì)量?jī)x器儀表以及配套產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)。email: 22 渦輪流量計(jì)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(jì)是一種帶機(jī)械計(jì)數(shù)器并用于精確測(cè)量氣體流量的流量計(jì)，其工作原理如圖 1 所示是：當(dāng)氣流進(jìn)入流量計(jì)時(shí)，首先經(jīng)過(guò)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(kāi)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，

6、并通過(guò)齒輪減速傳動(dòng)以及磁耦合聯(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。圖 1 高壓渦輪流量計(jì)工作原理示意圖因通過(guò)渦輪的流量與渦輪轉(zhuǎn)速成正比，高頻信號(hào)脈沖輸出頻率 f 與渦輪轉(zhuǎn)速存在下列關(guān)系2 （1）fnz式中：渦輪轉(zhuǎn)速，r/s；n 渦輪葉片數(shù)；z 脈沖頻率，hz。f 對(duì)一定精度的流量計(jì)而言，在一定的流量范圍內(nèi)，其儀表系數(shù) k 應(yīng)接近常數(shù)。理論上儀表系數(shù) k 與體積流量成如下關(guān)系，即q （2）/qfk將（1）代入（2）中，可得出 （3）/kfqnz q式中：儀表系數(shù)，為工況條件下每立方米通過(guò)流量傳感器時(shí)輸出的脈沖數(shù)，；k31 m 工況體積流量，。q3ms綜上所述，儀表系數(shù) k 在實(shí)際上

7、除渦輪導(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)流體粘性、軸承本身阻尼、軸承潤(rùn)滑油粘度等有關(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 就會(huì)相應(yīng)改變。故每臺(tái)流量計(jì)均應(yīng)通過(guò)檢定得出儀表系數(shù)。2.2 流量特性介紹流量特性介紹關(guān)系曲線稱(chēng)為渦輪流量計(jì)的流量特性曲線。理論上，關(guān)系應(yīng)是一條水平直線，但qkqk實(shí)際上由于在不同的流動(dòng)狀態(tài)下，流體產(chǎn)生阻力機(jī)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(jiàn)，儀表系數(shù)可分為二段，即線性段和非線性段。在非線性段， 實(shí)際特性受軸承摩擦力、流體粘性阻力影

8、響較大。當(dāng)流量低于時(shí)，儀表系數(shù)隨著流量迅速變化。壓力損失與流minq量的平方成正比關(guān)系。通常線性段約為工作段的三分之二，其特性與渦輪結(jié)構(gòu)參數(shù)及流體粘性有關(guān)。隨流量的變化其儀表系數(shù) k 也會(huì)有一定的變化，但變化不大，通常將其變化幅度稱(chēng)為流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確度。對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)而言，我們期望能將線性段的流量范圍拓展，一臺(tái)流量計(jì)能覆蓋同口徑的不同流量范圍，使得產(chǎn)品量程比變寬從而降低生產(chǎn)管理與生產(chǎn)批量加工成本。對(duì)于 1.0 級(jí)的高壓氣體渦輪流量計(jì)，以為分界流量點(diǎn)，將計(jì)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(tái)渦2%maxq

9、qqt1%輪流量計(jì)均有較為相似特性曲線，若可將可測(cè)量流量范圍做寬，就能在同口徑不同流量范圍進(jìn)行分段截取，以實(shí)現(xiàn)一臺(tái)流量計(jì)能覆蓋同口徑的不同流量范圍。3 高壓渦輪流量計(jì)研制高壓渦輪流量計(jì)主要是由鍛鋼殼體、表芯總成、機(jī)械顯示計(jì)數(shù)器、高壓油泵、高低頻信號(hào)輸出（按客戶要求選配）等組成；根據(jù) en12261 要求，設(shè)計(jì)高壓渦輪流量計(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外觀等并對(duì)殼體與軸承進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算；研究高壓供油系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免軸承潤(rùn)滑油回流等不良現(xiàn)象；研究渦輪防沖擊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，緩沖因流量波動(dòng)引起瞬間沖擊力；研究雙向增計(jì)數(shù)的新型機(jī)械計(jì)數(shù)器，主要解決了流量計(jì)由于其單向計(jì)數(shù)的特性，而導(dǎo)致倒置安裝時(shí)出現(xiàn)計(jì)數(shù)不增反減的問(wèn)題； 3.1

10、殼體與軸承設(shè)計(jì)計(jì)算殼體與軸承設(shè)計(jì)計(jì)算殼體作為主要的承壓零部件，應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。并可將其視為鋼管，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) gb50316 與 gb150 中相關(guān)規(guī)定，計(jì)算壁厚計(jì)算公式： st （4） pyepdtjtos2式中 計(jì)算厚度（mm）；st設(shè)計(jì)壓力（mpa）；p4管子外徑（mm）；od在設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力（mpa）； t焊接接頭系數(shù)；je計(jì)算系數(shù)y以 dn50-pn100 為例，將殼體設(shè)計(jì)參數(shù)代入（4）中直接得出壁厚，故實(shí)際設(shè)計(jì)壁厚8stmm，安全系數(shù),設(shè)計(jì)壁厚才能滿足設(shè)計(jì)要求。sdsts t 3s取24mmsdt而對(duì)于轉(zhuǎn)速較高的軸承，軸承可靠度為 90%，軸承材料為常規(guī)材料，其基本額定

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

12、的方式。高壓渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)采取外部注入方式進(jìn)行潤(rùn)滑軸承。該方式必須克服高壓氣體對(duì)潤(rùn)滑油管反作用力，壓力越高，反作用力越強(qiáng)。對(duì)供油系統(tǒng)提出更高的要求，目前行業(yè)內(nèi)的中低壓供油結(jié)構(gòu)已不適用，可能會(huì)引起潤(rùn)滑油回流或密封圈提前失效等問(wèn)題。應(yīng)研制一種高壓供油系統(tǒng)，其主要是通過(guò)手動(dòng)油5泵將潤(rùn)滑油從油杯注入注油腔中，而注油腔中的潤(rùn)滑油是通過(guò)兩只阻回流單向閥以及內(nèi)置供油管路將潤(rùn)滑直接注入需潤(rùn)滑軸承附近的儲(chǔ)油區(qū)內(nèi)；而手動(dòng)油泵是由手柄、油泵座、油杯、活塞、o 型密封圈等組成；該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)在于采用兩只單向閥其一內(nèi)置油泵，另一嵌入管道，實(shí)現(xiàn)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(nèi)置，該供油管

13、路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，實(shí)現(xiàn)一體化潤(rùn)滑，順利解決生產(chǎn)過(guò)程與搬運(yùn)物流對(duì)外部引油管路造成傷害；3.3 渦輪防沖擊與高頻信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)渦輪防沖擊與高頻信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)為了減緩流量波動(dòng)、管道震動(dòng)對(duì)渦輪生產(chǎn)瞬間沖擊力，研究計(jì)量芯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。通常計(jì)量芯中前后軸承均是徑向旋轉(zhuǎn)作用，對(duì)瞬間沖擊力的承受能力有限，若操作不當(dāng)，對(duì)流量計(jì)壽命與精度影響甚大。考慮以上因素，對(duì)計(jì)量芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。將主軸的前后軸承作用力分開(kāi)，前軸承為徑向旋轉(zhuǎn)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(diào)整至平衡狀態(tài)，從而改善渦輪流量計(jì)的壽命與精度。目前國(guó)內(nèi)

14、外取高頻信號(hào)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(guò)流體通道的方式插入計(jì)量芯內(nèi)部實(shí)現(xiàn)信號(hào)采取。此方式會(huì)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(zhuǎn)檢測(cè)傳感器是通過(guò)專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)廠家特殊定制，所采集的信號(hào)是通過(guò)渦輪的葉片放大的，對(duì)流體通道無(wú)任何影響，其頻率最高能達(dá)到 3500 赫茲或者更高。通過(guò)該傳感技術(shù)的應(yīng)用，并采用新型信號(hào)處理放大技術(shù)和獨(dú)特的濾波技術(shù)，有效地剔除壓力波動(dòng)和管道振動(dòng)所產(chǎn)生的干擾信號(hào)，提高流量計(jì)的抗干擾能力。從而克服了因頻率高而丟失信號(hào)的難題，提高產(chǎn)品對(duì)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(jì)數(shù)的新型機(jī)械計(jì)數(shù)器雙向增計(jì)數(shù)的

15、新型機(jī)械計(jì)數(shù)器目前市場(chǎng)上的機(jī)械計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)均為正向進(jìn)氣時(shí)計(jì)數(shù)器正向計(jì)數(shù)，反向進(jìn)氣時(shí)計(jì)數(shù)器反走。而帶單向計(jì)數(shù)功能的渦輪流量計(jì)是一種能夠在渦輪流量計(jì)左進(jìn)右出進(jìn)氣、垂直安裝、水平安裝條件下均能滿足單向計(jì)數(shù)（單向計(jì)數(shù)可分為正向計(jì)數(shù)與反向計(jì)數(shù)；按目前市場(chǎng)需求，此單向計(jì)數(shù)便是通常所說(shuō)的正向計(jì)數(shù)）。然而，在燃?xì)庥?jì)量市場(chǎng)中也部分投機(jī)分子為了盜氣等原因?qū)u輪流量計(jì)倒置安裝，使得單向計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)不增反退。為了避免上述問(wèn)題再次出現(xiàn)，設(shè)計(jì)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)帶雙向增計(jì)數(shù)功能的新型渦輪流量計(jì)，其包括渦輪流量計(jì)基表、上磁耦合組件、主軸、主錐齒輪、錐齒輪組件和計(jì)數(shù)字輪組件等。雙向增計(jì)數(shù)功能實(shí)現(xiàn)如圖 3 所示，主要是通過(guò)增加單向軸

16、承的數(shù)量，并對(duì)稱(chēng)分布在主錐齒輪的兩側(cè)，通過(guò)單向軸承與錐齒輪的緊配合，實(shí)現(xiàn)正反進(jìn)氣情況下始終有一只單向軸承通過(guò)其單向特性帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，并由驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)另一只因反向而發(fā)生自鎖的單向軸承轉(zhuǎn)動(dòng)，保證圖 3 主軸正反轉(zhuǎn)示意圖6驅(qū)動(dòng)軸始終沿一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而保證即使倒置安裝，機(jī)械計(jì)數(shù)也會(huì)只增不減。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也能有效解決因管道震動(dòng)、齒輪反向間隙而引起機(jī)械顯示不整齊等問(wèn)題。4 高壓渦輪流量計(jì)的性能測(cè)試該流量計(jì)的研制以歐盟標(biāo)準(zhǔn) en 12261：2002 （measurement of natural gas flow by turbine meters) 與 oiml r137-1 作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)依據(jù)并嚴(yán)格按照

17、標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行性能測(cè)試，該性能測(cè)試包括：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)、高低溫性能測(cè)試等；本文詳細(xì)介紹耐久性試驗(yàn)、彎矩與扭矩試驗(yàn)。4.1 耐久性測(cè)試耐久性測(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、額定的使用壽命里的計(jì)量性能是否符合上述的分段要求，即 minmaxqqq2%qqq 1%tt還需確認(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；而且不同安裝位置樣機(jī)在耐久性測(cè)試前后的指示誤差的變化量不得超過(guò)最大允許誤差的 1/3。整個(gè)耐久性測(cè)試以 dn80-g100 樣機(jī)為例進(jìn)行說(shuō)明，首先是將三臺(tái)樣機(jī)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(zhì)以樣機(jī)最大流量進(jìn)行循環(huán)運(yùn)行，以每 1000h為運(yùn)行周期將樣機(jī)拆卸并在標(biāo)準(zhǔn)氣體流量裝置做相應(yīng)性能測(cè)試，經(jīng)過(guò) 7000h 運(yùn)行如圖 4 所示：圖 4 耐久性測(cè)試數(shù)據(jù)圖表從圖 4 分析可知：、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)最大允許誤差的 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；4.2 彎矩與扭矩測(cè)試彎矩與扭矩測(cè)試7圖 6 常壓與高壓數(shù)據(jù)比對(duì)對(duì)于高壓渦輪流量計(jì)來(lái)說(shuō)，還應(yīng)當(dāng)詳細(xì)說(shuō)明流量計(jì)所需求的彎曲與扭力力矩的保護(hù)水平。此數(shù)據(jù)是通過(guò)試驗(yàn)直接獲得，彎矩測(cè)試裝置如圖 5-a 所示，直管段 1 連

19、接氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，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；扭矩測(cè)試裝置如圖 5-b 所示，直管段 1 連接氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，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。由于此項(xiàng)測(cè)試主要針對(duì)流量計(jì)強(qiáng)度的校核，為了更有說(shuō)服力、提高可靠性，故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。而整個(gè)測(cè)試過(guò)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(fā)現(xiàn)流量計(jì)殼體有任何異常變化。而n m測(cè)試結(jié)果表明在施加砝碼

20、f 之間、過(guò)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(shí)流檢定測(cè)試第三方高壓實(shí)流檢定測(cè)試為了確認(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)往第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)國(guó)家石油天然氣大流量計(jì)量站南京分站進(jìn)行 6mpa 實(shí)流檢定；檢定合格，準(zhǔn)確度等級(jí)為 1.0 級(jí)，相對(duì)于常壓檢定數(shù)據(jù)樣機(jī)的儀表系數(shù) k 有所偏移，但仍在允許誤差范圍內(nèi)。其中南京分站使用小流量標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)編號(hào)為 131228041 的 dn80 渦輪流量計(jì)進(jìn)行檢定，該樣機(jī)在常壓與高壓檢定比對(duì)數(shù)據(jù)如圖 6所示。而流量計(jì)的儀表系數(shù) k 的計(jì)算如下： (7)maxmin2iikkk式中：k 流量計(jì)的儀表系